汽輪發電機轉子軸承斷油燒瓦后軸頸材質變化簡析
劉顯惠 范華
摘 要:簡述軸承工作性質,巴氏合金應用與相組成的基本情況。論述汽輪機轉子在兩個電廠長期運行后，由于軸頸發生的不正常摩擦損傷，在大修改造中由無損檢查、機械加工揭示出軸頸存在嚴重的滲巴氏合金現象，低熔點金屬Sn、Sb與Cu向轉子材料晶界的深層滲入最終導致了3根大型在投轉子的嚴重開裂與報廢。
關鍵詞：汽輪機轉子；軸承；巴氏合金；磁粉顯示；機械加工；裂紋；脆性
1 前言
軸承是汽輪機的關鍵部件之一，在循環潤滑油的潤滑與冷卻作用下，對重載而高速運轉的汽輪機轉子起支承作用。
軸承軸瓦在工作時，除了和軸頸造成磨損外，還要隨軸頸傳給它的載荷，因此軸承瓦塊材料應當有小的摩擦系數，抗磨性好并有足夠高的抗壓強度和韌性。故要求該軸承合金的組織中，在相當軟的基體上分布著一定大小高硬度的相組成物。鑄造錫基巴氏合金ZSnSb11Cu6符合這種組織要求，是一種最優秀的軸承合金。和所有巴氏合金相比，ZSnSb11Cu6具有最小的線膨脹系數，導熱系數比鉛基合金大30％～60％，有最高的耐蝕穩定性及較高的疲勞強度，適合于承受負荷特別高、HB300左右中等硬度的轉軸運轉，因而它作為軸承巴氏合金在汽輪機中廣泛用作轉子支承軸承的軸瓦。
汽輪機在電廠的運行中，斷油燒瓦而使軸承巴氏合金熔化的事情時有發生。一般情況下，均采取換瓦或重新澆巴來解決問題，而很少對汽輪機軸頸的材質變化給予足夠的關注，汽輪機軸頸的滲巴氏合金現象則更是鮮為人知。
但在2000年底至2001年短短的幾個月中，東方汽輪機廠先后接受了來自2個電廠的3根舊機轉子軸頸的修復處理。它們均由于滲巴氏合金造成了軸頸材質的深層脆化，無法在允許的車削范圍內予以清除，最終不得不作報廢處理。本文就這些轉子在東汽廠處理過程中所揭示的轉子軸頸滲巴氏合金的現象作簡要論述。
2 關于巴氏合金的基本情況
ZSnSb11Cu6軸承巴氏合金的成分及各個組成相的作用詳見表。典型的金相組織見圖，即在暗黑色α固溶體塑性基體上，分布著白亮色方塊或三角形晶體β相(SnSb)及白色針狀(或粒狀)晶體ε相(Cu6Sn5)，該巴氏合金的平均硬度僅為Hm30。 ZSnSb11Cu6巴氏合金的固相點溫度為240℃，液相點溫度為370℃，其最高使用溫度不得超過100℃，摩擦系數在有油時為0.005，無油時為0.28。
3 黃石電廠低壓轉子的滲巴氏合金現象
3.1 黃石電廠低壓轉子材質的基本情況
黃石電廠209＃機低壓轉子軸頸在3根轉子中是損傷最嚴重的一根。該機為東方汽輪機廠1988年生產D29第1臺N200－12.70/535/535－4型超高壓中間再熱三缸兩排汽凝汽式汽輪機，1993年7月投運。
低壓轉子系二重廠生產的大鍛件，材料為34CrNi3Mo，力學性能數據見表2，各項性能優良，磁粉及超聲波探傷結果全部符合技術要求。
3.2 電廠大修中無損檢測發現的低壓轉子裂紋
電廠在2000年對該機進行大修期間，著色滲透檢查首先發現了低壓轉子5＃、6＃軸頸開裂，兩軸頸均有若干短的軸向裂紋沿周向成環狀分布。西安熱工所采用KARL RMG4105型測深儀檢測確認，6＃軸頸上最為嚴重的一個裂紋群的情況是：該環狀裂紋群中有裂紋170條，最長裂紋16.7mm，裂紋最深達3.1mm，裂紋深度大于1mm的有35條，深度大于0.2mm有98條。根據這一檢驗結果，電廠決定將該轉子返東汽廠由專用機床進行軸頸車削處理，將直徑為360mm的5＃、6＃軸頸，單邊車小1.2～1.5mm，個別深的裂紋采取局部打磨消缺及填補焊后繼續使用。
3.3 東汽廠車削加工中發現的轉子軸頸滲巴氏合金現象
2000年11月20日該轉子進入東汽廠，為配合工廠對該轉子維修方案的實施與確定，對轉子電機端6＃軸頸裂紋帶的原始情況及軸頸車削過程的每一階段，進行了現場跟蹤、復型檢查及硬度檢測。
3.3.1 車削前6＃軸頸裂紋帶的原始情況
6＃軸頸長430mm，上述最嚴重的裂紋帶離電機端臺階位置約130mm。將裂紋附近區拋光至鏡面并經硝酸酒精溶液腐蝕后，顯示出一寬度約為90mm的深色帶區，與轉子基材形成明顯分界線，跨越分界線密集排列著軸向分布的短裂紋，其宏觀可見長度多為3～5mm。對這一帶用里氏硬度計測試布氏硬度的結果是：轉子基材硬度為 HB292～306左右，與轉子的出廠檢測結果相符，深色帶內的硬度則高達HB540～593，而帶兩邊5mm范圍內硬度低于基材，為HB241～255的軟化區。這顯然是機組運行中由于不正常摩擦，使軸頸局部區域嚴重發熱達到材料相變溫度以上，產生了相變硬化的結果。其硬度與宏觀裂紋分布的具體情況見圖。
3.3.2 車削中6＃軸頸裂紋帶的發展情況
2000年底，湖北電力局、中試所及黃石電廠領導、專家與東汽廠相關人員，在東汽廠共同進行了低壓轉子6＃軸頸小進刀量(每次進刀0.2mm)車削的現場跟蹤檢查，發現了如下情況。
3.3.2.1 6＃軸頸出現兩個硬化亮帶
車刀從正常基材區進入高硬區時，金屬的車削聲立刻變得尖銳，鐵屑轉而斷為碎渣形式。與周圍正常區相比，高硬區車削后光澤度高，明顯發亮，而車刀則極易在該區受損變鈍。車0.5mm后檢查，在原90mm寬硬化亮帶旁，出現了另一寬約22mm硬化亮帶(離電機端253mm)，亮帶兩邊密布的軸向裂紋肉眼可見。
3.3.2.2 6＃軸頸車小過程中裂紋顯著增長
根據軸頸車削過程中揭示的裂紋情況嚴重性，以及轉子軸頸極限扭矩應力的計算結果，將原先設想的單邊加工1.5mm的預方案原則上放寬到單邊5mm。在每次進刀約0.2mm、軸頸逐漸加工變小的過程中，硬化帶邊界處裂紋群的長度沒有象人們期待地那樣減小，反而在明顯地增加：由原始的3～5mm級→10mm級(單邊加工0.5mm時)→20mm級(加工3.8mm時)→30mm級(加工5.49mm時)。其原始短裂紋加工后轉而變為長裂紋的情況如圖所示。
最終將軸頸極限尺寸再次加工縮小到φ347.14mm，即單邊加工去除了6.43mm的深度，此時裂紋的檢查情況依然嚴重。
（1）裂紋總條數。原90mm硬化帶的邊界軸向裂紋還余146條，其中25～37mm長的裂紋達64條之多。
（2）磨擦硬化帶寬度與硬度。原90mm硬化帶仍未完全消失，剩余寬度為5～23mm，硬帶最高硬度HB562～588，而熱影響軟區硬度僅為HB225～255。兩變異區與基材正常金相組織的硬度HB284～298相差甚遠。原22mm硬化帶已完全消失，組織與硬度基本恢復正常。
經雙方認真商議，確認該轉子6＃軸頸此時的剩余直徑已不符合安全裕度的設計要求，且仍存在大量裂紋，該轉子已無挽救希望，只能作報廢處理。
3.3.2.3 6＃軸頸摩擦帶的滲巴氏合金脆化現象
6＃軸頸摩擦帶區域的加工鐵屑呈1～5mm長的碎渣，見圖4(正常區是長鐵屑，車削過程中不斷)，說明該摩擦區金屬呈現明顯的脆性。
在6＃軸頸加工過程中，先后在不同的加工深度即0mm、1.4mm與6.43mm的最終加工狀態，對裂紋帶作了3次復型微觀組織的檢查。不同深度的組織檢查情況基本相同，特征是宏觀裂紋存在的地方以及硬化帶內部，均存在有大量沿晶分布的粗大白色網狀組織，是大鍛件材料從來不曾見識過的異種相；高硬化區基體呈細針狀重結晶淬火馬氏體，晶粒已細化到8級；轉子正常區為回火索氏體與回火貝氏體基材組織，晶粒度為4級。
采用電鏡能譜儀分析摩擦硬化區碎鐵屑的元素譜線，見圖8。Sn、Sb和Cu的譜峰十分明顯，說明該區碎鐵屑中富含巴氏合金組成元素，證明裂紋帶白色網狀異種相正是巴氏合金Sn、Sb和Cu組成元素沿軸頸34CrNi3Mo材料晶界強烈滲入，形成了與巴氏合低熔點白色方塊β相(SnSb)相近的低硬度脆性相的結果。
4 沙角電廠中、低壓轉子滲巴氏合金的情況
沙角發電總廠200MW A3汽輪機組為哈爾濱汽輪機廠制造，1988年出廠。
2001年，高、中、低3根舊轉子由東汽廠對其進行通流改造。在軸頸進行磁粉檢查時，30Cr2MoV中壓轉子3＃軸頸(低壓端)發現一條寬約35mm的周向摩擦帶，而34CrNi3Mo低壓轉子4＃軸頸(中壓端)發現一條寬約30mm的周向摩擦帶，帶中有大量軸向、周向及網狀磁痕顯示。
圖示出了中壓轉子3＃軸頸摩擦位置。軸頸長400mm，軸頸上一周向網狀摩擦龜裂帶離汽輪機端臺階位置約125mm，帶中大量的線狀磁痕顯示與圖(低壓轉子4＃軸頸磁痕顯示復型的示意圖)類似。值得注明的是，對這些缺陷用著色滲透檢驗時，無顯示痕跡，表明缺陷還尚未開裂。
為進一步判定缺陷的性質，對中壓轉子3＃軸頸摩擦缺陷區進行了現場復膜金相檢驗及硬度檢查。摩擦區拋光腐蝕后為深的顏色，與轉子基材有明顯的分界線。摩擦區內軸向與周向交錯分布的白色網狀組織發達，與宏觀磁痕顯示的龜裂形態完全一致，見圖11。摩擦區基體因滲巴氏合金亦發生了明顯的組織改變。
對這一帶用里氏硬度計測試布氏硬度的結果是：中壓轉子基材硬度為HB223～236左右，帶內硬度為HB246～266。從硬度方面看，摩擦區還沒有達到黃石電廠那樣強烈地相變硬化狀態。
沙角低壓轉子4＃軸頸30mm周向摩擦帶在單邊車去3.5mm深度后，仍有20多條軸向的磁痕顯示，長度超過20mm，因而該低壓轉子，以及摩擦帶更寬的(35mm)中壓轉子最后均作報廢處理。
5 電廠運行中汽輪機轉子軸頸滲巴氏合金的原因分析
汽輪機與發電機各軸承所需的大量潤滑與冷卻用油，由汽輪機的油系統承擔。由于油系統工作的可靠性極為重要，因而油系統包括了由汽輪機主軸直接驅動的“主油泵”，小汽輪機驅動的“汽動輔助油泵”以及由電動機拖動，發生事故時備用的“電動輔助油泵”，三泵聯合確保了汽輪機在正常運轉、啟動和停機時均有良好的潤滑作用。
機組在啟動與運行時，潤滑油在轉子軸頸表面與軸瓦表面之間的空間形成油膜，產生壓力將軸托起，避免了軸頸與軸瓦金屬之間的干摩擦。同時，進入各軸承的油溫不超過35～45℃，不斷地將軸承摩擦產生的熱量，以及由轉子體傳給軸頸的熱量帶走，對軸頸起冷卻作用。因此，潤滑油的流通對軸承正常工作的重要性是不言而喻的，3根在役轉子的提前報廢正是此種重要性的具體體現。
據查，黃石電廠209＃機低壓轉子5＃、6＃軸承在1994年投運初期曾發生過嚴重的斷油燒瓦事故，此后兩軸承一直在瓦溫偏高的狀況下運行。從以上檢查結果看出，轉子摩擦高硬區細針狀馬氏體的存在說明此處發生了相變重結晶，溫度達800℃以上；而摩擦帶兩旁軟化區則超過轉子回火溫度，達600℃以上。斷油事故不僅使轉子干摩擦區發生了相變硬化，更使摩擦區發生了巴氏合金的沿晶滲入，特別是硬化帶的兩側既是軟化區，又是相變硬化淬火的拉應力集中區，其深層滲入就更為強烈。Sn、Sb和Cu元素在轉子材料晶界的富集使軸頸局部區材料失去了原有的高強度與高韌性，長期運行后優先在摩擦帶兩旁的低強度軟化區里，由低熔點的白色相組織發生開裂成為宏觀裂紋。
轉子軸頸車削加工中裂紋增長的現象則是白色網狀脆性相在車刀與加工應力作用下連續不斷發生脆性脫落的結果。
沙角電廠2根轉子的滲巴氏合金現象，其原理也應如此，只不過斷油時間與事故的嚴重程度稍輕微一些。晶界滲入異種相還尚未開裂，它能引起磁粉的明顯堆集卻對著色滲透沒有反應。
6 結論
(1)在潤滑油暢通的情況下，鑄造錫基巴氏合金ZSnSb11Cu6是最優秀的軸承合金，可以滿足汽輪機支承軸承對軸瓦的各項技術要求。
(2)電廠3根在役轉子的中途報廢是軸承斷油、嚴重燒瓦及瓦溫長期偏高的必然結果。
(3)汽輪機轉子軸頸環狀裂紋群或磁痕顯示的出現，是在不正常運行工況下，巴氏合金低熔點組成元素Sn、Sb及Cu向軸頸深層滲入，使轉子材料的局部發生了組織變異及脆化而致。
因此，電廠在發生燒瓦之后，更換軸承的同時應加強對軸頸摩擦區材料微觀組織的監督檢查。
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