图 1断裂轴承的宏观形貌
大型火力发电机组系统部件繁多，关键部件故障会影响机组的安全运行，甚至造成机组非计划停机。火力发电机组失效部件中，锅炉“四管”，如过热器管[1-2]、再热器管[3]、省煤气管[4]和水冷壁管[5]的内部承受高温高压蒸汽，外部承受高温烟气冲刷，易发生爆管泄漏，该类事故约占锅炉部件事故总数的1/3[6]。炉内“四管”泄漏的原因主要有管壁超温造成的组织老化、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、焊接缺陷和吹损减薄等[7-10]。
锅炉除渣设备、除灰设备、脱硫设备、水处理设备、电动阀门装置等锅炉辅机系统易出现原始制造缺陷，或出现管理疏忽，造成设备出现故障，对发电侧电力生产链造成损害。某大型火力发电机组脱硫系统烟气加热器(GGH)圆柱滚子轴承发生断裂事故，轴承服役环境温度为50~60 ℃。轴承失效时，累计服役时间约为15个月。笔者采用一系列理化检验方法对轴承断裂的原因进行分析，以避免该类问题再次发生。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
断裂轴承的宏观形貌如图1所示。由图1可知：轴承外钢圈、保持架已破裂为大小不一的几块；内钢圈未断裂，呈整体裂纹形态，且裂纹较为笔直，周围未见明显塑性变形，说明钢圈开裂时承受了较大的应力；保持架断面呈现灰暗色，且内部有宏观开裂现象，开裂整体位于断面内部，存在严重的铸造缺陷。
保持架断面的宏观形貌如图2所示。由图2可知：断面沿弧形转角平齐分布，整体较平坦，呈黄褐色；近转角区域分布有由下至上的辐射扩展条纹，表明开裂起始于转角处；断面中部可见一处斜向裂纹状缺陷，长度约28 mm，开口较宽，内部有氧化物，判断其为铸造缺陷；转角呈90°，十分尖锐，转角半径很小，此设计结构易引起宏观应力集中。
对保持架进行线切割，对横截面1和横截面2进行初步打磨，发现两个面均有肉眼可见的气孔、缩孔及微裂纹，裂纹长度均约为10 mm，裂纹均起始于气孔，并逐渐扩展（见图3）。
1.2 化学成分分析
使用全定量金属元素分析仪，根据GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》，对保持架进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：依据GB/T 5231—2012 《加工铜及铜合金牌号和化学成分》，判断保持架的材料为铅黄铜。
Table 1.保持架化学成分分析结果
1.3 扫描电镜(SEM)分析
根据GB/T 19267.6—2008 《刑事技术微量物证的理化检验 第6部分：扫描电子显微镜/X射线能谱法》，使用扫描电子显微镜对轴承断口进行观察，结果如图4所示。由图4可知：转角表面可见加工刀痕及铸造疏松形貌，断面基本沿刀痕分布，且与铸造缺陷相关；断裂起始区可见铸造孔洞，在解理及准解理花样上平行分布有疲劳扩展条纹及二次裂纹；扩展区可见断面呈韧窝花样，以及与铸造缺陷相关的二次裂纹。
断面中部裂纹状缺陷的SEM形貌如图5所示。由图5可知：缺陷开口较宽，裂纹尾端呈圆浑状；裂纹内部呈自由表面形貌，局部区域覆盖有氧化物，表明裂纹状缺陷为铸造缺陷。
未断裂一侧转角区域SEM形貌如图6所示，可见转角底部存在沟槽和沿沟槽开裂形貌，并可见加工刀痕。
1.4 金相检验
将保持架横截面1试样置于光学显微镜下观察，结果如图7所示。由图7可知：保持架基体含有较多的气孔和缩孔缺陷，气孔呈椭圆状，长轴尺寸约为437.5 μm，气孔周围可见微裂纹；横截面上有多处大小不一的裂纹，裂纹形状粗细不均匀，曲折且不规则，部分区域呈龟裂网状特征，裂纹扩展路径上明显存在多处缩孔类形貌。
用4%（体积分数）硝酸乙醇溶液腐蚀保持架横截面1试样，然后将试样置于光学显微镜下观察，结果如图8所示。由图8可知：保持架基体组织为α+β相，组织均匀，属铅黄铜正常组织[11]，显微组织未见异常；晶界和支晶间有大量细小、分散的显微疏松，呈黑色“蠕虫”状形貌，微裂纹起源于该类疏松结构，并沿晶界呈曲折状扩展。
1.5 硬度测试
根据GB/T 231.1—2018 《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》，对保持架横截面2试样进行硬度测试，试验力为661.9 N，保持时间为10 s，压头直径为2.5 mm，结果显示保持架基体硬度平均值为107 HBW，铅黄铜最小硬度为80 HBW（砂型铸造）和90 HBW（金属性铸造），说明该保持架硬度正常。
1.6 现场工况分析
该轴承使用期间曾进行过传热原件冲洗与更换。传热元件的冲洗与更换过程都需要频繁手动盘车，使换热器转子转动，盘车初期施加的力矩远大于正常工作力矩，且不连续，这种不连续的冲击载荷容易造成轴承滚珠表面破损或保持架损坏[12]。该轴承说明书推荐使用牌号为ISO VG460（运动黏度为414~506 mm2/s）的润滑油，而实际使用的润滑油为L-CKD150工业齿轮油（运动黏度为135~165 mm2/s）。黏度较低的润滑油不利于油膜的建立与附着，会造成滚子与保持架，以及内钢圈之间的应力增大，加速磨损过程。
2. 综合分析
由上述理化检验结果可知，轴承保持架断面内部存在严重的宏观铸造缺陷，断裂起始于保持架转角处，该位置转角呈90°，十分尖锐，并未进行圆滑过渡，未断裂一侧转角也存在沟槽，以及沿沟槽分布的裂纹，说明该位置存在应力集中。保持架材料为铅黄铜，基体显微组织为α+β相，组织均匀，属铅黄铜正常组织，显微组织未见异常。保持架基体可见明显疏松、夹杂、气孔等铸造缺陷，该类缺陷相互连接并发展成微裂纹；晶界和支晶间有大量细小、分散的显微疏松缺陷，微裂纹在缺陷处萌生，并沿晶界曲折扩展。因此可以推断，疏松、夹杂和气孔等铸造缺陷是导致保持架断裂的根本原因。
经现场工况分析，该轴承所使用的润滑油黏度较低，不利于滚子与保持架之间油膜的形成，造成油膜厚度减小，不能保证机件表面完全分离，破坏了润滑效果，导致滚子与保持架之间的磨损加剧和受力异常。轴承使用期间曾进行传热元件更换和冲洗，需频繁进行人为手动盘车，这种不连续的冲击载荷作用力矩较大，造成轴承本身结构受力异常，破坏了滚子和保持架之间的平衡工作结构。
3. 结论
轴承保持架发生转角疲劳起始的过载性断裂，保持架转角尖锐，未进行圆滑过渡，并存在铸造缺陷，转角处产生应力集中，萌生了微裂纹，使保持架断裂，进而导致钢圈因受力异常而发生断裂。轴承润滑油选择不当，进一步加速了轴承后期过载性断裂源的形成和扩展
来源--材料与测试网