PT A精制干燥機(jī)滾圈表面損壞原因分析及對(duì)策

劉 潔

(中國(guó)石化儀化股份有限公司 PTA生產(chǎn)中心,江蘇 儀征 211900)

PT A精制干燥機(jī)滾圈表面損壞原因分析及對(duì)策

劉 潔

(中國(guó)石化儀化股份有限公司 PTA生產(chǎn)中心,江蘇 儀征 211900)

通過宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、表面硬度測(cè)試以及力學(xué)強(qiáng)度計(jì)算等方法,找出了 PTA精制干燥機(jī)在投入運(yùn)行兩個(gè)月后前滾圈圓周外表面嚴(yán)重剝落損壞的原因,消除了根源和隱患,避免了滾圈的進(jìn)一步損壞。

干燥機(jī);滾圈;脫落;應(yīng)力;裂紋;對(duì)策

儀化公司精制干燥機(jī)是裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一,原干燥機(jī)是大型進(jìn)口設(shè)備,由于長(zhǎng)徑比過大 (達(dá)到10.25),剛度小,機(jī)身抗疲勞強(qiáng)度低,筒體大面積開裂而徹底報(bào)廢。通過對(duì)干燥機(jī)的國(guó)產(chǎn)化攻關(guān)研制,新的干燥機(jī)于 2009年 8月投入使用。而運(yùn)行不到兩個(gè)月,即發(fā)現(xiàn)進(jìn)料端滾圈表面出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。針對(duì)這一問題,筆者及其所在單位進(jìn)行了深入細(xì)致地研究和分析,力求找出原因,拿出對(duì)策,避免滾圈表面的進(jìn)一步被損壞。

1 PTA干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)及故障的產(chǎn)生

1.1 干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)

該干燥機(jī)是一種間接加熱的蒸汽管型干燥機(jī),設(shè)備長(zhǎng)度為 25.6 m,筒體直徑為 2.88 m,主要材質(zhì):304L,總質(zhì)量為 171 t,轉(zhuǎn)速為 5 r/min,最大工藝處理量為 52 t/h干料,由筒體 (包括殼體、蒸汽管、蒸汽分配器)、進(jìn)料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、蒸汽分配系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng) (包括電機(jī)、減速機(jī)、齒圈、滾圈及托輪)組成。

濕的 PTA物料從筒體的高端加入,經(jīng)螺旋輸送機(jī)送至回轉(zhuǎn)圓筒,在圓筒中被蒸汽加熱管間接加熱,并在筒體的轉(zhuǎn)動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng),干燥后的 PTA粉末從出料端排出。另一方面,載氣從出料系統(tǒng)進(jìn)入,與物料形成逆流,干燥過程中產(chǎn)生的濕組分由載氣 (氮?dú)?攜帶出干燥機(jī),而蒸汽則從旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入蒸汽分配器,經(jīng)分配器分配給每根加熱管進(jìn)行換熱,換熱完畢后,凝液從旋轉(zhuǎn)接頭中心套管排出。干燥機(jī)必須具有足夠的換熱面積和容積以確保濕物料能夠達(dá)到干燥要求。如圖 1所示。

圖1 干燥機(jī)總體示意

干燥機(jī)筒體在托輪和滾圈的支撐下與水平面成一定的傾斜角 (2/100)旋轉(zhuǎn)。為了阻止整個(gè)筒體下滑,設(shè)置了擋輪裝置,故筒體的支撐裝置由滾圈、托輪、擋輪三部分組成。干燥機(jī) M703A的前、后滾圈由外徑長(zhǎng) 3 550 mm×寬 420 mm的 42C rMo鋼鍛件制成,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,表面硬度 HB=268～282,σb=870 MPa,σs=660 MPa;托輪由外徑長(zhǎng) 920 mm ×寬440 mm的 40CrN iMoⅡ鋼鍛件制成,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,表面硬度 HB=258～275。該干燥機(jī)旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量約160 t,物料載荷約 40 t,共約 200多 t的質(zhì)量由四只托輪承載。

1.2 故障發(fā)生情況

在該干燥機(jī)投入運(yùn)行不到兩個(gè)月,發(fā)現(xiàn)干燥機(jī)進(jìn)料端 (前)滾圈圓周外表面一側(cè)產(chǎn)生 3塊約蠶豆大小的表面剝落損壞,在隨后的一個(gè)多月中,滾圈表面剝落現(xiàn)象不斷發(fā)展,其面積越來越大,剝落坑的深度也越來越深,到最后在沿滾圈寬度約 1/4、長(zhǎng)度約1.2 m的范圍內(nèi)均布滿了大大小小的剝蝕坑,其中有的坑深度達(dá) 4～6 mm,如圖 2所示。

圖2 滾圈表面損壞情況

2 故障原因分析

2.1 滾圈表面剝落的組織形態(tài)分析

2.1.1 掉塊的形貌

將干燥機(jī)滾圈表面剝落掉塊進(jìn)行分析,斷口表面有龜狀和碟狀兩種形態(tài) (見圖3)。

圖3 干燥機(jī)滾圈表面掉塊斷口表面形貌

從圖 3龜狀掉塊可以看出斷口裂紋從龜頭部起源,龜狀掉塊斷口表面留有清晰的貝殼線,掉塊面積較大,呈漫圓狀,蝶狀掉塊斷口表面也有貝殼線印跡,但沒有龜狀掉塊明顯,掉塊外觀呈山峰形。

2.1.2 化學(xué)成分分析

筆者對(duì)滾圈掉塊的材質(zhì)進(jìn)行了分析 (見表 1),結(jié)果表明,干燥機(jī)滾圈材質(zhì)化學(xué)成分符合 42C rMo鋼的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分。

2.1.3 硬度分析

干燥機(jī)滾圈要求調(diào)質(zhì)的硬度為 HB268～282,現(xiàn)場(chǎng)滾圈的硬度檢測(cè)值分別為 HB270、275、280、273、282、280、285、279、278、283、280、275,從這些硬度測(cè)試值可以看出最大硬度差△HB=15,由此可以認(rèn)為滾圈的硬度值基本符合其技術(shù)條件范圍。

表1 干燥機(jī)滾圈材質(zhì)的化學(xué)成分分析

2.1.4 掉塊裂紋分析

2.1.4.1 金相分析

通過對(duì)掉塊剖面研磨、拋光,用 4%硝酸酒精溶液腐刻,觀察其裂紋走向和顯微組織。龜狀金相樣品裂紋走向?yàn)?U字形,就是由小角度擴(kuò)展 (大約20°)、大角度擴(kuò)張 (大約 45°)、水平擴(kuò)張和最后折返表面的快速擴(kuò)張四階段組成;碟狀金相樣品裂紋走向?yàn)?V字形,由小角度擴(kuò)張 (大約 20°)、大角度擴(kuò)張(大約 50°)和折返表面的快速擴(kuò)張三個(gè)階段組成。

根據(jù)以上裂紋走向參考相關(guān)文獻(xiàn)記載,球面點(diǎn)接觸試樣在邊界潤(rùn)滑條件下,在有和無表面滑動(dòng)磨擦兩種狀態(tài)下,滾道附近接觸疲勞裂紋萌生和擴(kuò)張行為,其結(jié)果是在表面磨擦力和邊界潤(rùn)滑條件下,接觸疲勞裂紋的典型擴(kuò)張由小角度擴(kuò)展、大角度擴(kuò)張、水平擴(kuò)張和最后折返表面的快速擴(kuò)張四階段組成,整個(gè)擴(kuò)張路徑呈U字形;在無表面滑動(dòng)的邊界潤(rùn)滑條件下,典型的接觸疲勞破壞由小角度擴(kuò)張、大角度擴(kuò)張和折返表面的快速擴(kuò)張三個(gè)階段組成,整個(gè)擴(kuò)張路徑呈V字形。

2.1.4.2 掃描電鏡分析

利用掃描電鏡對(duì)干燥機(jī)滾圈掉塊斷口表面進(jìn)行形貌觀察和元素成分能譜分析,分別對(duì)斷口表面裂紋的小角度擴(kuò)展區(qū)、裂紋的擴(kuò)展區(qū)、裂紋的折返擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)斷口表面存在明顯的疲勞條紋,并且裂紋在交變接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下被磨得很光滑,并有密集的二次裂紋存在,能譜分析未見斷口表面有腐蝕性元素存在。

2.2 干燥機(jī)滾圈的受力情況分析

PTA裝置干燥機(jī)是采用雙支點(diǎn)支承的大型回轉(zhuǎn)圓筒設(shè)備,筒體上固定有滾圈和大齒輪,下部有托輪起支承作用,筒體自重和物料質(zhì)量很大。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由傳動(dòng)部分驅(qū)動(dòng)筒體回轉(zhuǎn),其質(zhì)量是通過兩個(gè)滾圈傳遞給四個(gè)托輪,滾圈和托輪之間靠接觸磨擦轉(zhuǎn)動(dòng),由于滾圈和托輪的接觸為線接觸 (實(shí)際應(yīng)該是一窄矩形面接觸,但這里簡(jiǎn)化為線接觸),致使?jié)L圈和托輪要承受很大的接觸應(yīng)力。滾圈、托輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)的接觸寬度應(yīng)不小于托輪寬度的 2/3,但如果是由于安裝誤差,使?jié)L圈與托輪軸線的平行度變差,滾圈與托輪的接觸面就會(huì)出現(xiàn)張角,使?jié)L圈、托輪由均勻接觸變?yōu)榫植拷佑|,從而產(chǎn)生嚴(yán)重的局部應(yīng)力集中。

干燥機(jī)滾圈和托輪的受力情況可參照以下公式進(jìn)行分析。

按照理論推導(dǎo),滾圈與托輪的線接觸應(yīng)力公式為:

式中:δj:線接觸應(yīng)力,MPa;

P:單個(gè)托輪支承的質(zhì)量,N;

E:托輪彈性模量,Pa;

L:托輪和滾圈線接觸長(zhǎng)度,m;

R1、R2:分別為托輪、滾圈的外圓半徑,m。

2.2.1 滾圈與托輪的設(shè)計(jì)接觸應(yīng)力:

干燥機(jī)筒體旋轉(zhuǎn)組件的總質(zhì)量為:W=180 t(含筒體、保溫、凝液、物料等的質(zhì)量),由 4個(gè)大托輪支承,每個(gè)托輪的受力為:

托輪彈性模量 E=2×1011Pa,

托輪和滾圈線接觸長(zhǎng)度L=0.42 m,

托輪半徑 R1=0.46 m,

滾圈半徑 R2=1.775 m。

將以上數(shù)據(jù)代入接觸應(yīng)力公式可得:

2.2.2 滾圈與托輪軸線不平行,接觸面出現(xiàn)張角后的應(yīng)力值

當(dāng)滾圈與托輪軸線不平行,滾圈與托輪的實(shí)際線接觸長(zhǎng)度會(huì)減少,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)前滾圈與托輪接觸的壓痕分析,前滾圈表面約有 1 m多長(zhǎng)的圓周與托輪接觸不是很好,其中大部分面積上線接觸長(zhǎng)度還不到托輪寬度的 1/4長(zhǎng)。為此,筆者進(jìn)行了計(jì)算:

當(dāng) L′=1/4L=0.25×0.42=0.105 m時(shí),其它條件不變,將以上數(shù)據(jù)代入公式得:

此時(shí),接觸應(yīng)力δ′j(688 MPa)就已經(jīng)大于滾圈的屈服極限σs(660 MPa)。

由計(jì)算結(jié)果看,當(dāng)滾圈與托輪軸線不平行,接觸面出現(xiàn)張角后,兩者受到的接觸應(yīng)力值要比軸線平行時(shí)的應(yīng)力值大得多。這就是說接觸應(yīng)力值的大小與滾圈與托輪軸線間的不平行角度的大小成正比,角度越大,接觸應(yīng)力就越大。

2.3 結(jié)論

由于滾圈與托輪的接觸面出現(xiàn)張角后,滾圈與托輪之間的接觸就由線接觸變?yōu)辄c(diǎn)接觸,當(dāng)滾圈表面接觸應(yīng)力高于接觸疲勞極限時(shí),在滾圈表層會(huì)產(chǎn)生若干小裂紋。裂紋一旦形成,潤(rùn)滑油會(huì)成為一種很好的滲透劑,充滿任何細(xì)小裂紋,起油楔作用。對(duì)于唇部趨近載荷的裂紋,通過載荷區(qū)時(shí)唇部封閉,油不能排出,在裂紋內(nèi)部產(chǎn)生很高的油壓,這種油壓反復(fù)出現(xiàn),成為疲勞裂紋擴(kuò)展的推動(dòng)力,最后導(dǎo)致裂紋貫穿表面,引起微粒脫落,逐漸形成麻坑。麻坑處表面不連續(xù),產(chǎn)生應(yīng)力集中,材料繼續(xù)脫落,其寬度和長(zhǎng)度不斷擴(kuò)大,形成 U、V形凹坑。表面出現(xiàn)小凹坑后,由于材料的脆性,凹坑邊緣不易被輾平,繼續(xù)碎裂成大的凹坑。另一方面在接觸應(yīng)力作用下,表面局部突出的部位被壓平,形成小范圍內(nèi)金屬折疊,疲勞裂紋被埋沒,尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中,裂紋擴(kuò)展延伸,也引起了表層局部剝落,導(dǎo)致產(chǎn)生表面麻坑和斑痕,最終的結(jié)果是造成滾圈表面破碎脫落而失效。

歸納上述分析,干燥機(jī)滾圈表面損壞的原因?yàn)榻佑|疲勞失效,而產(chǎn)生的根源是由于滾圈與托輪軸線不平行,接觸面出現(xiàn)張角后,造成局部應(yīng)力集中所致。

3 處理措施

3.1 找出實(shí)際偏差,測(cè)量滾圈與托輪接觸面間隙

3.1.1 做標(biāo)識(shí)

在大滾圈側(cè)面,采用記號(hào)筆做標(biāo)識(shí),將滾圈等分標(biāo)記。由于干燥機(jī)滾圈半徑為 1 775 mm,則滾圈的外圓周長(zhǎng)約 11 153 mm。筆者在滾圈外側(cè)每隔 300 mm做一個(gè)標(biāo)記,這樣沿大滾圈一圈約 37個(gè),也即共選擇了 37個(gè)測(cè)量點(diǎn),如圖 4所示。

3.1.2 使用吊車進(jìn)行盤車

在干燥機(jī)尾部,通過出料端機(jī)身上的 3個(gè)閥門(每 120°1個(gè)),用拖拽的方法,將整個(gè)干燥機(jī)筒體盤動(dòng)起來,盤車方向與干燥機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)方向一致。

3.1.3 測(cè)量

對(duì) 37個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,由于滾圈較寬,筆者在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的兩側(cè)各測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù),這樣一共有 37組,74個(gè)數(shù)據(jù)。為減少測(cè)量誤差,重復(fù)對(duì) 37個(gè)測(cè)量點(diǎn)再次測(cè)量,使數(shù)據(jù)量達(dá)到 148個(gè)。

圖4 大滾圈測(cè)量點(diǎn)分布

3.2 計(jì)算與分析測(cè)量結(jié)果

3.2.1 計(jì)算

首先對(duì) 148個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,形成 37個(gè)平均數(shù),根據(jù) 37個(gè)數(shù)據(jù)的分布情況,選擇幾組最有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合取值。計(jì)算測(cè)量間隙與托輪水平移動(dòng)量的幾何關(guān)系,如圖 5所示 (也即圖中 S和S1的函數(shù)關(guān)系)。

圖5 托輪位置調(diào)整剖面示意

3.2.2 根據(jù)計(jì)算結(jié)果,選擇托輪水平調(diào)整移動(dòng)量

用專門設(shè)計(jì)的托架將干燥機(jī)支撐、固定,而后用多組千斤頂將干燥機(jī)慢慢頂起。使用劃針將調(diào)整前的托輪座位置全方位標(biāo)記好。按照前面計(jì)算選擇的結(jié)果,通過專用工裝將托輪座水平位置進(jìn)行調(diào)整。見圖 6所示。

3.2.3 調(diào)整托輪的軸向傾斜度

由于干燥機(jī)沿軸線方向是有 2%的傾斜度的,因此,為了保證水平位置調(diào)整后的托輪表面能與滾圈表面完全貼合,還必須對(duì)托輪軸線的傾斜度進(jìn)行復(fù)核。調(diào)整傾斜度用專門設(shè)計(jì)的螺母頂絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行,微調(diào)時(shí)采用加墊銅皮的辦法。見圖 7所示。

4 結(jié) 語

在干燥機(jī)重新投用運(yùn)行后,筆者對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行了近半年的密切跟蹤,發(fā)現(xiàn)干燥機(jī)滾圈表面剝落的情況再也沒有進(jìn)一步的發(fā)展,托輪與滾圈的接觸磨痕也比較均勻、光滑,說明調(diào)整成功,進(jìn)一步驗(yàn)證了筆者之前的一系列分析計(jì)算結(jié)果,同時(shí)為今后國(guó)內(nèi)相似案例提供了一個(gè)典范和參考。

圖6 托輪位置調(diào)整平面示意

圖7 托輪軸線方向傾斜度的測(cè)量與調(diào)整

1 沙江波.接觸疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)張行為的研究[J].金屬學(xué)報(bào),1995,31(9):422～429

2 何邦宏,高海英.回轉(zhuǎn)滾筒式干燥機(jī)支承結(jié)構(gòu)的磨損分析與改進(jìn)方案[J].化工機(jī)械,2008,35(3):168～170

Analyse and treatment to the roller damage of PTA refined dryer

Liu Jie
(ThePTAproduction center of Sinopec Yingzheng chem ical Fibre,Yizheng Jiangsu211900,China)

The thesis introduce the serious damage of the PTA refined dryer caused by peeling off at the outer surface of frontwhole roller around circumference after running two months,through the use of macroscopic examination,chemical composition analyse,surface hardness test,mechanical strength test and calculation to find the cause of roller surface peeling,and the root causeswere removed to avoid further damage to the roller.

dryer;roller;peeling;stress;crack;trea tment

TQ320.52

B

1006-334X(2010)02-0056-05

2010-04-28

劉潔 (1982-),女,寧夏中衛(wèi)人,助理工程師,主要從事機(jī)械結(jié)算管理工作。