磨煤机动态分离器转子叶片裂纹分析

马 龙，边技超，王 轩，蒋 文

(北京电力设备总厂有限公司，北京 102401)

0 前 言

磨煤机是火电厂锅炉制粉系统的主要设备之一。动态分离器是安装在磨煤机上方的一个主要部件，其主要作用是对碾磨出的细煤粉进行筛选分离并提高均匀性，煤粉细度和均匀性指数是影响锅炉燃烧状况的重要因素。动态分离器的转子由变频电机驱动，电机转速通过变频器由DCS远程在线调节，调节范围5～50 Hz。动态分离器能根据燃煤煤质及工况的变化，及时方便地调整煤粉细度，可以满足用户对不同煤粉细度的需要，扩大发电厂煤种的选用范围，降低燃料成本。动态分离器还可提高细粉分离效率，避免合格煤粉重复碾磨，降低制粉电耗，降低锅炉内燃料的不完全燃烧损失及排烟热损失，从而降低发电煤耗[1]。因此，动态分离器在燃煤电厂制粉系统中得到广泛应用。

某电厂磨煤机动态分离器转子结构如图1所示。在运行一段时间后，转子下层叶片中有50余片叶片在焊缝附近产生横向裂纹，并有12片叶片已脱落。其转子叶片材料为NM500耐磨钢，转子框架材料为Q235-B钢。为了使动态分离器运行具有较高的稳定性及可靠性，其转子一般都要达到G1级的平衡精度等级要求。如果转子叶片发生断裂会导致转子的动不平衡大幅增加，严重影响转子动平衡性能，加剧设备振动，使轴承及齿轮的寿命减少，煤粉细度调节能力降低。综上，转子叶片焊接的可靠性尤为重要。

图1 转子结构示意图

1 动态分离器转子叶片裂纹分析

通过现场观察、分析裂纹出现的位置及断口的特点，可得出以下结论：

(1)焊缝表面无裂纹；

(2)裂纹发生在焊缝上方的热影响区内；

(3)裂纹在使用一段时间后产生并延展直至断裂，且裂纹以焊趾裂纹为启源裂纹符合延迟冷裂纹(氢致裂纹)的特征；

(4)裂纹发生在转子下层叶片的上端焊缝焊附近，且下锥体为多块儿板拼焊，有一定的变形；

(5)断口具有发亮的金属光的脆性断裂特征，是一种未分叉的纯断裂，并可呈人字纹形态发展。

(6)转子叶片主要受离心力及一次风粉混合物产生的阻力力矩，与焊缝强度及钢板强度相比较，叶片受的离心力及阻力力矩可忽略(转子转速<100 r/min，一次风粉混合物流速20 m/s～30 m/s)。

综上所述，可以得出以下结论：叶片裂纹属于焊接冷裂纹，裂纹的延展主要是由焊接内应力及下锥体变形产生的应力导致(如图2所示)。

图2 转子叶片裂纹

2 NM500钢焊接性能分析

分离器转子在磨煤机内受煤粉冲刷，叶片材料需采用高强度耐磨钢，延长转子使用寿命，以减少因磨损带来的停机检修，从而提高生产效率。

NM500是一种低合金高强度耐磨钢，具有较高的抗磨损能力，布氏硬度值达到500(HBW)，广泛应用于冶金、机械、矿山等行业需要耐磨的场合或为部位提供防磨保护[2]。该转子叶片采用某钢铁生产的NM500钢，厚度为6 mm，其化学成分见表1。

表1 某钢铁公司NM500钢化学成分表

2.1 NM500钢的碳当量及冷裂纹敏感指数

碳当量是把包括碳在内的钢中合金元素含量按其作用换算成碳的相当含量。可以做为评定钢材淬硬、冷裂及脆化等性能的参考指标。这对焊接工艺条件如预热、焊后热处理、线能量等的确定具有重要的指导作用。计算得到的碳当量数值越大，则被焊钢材的淬硬倾向越大，热影响区越容易产生冷裂纹。

如表2所示，不同国家根据自己国家的钢铁冶炼系统建立了各自的碳当量公式[3]。不同国家的碳当量公式有其适用范围，使用时需根据具体钢材的含碳量及其他化学成分含量判断。

表2 常用的碳当量公式

根据NM500钢的碳含量及化学成分选择美国焊接学会(AWS)公式计算碳当量值，得到Ceq=0.61%。

NM500钢的碳当量值表明该钢材易淬硬，属于难焊材料，焊接必须预热才能防止裂纹，且焊后必须做消应力处理。焊接时，钢种的淬硬倾向越大，越易产生裂纹，钢种淬硬后会形成马氏体组织，晶格发生较大的畸变，使组织处于淬硬状态，特别是在焊接条件下，近焊缝区的温度很高(达1 350～1 400 ℃)使奥氏体晶粒显著增大，快冷时转为粗大的马氏体，性能更为脆硬，且对氢脆非常敏感。

NM500钢的化学成分冷裂敏感指数Pcm=0.36%。相关研究指出，当钢的化学成分冷裂敏感指数Pcm≤0.2%时，防止冷裂纹的预热温度可以不超过50 ℃[4]。NM500钢的化学成分冷裂敏感指数Pcm=0.36%>0.2%，具有较高的焊接冷裂纹敏感性，易出现冷裂纹。

2.2 NM500钢焊接预热温度对裂纹的影响

考虑钢板厚度及焊缝中扩散氢[H]对冷裂纹的影响，研究人员在钢的化学成分冷裂敏感指数Pcm的基础上给出焊接冷裂纹敏感指数Pc(见式1)，在焊接冷裂纹指数Pc的基础上可计算焊接NM500钢需要预热的温度[4]。

(1)

T0=1 440Pc-392

(2)

式中:Pcm为日本ITO公式计算的化学成分冷裂敏感指数(单位%)；Pc为焊接冷裂纹敏感指数(单位%)；[H]为熔敷金属中的扩氢含量(GB/T3965中的甘油法ml/100g)；t为被焊金属的板厚(mm)；T0为钢板防止产生焊接冷裂纹所需要预热的温度。

由公式(2)可知焊接预热温度与板厚有关，钢板越厚预热所需的预热温度越高。转子动叶片的的板厚t=6 mm，[H]为2 ml/100 g，则NM500钢的焊接冷裂纹敏感指数Pc=0.403%。

转子叶片防止产生焊接冷裂纹所需要预热的温度T0=188 ℃。

2.3 NM500钢焊缝冷却时间对裂纹的影响

我国利用插销试验法在大量试验的基础上建立了国产低合金钢产生焊接冷裂纹的临界应力经验公式[5]：

σcr=1 323-275 lg([H]+1)-2.16HVmax+

0.102t100

(3)

式中:σcr为产生焊接冷裂纹的临界应力(Mpa)；t100为焊缝温度由峰值温度冷却到100 ℃时的冷却时间；HVmax为焊接影响区的平均最大硬度(维氏)。

计算出的冷裂纹临界应力值应大于实际焊接材料的拘束应力。由公式可知，延长冷却时间，并使用低氢焊条可提高临界应力值，也可以作为防止冷裂纹出现的有效措施。

3 焊条及焊接工艺对冷裂纹的影响

焊接厂家使用的是气体保护电弧焊实心焊丝，选用的是市场上大量使用的碳钢、低合金钢焊丝Mn-Si系焊丝ER50-6(GB/T8110)。 ER50-6焊丝抗拉强度大于500 MPa，屈服强度大于420 MPa，伸长率大于22%，具有优良的塑性、韧性和抗裂效能。常用于Q235A、B级的母材焊接及某些低合金钢如Q345。焊条的选择一般遵循以下原则[5]：

为防止焊接裂纹，应根据焊接性能较差的母材选取焊接工艺，对于低合金高强度钢，在保证焊接街头强度的前提下，重点考虑焊接材料的抗裂性及焊缝金属的塑韧性。因此应优先考虑选择低氢及超低氢的焊接材料及塑韧性优良的焊接材料。

对于两种强度级别不同的结构钢之间的焊接，应按强度级别低的母材选择焊接材料。

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应使焊接接头的塑性和冲击韧性不低于被焊接的钢材。

根据焊条选择原则，NM500钢与Q235-B钢强度级别差距较大，应根据Q235-B钢选择焊条，外协厂家选择ER50-6焊条符合要求，也是最经济的选择。同时现场实际证明，焊缝处无裂纹，说明焊缝强度及韧性符合使用要求。但焊接工艺应按焊接性能差的材料NM500钢制定。

经调查，焊接厂家在焊接NM500钢时没有调整焊接工艺，焊接前无预热，焊中无保温，焊后无消应力处理。

表3 转子叶片实际焊接参数及工艺

4 NM500钢焊接裂纹预防措施

根据对NM500钢焊接性能及厂家实际焊接工艺的分析，制定焊接工艺时需注意以下几点：

(1)焊前预热，分离器转子叶片较薄焊前预热188 ℃左右，若冬天室外施焊(低于-5 ℃)需预热温度还需提高；

(2)施焊时一道焊缝一次性焊完，中间不停；

(3)焊完后，用石棉覆盖焊缝，防止冷却过快；

(4)采用低氢系或超低氢系焊材可防止延迟裂纹，但低氢焊条工艺性能较差，一般用直流电源施焊，主要用于重要结构及刚性厚度较大的焊接中，成本较高，推荐使用实心焊丝，扩散氢含量较低，适合焊接薄钢板；

(5)焊后消应力处理，转子工件较大，且整体消应力会影响NM500钢的耐磨性，可对焊缝进行局部加热进行消应力，并对焊缝处进行敲击；

(6)焊接前需保证焊丝干燥，清理焊接件上的油污及露水，防止熔覆金属中扩散氢的含量超标导致延迟裂纹。

5 结 论

(1)该转子动叶片存在焊接冷裂纹，转子的下锥体为多块儿拼焊，且焊后没有消应力，下层叶片在自身焊接应力及下锥体变形产生的应力的作用下，裂纹扩展并发生断裂。

(2)低合金高强度钢NM500钢属于难焊材料，焊接时易出现裂纹，需要采取一定的防裂措施。

(3)NM500钢虽然有较强的耐磨性，但焊接性能差，容易出现比较严重的焊接缺陷，影响设备的安全性及稳定性，通过对材料的焊接性及成本等各方面综合考虑，转子叶片材料建议使用可焊性较好的材料NM400钢。