張慶祥
(中國石油化工股份有限公司巴陵分公司,湖南 岳陽 414007)
GT032TIG2型離心式壓縮機轉(zhuǎn)子部件大都依靠進口,如設(shè)備出現(xiàn)故障,需要國外的公司來修理,而且設(shè)備的維修和維護費用全部由購買方提供。另外,相關(guān)配件也需要從國外的制造商處進口,不僅成本較高,維護周期長后,有時會造成停工,嚴(yán)重影響整個生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行,造成的經(jīng)濟損失無法估量的。因此,國內(nèi)自主生產(chǎn)研究離心式壓縮機的轉(zhuǎn)子是一種必然趨勢,不但能滿足生產(chǎn)需要,還可以從中學(xué)習(xí)生產(chǎn)工藝和技術(shù)經(jīng)驗,不僅節(jié)省成本,縮短核心設(shè)備檢修周期,并在技術(shù)升級起到了積極的作用,具有十分重要的研究價值和實用意義。
對于GT032TIG2型離心式壓縮機轉(zhuǎn)子而言,影響生產(chǎn)可行性的因素有葉輪軸向力、齒輪工作強度,但其關(guān)鍵在于弄清楚進口轉(zhuǎn)子的材料。文章在研究轉(zhuǎn)子化學(xué)成分的基礎(chǔ)上,確定轉(zhuǎn)子材料,并對該材料下葉輪軸向力和齒輪工作強度進行驗算,并提出相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)計方案,生產(chǎn)出來的壓縮機轉(zhuǎn)子就能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。
壓縮機轉(zhuǎn)子部件主要起到對渦輪傳遞動力的作用,故稱作壓縮機轉(zhuǎn)子軸。為了實現(xiàn)該壓縮機轉(zhuǎn)子部件的國產(chǎn)化,首先弄清楚進口壓縮機轉(zhuǎn)子的材料。為此,選取長時間工作后,出現(xiàn)裂紋的一段轉(zhuǎn)子材料進行分析。
從裂紋處,以轉(zhuǎn)子軸中心線呈45°,發(fā)現(xiàn)裂紋有如下特征:①終斷區(qū)呈現(xiàn)白亮金屬顏色,斷口其余部分顏色呈銀灰色;②微觀觀察時,裂紋源區(qū)比較平坦且存在大量黑色區(qū)域,可能為源區(qū)的夾雜物引起或零件在使用過程中腐蝕造成的孔洞。
對源區(qū)材料進行化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)含有較高的碳、氧,有鋁、鉀存在。去除斷裂轉(zhuǎn)子軸表面涂層,取樣進行化學(xué)成分分析,可以判斷材料為31CrM0V9。斷裂轉(zhuǎn)子結(jié)果分析
(1)轉(zhuǎn)子軸在工作過程中主要承受扭力,從轉(zhuǎn)子軸裂紋宏觀特征看,裂紋是在正應(yīng)力作用下擴展的。從打開后的斷口看,斷口無明顯塑性變形,斷口存在明顯的貝紋花樣,說明轉(zhuǎn)子軸是疲勞開裂。在貝紋區(qū)中心部位有黑褐色氧化物存在,可推測該處是經(jīng)過高溫氧化產(chǎn)生的,可能在淬火前己經(jīng)存在,即在轉(zhuǎn)子軸安裝使用前已存在缺陷。因此,從宏觀分析可以得出,轉(zhuǎn)子軸是由于使用前存在表面缺陷而引起的疲勞開裂。
(2)對裂紋源區(qū)的微觀形貌觀察及微區(qū)成分分析表明,裂紋源區(qū)存在大量氧化物和含有K,Al的夾雜物。擴展區(qū)的形貌表明,開裂的金屬表面已受到腐蝕,可能與服役環(huán)境條件有關(guān)。
(3)對轉(zhuǎn)子軸進行的化學(xué)成分分析表明,制造材料為31CrM0V9,為中碳合金鋼,符合軸類零件的選材要求。
(4)零件心部硬度為29HRC,硬度略低,但仍符合軸類零件28~45HRC的要求。零件表面采用噴涂處理。
在此選用31CrM0V9作為轉(zhuǎn)子制造材料,進行軸向力校核。離心壓縮機葉輪做功使氣體獲得能量,氣體壓力升高。這樣葉輪產(chǎn)生一個軸向力,氣流軸向力主要由兩部分組成,一是葉輪兩側(cè)的氣體壓力不等,另一部分由氣體動力產(chǎn)生。
(1)氣體壓力不等所引起的軸向力,所受軸向力為:
31CrM0V9所能承受的壓力極限為5×106N。顯然,當(dāng)轉(zhuǎn)子材料選擇31CrM0V9時,是滿足上述軸向力要求,不會發(fā)生明顯變形情況。
根據(jù)GB/T3840-1997,對齒輪齒輪齒面接觸強度、齒根彎曲強度進行校核,若轉(zhuǎn)子制造材料為31CrM0V9,齒根應(yīng)力為160.6206N/mm2,接觸應(yīng)力為 524.326N/mm2,因此,接觸強度計算安全系數(shù)為2.00,彎曲強度計算安全系數(shù)為4.33。轉(zhuǎn)子制造材料選擇為31CrM0V9中碳合金鋼,是合適的。
在確定了轉(zhuǎn)子制造材料,確保該材料滿足轉(zhuǎn)子工作條件,即滿足軸向應(yīng)力要求和齒輪強度要求的基礎(chǔ)上,改造按照以下技術(shù)方案進行:
首先,提供必要圖紙。對進口原裝壓縮機轉(zhuǎn)子進行高、低速動平衡試驗,檢查進口轉(zhuǎn)子組件的狀況,并做好詳細記錄。收集原裝轉(zhuǎn)子各零件的材質(zhì)、機械性能等各項技術(shù)指標(biāo),進行力學(xué)分析和腐蝕性分析,對比篩選替代材料,進行論證和決策。
然后,按測繪圖編制GT032TIG2型壓縮機轉(zhuǎn)子試制工序,備料,試制加工和熱處理。
其次,將加工好的GT032TIG2型壓縮機轉(zhuǎn)子進行高速動平衡試驗和超轉(zhuǎn)試驗,進行最后檢查、驗收,并油封。
最后,利用裝置大檢修的機會將國產(chǎn)化轉(zhuǎn)子安裝投用,機組通過空載運行,半負(fù)荷運行,滿負(fù)荷48h運行,機組排氣量、壓力、轉(zhuǎn)子振動值和軸承溫度等關(guān)鍵運行技術(shù)指標(biāo)符合原機設(shè)計值。
通過與國內(nèi)航空發(fā)動機企業(yè)的合作,利用裝置大檢修的機會我們將國產(chǎn)化轉(zhuǎn)子安裝投用,機組通過空載運行,半負(fù)荷運行,滿負(fù)荷48h運行,機組排氣量、壓力、轉(zhuǎn)子振動值和軸承溫度等關(guān)鍵運行技術(shù)指標(biāo)符合原機設(shè)計值。
GT032TIG2型循環(huán)氣體壓縮機檢修后,機組通過空載運行,半負(fù)荷運行,滿負(fù)荷48h運行,以及半年運行考核,機組排氣量、壓力、轉(zhuǎn)子振動值和軸承溫度等關(guān)鍵運行技術(shù)指標(biāo)符合原機設(shè)計值,該機組國產(chǎn)轉(zhuǎn)子性能基本和原裝轉(zhuǎn)子相當(dāng),能夠完全替代進口備件,說明本次轉(zhuǎn)子國產(chǎn)化改造非常成功。
經(jīng)過積極地準(zhǔn)備,按照計劃逐步的推進,GT032TIG2型離心式壓縮機轉(zhuǎn)子國產(chǎn)化的探索很順利,不僅學(xué)習(xí)了國外最新技術(shù),還通過使用最新的國產(chǎn)材料、測量側(cè)邊、加工設(shè)備以及檢測設(shè)備,GT032TIG2型離心式壓縮機轉(zhuǎn)子國產(chǎn)化的改造成本不到原有的一半,具有相當(dāng)高的經(jīng)濟成本。國產(chǎn)的壓縮機轉(zhuǎn)子投入使用實際運行的測試結(jié)果表明,國產(chǎn)的壓縮機轉(zhuǎn)子性能完全滿足機組安全運行的需要。通過探索GT032TIG2型離心式壓縮機轉(zhuǎn)子國產(chǎn)化改造,提高設(shè)備管理的積極性,為進口單位備件管理提供有效的輔助手段和有效的管理辦法,以確保機器運行穩(wěn)定,提高機器的利用率,探索GT032TIG2型離心式壓縮機轉(zhuǎn)子國產(chǎn)化改造的方法對其它的進口設(shè)備技術(shù)改進具有借鑒意義。