汽轮发电机转子轴承断油烧瓦后轴颈材质变化简析
刘显惠 范华
摘 要:简述轴承工作性质,巴氏合金应用与相组成的基本情况。论述汽轮机转子在两个电厂长期运行后，由于轴颈发生的不正常摩擦损伤，在大修改造中由无损检查、机械加工揭示出轴颈存在严重的渗巴氏合金现象，低熔点金属Sn、Sb与Cu向转子材料晶界的深层渗入最终导致了3根大型在投转子的严重开裂与报废。
关键词：汽轮机转子；轴承；巴氏合金；磁粉显示；机械加工；裂纹；脆性
1 前言
轴承是汽轮机的关键部件之一，在循环润滑油的润滑与冷却作用下，对重载而高速运转的汽轮机转子起支承作用。
轴承轴瓦在工作时，除了和轴颈造成磨损外，还要随轴颈传给它的载荷，因此轴承瓦块材料应当有小的摩擦系数，抗磨性好并有足够高的抗压强度和韧性。故要求该轴承合金的组织中，在相当软的基体上分布着一定大小高硬度的相组成物。铸造锡基巴氏合金ZSnSb11Cu6符合这种组织要求，是一种最优秀的轴承合金。和所有巴氏合金相比，ZSnSb11Cu6具有最小的线膨胀系数，导热系数比铅基合金大30％～60％，有最高的耐蚀稳定性及较高的疲劳强度，适合于承受负荷特别高、HB300左右中等硬度的转轴运转，因而它作为轴承巴氏合金在汽轮机中广泛用作转子支承轴承的轴瓦。
汽轮机在电厂的运行中，断油烧瓦而使轴承巴氏合金熔化的事情时有发生。一般情况下，均采取换瓦或重新浇巴来解决问题，而很少对汽轮机轴颈的材质变化给予足够的关注，汽轮机轴颈的渗巴氏合金现象则更是鲜为人知。
但在2000年底至2001年短短的几个月中，东方汽轮机厂先后接受了来自2个电厂的3根旧机转子轴颈的修复处理。它们均由于渗巴氏合金造成了轴颈材质的深层脆化，无法在允许的车削范围内予以清除，最终不得不作报废处理。本文就这些转子在东汽厂处理过程中所揭示的转子轴颈渗巴氏合金的现象作简要论述。
2 关于巴氏合金的基本情况
ZSnSb11Cu6轴承巴氏合金的成分及各个组成相的作用详见表。典型的金相组织见图，即在暗黑色α固溶体塑性基体上，分布着白亮色方块或三角形晶体β相(SnSb)及白色针状(或粒状)晶体ε相(Cu6Sn5)，该巴氏合金的平均硬度仅为Hm30。 ZSnSb11Cu6巴氏合金的固相点温度为240℃，液相点温度为370℃，其最高使用温度不得超过100℃，摩擦系数在有油时为0.005，无油时为0.28。
3 黄石电厂低压转子的渗巴氏合金现象
3.1 黄石电厂低压转子材质的基本情况
黄石电厂209＃机低压转子轴颈在3根转子中是损伤最严重的一根。该机为东方汽轮机厂1988年生产D29第1台N200－12.70/535/535－4型超高压中间再热三缸两排汽凝汽式汽轮机，1993年7月投运。
低压转子系二重厂生产的大锻件，材料为34CrNi3Mo，力学性能数据见表2，各项性能优良，磁粉及超声波探伤结果全部符合技术要求。
3.2 电厂大修中无损检测发现的低压转子裂纹
电厂在2000年对该机进行大修期间，着色渗透检查首先发现了低压转子5＃、6＃轴颈开裂，两轴颈均有若干短的轴向裂纹沿周向成环状分布。西安热工所采用KARL RMG4105型测深仪检测确认，6＃轴颈上最为严重的一个裂纹群的情况是：该环状裂纹群中有裂纹170条，最长裂纹16.7mm，裂纹最深达3.1mm，裂纹深度大于1mm的有35条，深度大于0.2mm有98条。根据这一检验结果，电厂决定将该转子返东汽厂由专用机床进行轴颈车削处理，将直径为360mm的5＃、6＃轴颈，单边车小1.2～1.5mm，个别深的裂纹采取局部打磨消缺及填补焊后继续使用。
3.3 东汽厂车削加工中发现的转子轴颈渗巴氏合金现象
2000年11月20日该转子进入东汽厂，为配合工厂对该转子维修方案的实施与确定，对转子电机端6＃轴颈裂纹带的原始情况及轴颈车削过程的每一阶段，进行了现场跟踪、复型检查及硬度检测。
3.3.1 车削前6＃轴颈裂纹带的原始情况
6＃轴颈长430mm，上述最严重的裂纹带离电机端台阶位置约130mm。将裂纹附近区抛光至镜面并经硝酸酒精溶液腐蚀后，显示出一宽度约为90mm的深色带区，与转子基材形成明显分界线，跨越分界线密集排列着轴向分布的短裂纹，其宏观可见长度多为3～5mm。对这一带用里氏硬度计测试布氏硬度的结果是：转子基材硬度为 HB292～306左右，与转子的出厂检测结果相符，深色带内的硬度则高达HB540～593，而带两边5mm范围内硬度低于基材，为HB241～255的软化区。这显然是机组运行中由于不正常摩擦，使轴颈局部区域严重发热达到材料相变温度以上，产生了相变硬化的结果。其硬度与宏观裂纹分布的具体情况见图。
3.3.2 车削中6＃轴颈裂纹带的发展情况
2000年底，湖北电力局、中试所及黄石电厂领导、专家与东汽厂相关人员，在东汽厂共同进行了低压转子6＃轴颈小进刀量(每次进刀0.2mm)车削的现场跟踪检查，发现了如下情况。
3.3.2.1 6＃轴颈出现两个硬化亮带
车刀从正常基材区进入高硬区时，金属的车削声立刻变得尖锐，铁屑转而断为碎渣形式。与周围正常区相比，高硬区车削后光泽度高，明显发亮，而车刀则极易在该区受损变钝。车0.5mm后检查，在原90mm宽硬化亮带旁，出现了另一宽约22mm硬化亮带(离电机端253mm)，亮带两边密布的轴向裂纹肉眼可见。
3.3.2.2 6＃轴颈车小过程中裂纹显著增长
根据轴颈车削过程中揭示的裂纹情况严重性，以及转子轴颈极限扭矩应力的计算结果，将原先设想的单边加工1.5mm的预方案原则上放宽到单边5mm。在每次进刀约0.2mm、轴颈逐渐加工变小的过程中，硬化带边界处裂纹群的长度没有象人们期待地那样减小，反而在明显地增加：由原始的3～5mm级→10mm级(单边加工0.5mm时)→20mm级(加工3.8mm时)→30mm级(加工5.49mm时)。其原始短裂纹加工后转而变为长裂纹的情况如图所示。
最终将轴颈极限尺寸再次加工缩小到φ347.14mm，即单边加工去除了6.43mm的深度，此时裂纹的检查情况依然严重。
（1）裂纹总条数。原90mm硬化带的边界轴向裂纹还余146条，其中25～37mm长的裂纹达64条之多。
（2）磨擦硬化带宽度与硬度。原90mm硬化带仍未完全消失，剩余宽度为5～23mm，硬带最高硬度HB562～588，而热影响软区硬度仅为HB225～255。两变异区与基材正常金相组织的硬度HB284～298相差甚远。原22mm硬化带已完全消失，组织与硬度基本恢复正常。
经双方认真商议，确认该转子6＃轴颈此时的剩余直径已不符合安全裕度的设计要求，且仍存在大量裂纹，该转子已无挽救希望，只能作报废处理。
3.3.2.3 6＃轴颈摩擦带的渗巴氏合金脆化现象
6＃轴颈摩擦带区域的加工铁屑呈1～5mm长的碎渣，见图4(正常区是长铁屑，车削过程中不断)，说明该摩擦区金属呈现明显的脆性。
在6＃轴颈加工过程中，先后在不同的加工深度即0mm、1.4mm与6.43mm的最终加工状态，对裂纹带作了3次复型微观组织的检查。不同深度的组织检查情况基本相同，特征是宏观裂纹存在的地方以及硬化带内部，均存在有大量沿晶分布的粗大白色网状组织，是大锻件材料从来不曾见识过的异种相；高硬化区基体呈细针状重结晶淬火马氏体，晶粒已细化到8级；转子正常区为回火索氏体与回火贝氏体基材组织，晶粒度为4级。
采用电镜能谱仪分析摩擦硬化区碎铁屑的元素谱线，见图8。Sn、Sb和Cu的谱峰十分明显，说明该区碎铁屑中富含巴氏合金组成元素，证明裂纹带白色网状异种相正是巴氏合金Sn、Sb和Cu组成元素沿轴颈34CrNi3Mo材料晶界强烈渗入，形成了与巴氏合低熔点白色方块β相(SnSb)相近的低硬度脆性相的结果。
4 沙角电厂中、低压转子渗巴氏合金的情况
沙角发电总厂200MW A3汽轮机组为哈尔滨汽轮机厂制造，1988年出厂。
2001年，高、中、低3根旧转子由东汽厂对其进行通流改造。在轴颈进行磁粉检查时，30Cr2MoV中压转子3＃轴颈(低压端)发现一条宽约35mm的周向摩擦带，而34CrNi3Mo低压转子4＃轴颈(中压端)发现一条宽约30mm的周向摩擦带，带中有大量轴向、周向及网状磁痕显示。
图示出了中压转子3＃轴颈摩擦位置。轴颈长400mm，轴颈上一周向网状摩擦龟裂带离汽轮机端台阶位置约125mm，带中大量的线状磁痕显示与图(低压转子4＃轴颈磁痕显示复型的示意图)类似。值得注明的是，对这些缺陷用着色渗透检验时，无显示痕迹，表明缺陷还尚未开裂。
为进一步判定缺陷的性质，对中压转子3＃轴颈摩擦缺陷区进行了现场复膜金相检验及硬度检查。摩擦区抛光腐蚀后为深的颜色，与转子基材有明显的分界线。摩擦区内轴向与周向交错分布的白色网状组织发达，与宏观磁痕显示的龟裂形态完全一致，见图11。摩擦区基体因渗巴氏合金亦发生了明显的组织改变。
对这一带用里氏硬度计测试布氏硬度的结果是：中压转子基材硬度为HB223～236左右，带内硬度为HB246～266。从硬度方面看，摩擦区还没有达到黄石电厂那样强烈地相变硬化状态。
沙角低压转子4＃轴颈30mm周向摩擦带在单边车去3.5mm深度后，仍有20多条轴向的磁痕显示，长度超过20mm，因而该低压转子，以及摩擦带更宽的(35mm)中压转子最后均作报废处理。
5 电厂运行中汽轮机转子轴颈渗巴氏合金的原因分析
汽轮机与发电机各轴承所需的大量润滑与冷却用油，由汽轮机的油系统承担。由于油系统工作的可靠性极为重要，因而油系统包括了由汽轮机主轴直接驱动的“主油泵”，小汽轮机驱动的“汽动辅助油泵”以及由电动机拖动，发生事故时备用的“电动辅助油泵”，三泵联合确保了汽轮机在正常运转、启动和停机时均有良好的润滑作用。
机组在启动与运行时，润滑油在转子轴颈表面与轴瓦表面之间的空间形成油膜，产生压力将轴托起，避免了轴颈与轴瓦金属之间的干摩擦。同时，进入各轴承的油温不超过35～45℃，不断地将轴承摩擦产生的热量，以及由转子体传给轴颈的热量带走，对轴颈起冷却作用。因此，润滑油的流通对轴承正常工作的重要性是不言而喻的，3根在役转子的提前报废正是此种重要性的具体体现。
据查，黄石电厂209＃机低压转子5＃、6＃轴承在1994年投运初期曾发生过严重的断油烧瓦事故，此后两轴承一直在瓦温偏高的状况下运行。从以上检查结果看出，转子摩擦高硬区细针状马氏体的存在说明此处发生了相变重结晶，温度达800℃以上；而摩擦带两旁软化区则超过转子回火温度，达600℃以上。断油事故不仅使转子干摩擦区发生了相变硬化，更使摩擦区发生了巴氏合金的沿晶渗入，特别是硬化带的两侧既是软化区，又是相变硬化淬火的拉应力集中区，其深层渗入就更为强烈。Sn、Sb和Cu元素在转子材料晶界的富集使轴颈局部区材料失去了原有的高强度与高韧性，长期运行后优先在摩擦带两旁的低强度软化区里，由低熔点的白色相组织发生开裂成为宏观裂纹。
转子轴颈车削加工中裂纹增长的现象则是白色网状脆性相在车刀与加工应力作用下连续不断发生脆性脱落的结果。
沙角电厂2根转子的渗巴氏合金现象，其原理也应如此，只不过断油时间与事故的严重程度稍轻微一些。晶界渗入异种相还尚未开裂，它能引起磁粉的明显堆集却对着色渗透没有反应。
6 结论
(1)在润滑油畅通的情况下，铸造锡基巴氏合金ZSnSb11Cu6是最优秀的轴承合金，可以满足汽轮机支承轴承对轴瓦的各项技术要求。
(2)电厂3根在役转子的中途报废是轴承断油、严重烧瓦及瓦温长期偏高的必然结果。
(3)汽轮机转子轴颈环状裂纹群或磁痕显示的出现，是在不正常运行工况下，巴氏合金低熔点组成元素Sn、Sb及Cu向轴颈深层渗入，使转子材料的局部发生了组织变异及脆化而致。
因此，电厂在发生烧瓦之后，更换轴承的同时应加强对轴颈摩擦区材料微观组织的监督检查。
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