丁二烯螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子故障分析與修復措施

莫才頌, 王崗罡, 林榮雄

（1. 廣東石油化工學院機電工程學院， 廣東 茂名 525000；2. 中國人民解放軍駐211廠軍事代表室, 北京 100076； 3. 茂名西南石化工程建設(shè)有限責任公司，廣東 茂名 525000）

丁二烯螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子故障分析與修復措施

莫才頌1, 王崗罡2, 林榮雄3

（1. 廣東石油化工學院機電工程學院， 廣東 茂名 525000；2. 中國人民解放軍駐211廠軍事代表室, 北京 100076； 3. 茂名西南石化工程建設(shè)有限責任公司，廣東 茂名 525000）

就某煉油廠丁二烯螺桿壓縮機組經(jīng)過年度檢修后運行是時出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象進行分析, 指出壓縮機運行時整個轉(zhuǎn)子進口到出口溫差較大，受熱不均勻，產(chǎn)生的熱應力也不均勻，轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲變形進而引起轉(zhuǎn)子接觸碰磨故障，提出處理方法與修磨措施對損壞轉(zhuǎn)子進行修復。

無油螺桿壓縮機；轉(zhuǎn)子碰磨；故障分析；修復

螺桿壓縮機在石油化工行業(yè)中，很多工藝氣體多使用無油螺桿壓縮機進行壓縮。在丁二烯裝置生產(chǎn)中，無油螺桿壓縮機是實現(xiàn)從常壓塔到帶壓塔進料，提供動力的兩段壓縮的關(guān)鍵性設(shè)備。其主要性能參數(shù)如表1。

裝置主要工藝氣體流程：工藝氣體由壓縮，旁路、消聲系統(tǒng)，排泄系統(tǒng)和對應的安全和控制系統(tǒng)組成。通過入口的消音器吸入氣體經(jīng)1段壓縮機壓縮后，經(jīng)過中冷器和排污分離器輸送到2段壓縮達到工藝要求，在壓縮機每級的出口管線上各裝有一臺安全閥和出口止回閥。

1 螺桿壓縮機的結(jié)構(gòu)工作原理

1.1 螺桿壓縮機的結(jié)構(gòu)

螺桿壓縮機的結(jié)構(gòu)里，兩螺桿齒面留有較小的間隙，陽螺桿通過對輪與增速箱連接，陰螺桿由陽螺桿通過同步齒輪驅(qū)動，同步齒輪保持兩螺桿的間隙，陰同步齒輪設(shè)有游隙調(diào)節(jié)齒盤，用于保持同步齒輪的嚙合側(cè)間隙。陽螺桿齒數(shù)4個，陰螺桿齒數(shù)為6個，齒型為為非對稱型。

表1 螺桿壓縮機的參數(shù)Table 1 The performance of screw compressor

1.2 螺桿壓縮機的工作原理

雙螺桿機由陰、陽轉(zhuǎn)子葉片、汽缸、進出口側(cè)板組成一個工作容積。在入口端，陰陽螺桿偏離嚙合點時，空間容積變大，氣體被吸入陰陽轉(zhuǎn)子葉片的空間，隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)，容積不斷擴大，當這兩個容積達最大時，齒間容積與吸氣口斷開，吸氣過程結(jié)束，如圖 1(a)。吸氣過程結(jié)束后，該齒槽前后端分別被前后蓋板封閉，齒槽容積不變，只是帶著氣體旋轉(zhuǎn)，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，陰陽轉(zhuǎn)子進入嚙合使陰陽轉(zhuǎn)子的齒間容積相通并容積減小，氣體被壓縮，如圖 1(b)，直至齒間容積與排氣口相通，排氣過程開始，圖1(c)，直至該容積對達到最小值，如圖1(d)。陽轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)360°，完成一個循環(huán)。

2 螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子故障分析

2.1 故障描述

機組2012年度檢修時，除正常檢查、調(diào)整了轉(zhuǎn)子上一些零件并作了動平衡，對軸系的轉(zhuǎn)子對中情況進行了調(diào)整等。

檢修后啟動機組時, 壓縮機運行正常。機組運行1周后，巡檢人員在例行檢查過程中發(fā)現(xiàn)機組出口溫度驟然升高,在12 min內(nèi)已達102 ℃, 手動緊急停機，停轉(zhuǎn)后盤車發(fā)現(xiàn)1段已經(jīng)盤車不動，拆卸一段發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子已經(jīng)抱死，解體檢修。拆檢時發(fā)現(xiàn) 1段轉(zhuǎn)子已經(jīng)發(fā)生了螺桿接觸碰磨的現(xiàn)象，因當時停車及時而使故障沒有進一步發(fā)展變成事故。

2.2 螺桿壓縮機損壞的特征

（1）螺桿損壞類似于齒輪的膠合，從螺桿齒頂部開始，沿齒面均有擠壓和片狀拉傷、剝落痕跡[1]。

（2）螺桿損壞部位主要發(fā)生在螺桿排氣端，由高壓端到吸入端逐漸減少。

（3）汽缸出口段的相應位置也損壞。

（4）機組其他部件：軸承、同步齒輪、碳環(huán)密封、機械密封均沒有損壞，檢測后可以使用。

圖1 螺桿壓縮機的工作過程Fig.1 The working process of screw compressor

（5）螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子發(fā)生了接觸碰磨，轉(zhuǎn)子的材料是13Cr, 抗膠合的能力非常弱。當兩螺桿齒面接觸瞬間產(chǎn)生高溫，使相嚙合的齒面的金屬融化，發(fā)生粘焊現(xiàn)象，兩齒面相對滑動，粘焊處即被撕脫，在齒面上就形成沿相對滑動方向的劃痕。從螺桿齒面損壞由出口端到入口端逐漸減小直至沒有，說明螺桿發(fā)生接觸時以高壓端為主，越往低壓端，螺桿接觸的可能性越小[2]。汽缸發(fā)生損壞但情況相對來說較為輕微，部位只是集中在轉(zhuǎn)子發(fā)生膠合的對應位置，其他部位沒有接觸。螺桿壓縮機損壞的轉(zhuǎn)子如圖2。

2.3 轉(zhuǎn)子碰磨故障原因分析

2.3.1 安裝精度不符合要求造成轉(zhuǎn)子的碰磨

圖2 損壞的螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子Fig.2 The damaged rotor of screw compressor

在螺桿壓縮機中，轉(zhuǎn)子嚙合間隙是重要指標，因嚙合間隙兩側(cè)的壓差較大，氣體隨這通道泄露，占據(jù)了壓縮機泄露損失的很大部分。無油螺桿機工作時陰陽轉(zhuǎn)子是不接觸的，在不影響安全運轉(zhuǎn)的前提下，嚙合間隙設(shè)計越小效率越高。當各種原因使陰陽轉(zhuǎn)子發(fā)生接觸碰磨時，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生膠合甚至抱死的故障，因此，轉(zhuǎn)子的嚙合間隙調(diào)整精度直接影響到螺桿機的安全運轉(zhuǎn)。在陰，陽螺桿齒面上，如圖3是陰陽轉(zhuǎn)子嚙合間隙變化的過程，當陰陽轉(zhuǎn)子處于嚙合狀態(tài)時，螺桿齒面上沿接觸線的齒間間隙a和b最小，其比值要求a：b = 0.8～1.2。

圖3 陰陽轉(zhuǎn)子最小嚙合間隙測量位置示意圖Fig.3 The minimum mesh clearance measuring position of positive and negative rotors

（1）在實際運轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子在受熱膨脹、受力變形等原因會導致齒間間隙進一步減少，因此，安裝的精度顯得非常重要，表2是該機組1段轉(zhuǎn)子嚙合間隙的安裝數(shù)據(jù)。

表中可以看出，轉(zhuǎn)子的間隙符合要求。

（2）螺桿壓縮機損壞的部位主要集中在轉(zhuǎn)子上，拆檢徑向及止推軸承均未發(fā)現(xiàn)異常，軸承間隙、同步齒輪也符合技術(shù)要求。

從上兩點可以判斷，安裝精度不符合要求不是造成轉(zhuǎn)子接觸碰磨故障的主要原因。

表2 轉(zhuǎn)子嚙合間隙Table 2 The mesh clearance of rotors

2.3.2 出口溫升速度過快造成轉(zhuǎn)子接觸碰磨

從損壞的部位和現(xiàn)象來看，轉(zhuǎn)子的損壞是由于熱不均勻造成的。當排氣壓力、溫度上升，轉(zhuǎn)子受熱膨脹，汽缸、軸承座有冷卻系統(tǒng)冷卻而膨脹量相對較小，因而使轉(zhuǎn)子的最小間隙a和b會減小，這些間隙的減小屬于正常的范圍，是不可避免的。但是當出口溫升速度過快時，整個轉(zhuǎn)子進口到出口溫差較大，受熱不均勻，產(chǎn)生的熱應力也不均勻，轉(zhuǎn)子因而發(fā)生彎曲變形，當一對嚙合的轉(zhuǎn)子彎曲變形達到一定程度時，首先在轉(zhuǎn)子間的最小間隙a和b處發(fā)生接觸碰撞，轉(zhuǎn)子接觸碰磨產(chǎn)生高溫進一步使出口溫度升高，機組振動噪音加劇，若不及時停車，轉(zhuǎn)子就會抱死[3]。

從以分析可以判斷，出口溫升速度過快、轉(zhuǎn)子齒間間隙變化是造成轉(zhuǎn)子接觸碰磨故障的主要原因。

檢修時發(fā)現(xiàn)入口過濾器完好，管線異物不會進入壓縮機造成轉(zhuǎn)子接觸碰磨。

設(shè)備進入現(xiàn)場進行了整體安裝并順利通過了機械試運轉(zhuǎn)試車,可以排除安裝不當引起轉(zhuǎn)子碰磨的因素。

3 故障處理措施

螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子的損壞主要發(fā)生在接觸線上和高壓端的齒面上，損壞齒面的熔焊物嚴重影響了轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的安全性能。因沒有現(xiàn)成的備用轉(zhuǎn)子，更換新轉(zhuǎn)子價格昂貴, 俢通過分析后決定用 磨方法修復損壞轉(zhuǎn)子,同時限制入口溫度。

3.1 轉(zhuǎn)子的修復

（1）進行轉(zhuǎn)子彎曲度校正，要求最大彎曲度不大于0.02 mm。

（2）把陰陽轉(zhuǎn)子安裝在工裝上，調(diào)整轉(zhuǎn)子兩端軸套調(diào)整螺釘使陰陽轉(zhuǎn)子出口端面處于同一平面上，盤動轉(zhuǎn)子時不發(fā)生軸向竄動[4]。

（3）齒面的處理。在陽轉(zhuǎn)子上涂紅丹，正反盤動陽轉(zhuǎn)子，使陰、陽轉(zhuǎn)子相互嚙合，對于齒面凸點、毛刺去除拋光，低點只進行拋光處理。

（4）轉(zhuǎn)子接觸線的處理。檢查接觸線的接觸情況，接觸斑點應該均勻成有一定寬度的線狀，有亮點、高點用整形銼刀進行修整，修整后用油石、砂紙拋光。

（5）用打表法測量轉(zhuǎn)子的嚙合總間隙。固定陰轉(zhuǎn)子，前后盤動陽轉(zhuǎn)子，用杠桿表檢查兩螺桿的總間隙，每轉(zhuǎn)動90°測量1次，以實際工作時轉(zhuǎn)子嚙合情況測量，如：1-1，2-2，……，4-6共 12組48個數(shù)據(jù)，此步驟主要是測出轉(zhuǎn)子總間隙的最小值，以檢查是否符合要求。

（6）用塞尺檢查每對嚙合齒的總間隙并記錄。經(jīng)測量，轉(zhuǎn)子入口端間隙與上次檢修數(shù)值基本相同，出口端經(jīng)過俢磨部位的總間隙增大了 0.02～0.04 mm。

（7）進行轉(zhuǎn)子動平衡的校正，達到G2.5的精度。

3.2 轉(zhuǎn)子齒間間隙的調(diào)整

轉(zhuǎn)子嚙合間隙的調(diào)整首先在工裝上進行。在螺桿機檢修其他步驟完成后，再對轉(zhuǎn)子進行嚙合間隙的修正。

（1）組裝同步齒輪前，測量同步齒輪輪轂鍵槽與鍵、鍵與軸鍵槽的配合都必須有0.02 mm的過盈量，齒輪輪轂與軸的配合有0.01～0.02 mm的過盈[5]。

（2）在入口端以完好的齒為標準調(diào)整其兩邊最小間隙a與b的比值，按轉(zhuǎn)子實際嚙合的情況如1-1，2-2，3-3…，4-6配對，反復調(diào)整直至符合要求。

（3）在出口端測量每對齒的嚙合間隙，因出口端部分接觸線經(jīng)過俢磨，損壞部位間隙有偏大的可能，記錄數(shù)據(jù)和做好測量部位的標記，測量的部位必須是在轉(zhuǎn)子安裝在機體后可以在壓縮機出口處進行測量。

（4）調(diào)整完成后，上緊定時齒輪、游隙齒輪的螺栓，精鉸定位銷孔，并把銷釘打進銷釘孔，并再次確認轉(zhuǎn)子間隙正確。轉(zhuǎn)子校驗完畢[6]。

（5）轉(zhuǎn)子組裝在機體的測量。在壓縮機出口用塞尺測量轉(zhuǎn)子標記部位的間隙，反復調(diào)整使其與第3點數(shù)值符合。調(diào)整完成后精鉸定位銷，最終定位轉(zhuǎn)子。

嚴格控制壓縮機入口氣體的溫度, 避免因排氣段溫度過高而加劇轉(zhuǎn)子的熱膨脹。

3.3 效果檢查

通過對轉(zhuǎn)子修復完成后試車，取得了一次開車成功，壓縮機的各項指標：振動、軸承溫度、壓縮機出口溫度、排氣壓力、流量符合要求。通過操作調(diào)節(jié)壓縮機完全能夠滿足生產(chǎn)需要，已順利運行了200多天都沒有發(fā)生故障。由于避免了引進新轉(zhuǎn)子,節(jié)約了資金。

4 結(jié)束語

通過這次檢修，對于接觸碰磨損壞不嚴重的無油螺桿機壓縮機轉(zhuǎn)子，俢磨轉(zhuǎn)子這種修復方法是可行的。對于高線速度的轉(zhuǎn)子，嚙合間隙適當?shù)脑龃髮嚎s機的效率影響不明顯。

［1］王燦.透平壓縮機轉(zhuǎn)子振動原因分析及處理[J]. 現(xiàn)代機械，2009(4)：79-81.

［2］王永超.循環(huán)氫無油螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子碰磨原因分析與對策[J]．通用機械，2006（3）：52-54

［3］張立發(fā),翟所斌．大型空分裝置離心式壓縮機振動故障分析及處理[J]．風機技術(shù)，2008（3）.

［4］譚滿紅.基于控制關(guān)鍵工序質(zhì)量的陰陽轉(zhuǎn)子修復工藝[J]. 壓縮機技術(shù),2010(4)：47-50.

［5］郭曉寧.苯乙烯螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子間隙的研究與分析[J]．壓縮機技術(shù),2010(3)：14-17.

［6］門顯鋒.螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子損壞的修復方法[J]．內(nèi)蒙古石油化工，2012（6）：62-65.

Fault Analysis and Repairing Measures of Screw Compressors Rotor for Butadiene

MO Cai-song1，WANG Gang-gang2，LIN Rong-xiong3
（1. College of Mechinery and Electronic Engineering,Guangdong University of Petrochemical Technology，Guangdong Maoming 525000，China；2. PLA Military Delegate Chamber Stationed in Factory 211, Beijing 100076, China；3. Maoming Southwest Petrochemical Engineering Construction Co.,Ltd., Guangdong Maoming 525000, China)

The abnormal phenomena of the working diene screw compressor unit in a refinery after annual maintenance was analyzed. It’s pointed out that the rub-impact fault during the compressor working was caused by the rotor bending deformation that was resulted by non-uniform thermal environment formed by big temperature difference between inlet and outlet, the processing method and grinding measures were put forward to repair the damaged rotor.

Oil free screw compressor；Rotor rub；Fault analysis；Repair

TQ 051

A

1671-0460（2014）11-2319-04

廣東高校石化過程裝備故障診斷與信息化控制工程中心重點實驗室基金項目，項目號：2011A060901023。

2014-05-06

莫才頌（1973-），男，廣東化州人，副教授，工程碩士，1997年畢業(yè)于西安工業(yè)學院機械制造工藝與設(shè)備專業(yè),獲學士學位，2005年獲華南理工大學控制工程專業(yè)工程碩士學位，研究方向為化工機械設(shè)備、機電工程等，從事化工機械設(shè)備、機電工程等教學與研究技術(shù)工作。E-mail：mcs2000@126.com。