螺桿壓縮機(jī)陽轉(zhuǎn)子軸斷裂及預(yù)防措施

陶 濤

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司，山東 東營 257000)

火炬氣來源于煉油廠的各煉油及輔助裝置，間斷排放，所含腐蝕性成分和固體雜質(zhì)多，致使壓縮機(jī)故障率較高。該廠放火炬氣壓縮機(jī)采用LG-30/8 型濕式水冷雙螺桿壓縮機(jī)，使用過程中曾發(fā)生陽轉(zhuǎn)子軸斷裂，螺桿壓縮機(jī)型號為LG-30/8，濕式雙螺桿壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)子為整體鍛件采用SRM 型線，直徑為255 mm，長徑比為1.65，材質(zhì)為2Cr13，殼體材質(zhì)為HT250(內(nèi)部涂防腐層)。參數(shù)如下:進(jìn)氣壓力0.002 MPa，進(jìn)氣溫度40 ℃，排氣壓力0.8 MPa，出口溫度 不超過80 ℃，容積流量30 Nm3/min，轉(zhuǎn)速2 970 r/min。

原設(shè)計為噴柴油冷卻，后改為噴水冷卻。該壓縮機(jī)輸送介質(zhì)為煉油廠放火炬的燃料氣，由氣柜輸送至高壓管網(wǎng)。主要成分:氫氣、氮氣、烷烴、烯烴、一氧化碳、二氧化碳和硫化氫等，硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)有時高達(dá)10%。

1 軸斷裂情況與腐蝕形貌觀察

壓縮機(jī)端面密封泄漏，振動及聲音增大，停機(jī)解體檢查發(fā)現(xiàn)陽轉(zhuǎn)子動力輸入端軸與梳齒密封磨損嚴(yán)重，軸的表面存在宏觀裂紋。采取軸的磨損部位機(jī)加工后鑲套的方法修復(fù)，組裝后檢查轉(zhuǎn)子嚙合間隙，軸承軸向游隙等均正常。投用后壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)正常，無泄漏。連續(xù)運行約175 d，壓縮機(jī)陽轉(zhuǎn)子突然斷裂，位置位于陽轉(zhuǎn)子動力輸入端軸鑲套部位的根部，斷面呈蝶形，凹向鑲套。由于主動軸斷裂后，電機(jī)持續(xù)運行了一段時間，斷口受到嚴(yán)重磨損，通過端口分析來尋找斷裂源比較困難。但在端口的周邊上殘留有深約2.5 mm、長約50 mm 的月狀裂痕，內(nèi)與深度約2 mm 的凹坑聯(lián)接，坑內(nèi)表面凹凸不平，并存有少量腐蝕產(chǎn)物。宏觀觀察，整個轉(zhuǎn)子表面光亮，無任何一般腐蝕的痕跡(見圖1)。因此可以斷定，月牙狀裂痕為原始裂紋，是造成陽轉(zhuǎn)子軸發(fā)生腐蝕疲勞斷裂的根源之一［1］。

2 腐蝕產(chǎn)物分析

為找出斷裂發(fā)生的原因，從殘留的斷口凹坑處截取微小式樣，采用定點測量方式對凹坑表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行多點能譜(EXD)分析，分析結(jié)果見表1。

由表1 可見:在式樣凹坑表面產(chǎn)物中，除材料的合金元素外，主要含有氧(質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)34.44%，最低為19.87%)、硫(質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)7.46%，最低為4.17%)等元素，說明腐蝕產(chǎn)物中主要成分是氧、硫與金屬的化合物，因而存在濕硫化氫應(yīng)力腐蝕的可能性。此外還含有少量的鈉、鎂、鈣、鋁、鉀等元素，可能主要來自于壓縮氣體中夾帶的少量無機(jī)鹽類和催化劑粉末等。

圖1 螺桿壓縮機(jī)陽轉(zhuǎn)子軸斷裂Fig.1 Rupture picture of the male rotor in one screw compressor

表1 腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行多點能譜(EDX)分析的結(jié)果Table 1 Multipoint spectrum(EDX)analysis result of connosion product w，%

為進(jìn)一步了解凹坑表面的腐蝕情況，用掃描電鏡(SME)觀察凹坑表面，高倍觀察可以看到:腐蝕產(chǎn)物組織疏松(主要是硫化亞鐵FeS)，有些地方有空洞，并且腐蝕凹坑底部有明顯的龜裂現(xiàn)象。

作為對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子材質(zhì)的驗證，對轉(zhuǎn)子基體材料的化學(xué)成分進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見表2。

表2 轉(zhuǎn)子基體材料的化學(xué)成分分析結(jié)果Table 2 Chemical analysis result of the matrix material of the rotor w，%

表3 2Cr13 鍛件標(biāo)準(zhǔn)(GB1220)Table 3 2Cr13 Forgings Standard(GB1220)w，%

由表2、表3 可見，轉(zhuǎn)子基體中Cr 的含量基本符合2Cr13 的成分范圍。

3 轉(zhuǎn)子軸斷裂的影響因素分析

根據(jù)以上分析和端口形貌，可以認(rèn)為螺桿壓縮機(jī)陽轉(zhuǎn)子軸的斷裂始于原始裂紋，在濕硫化氫環(huán)境下發(fā)生的腐蝕疲勞破壞，并存在有應(yīng)力腐蝕開裂傾向。

3.1 磨損的影響

陽轉(zhuǎn)子軸的斷裂處位于梳齒密封與軸的磨損部位。梳齒密封與軸的磨損產(chǎn)生局部高溫，該螺桿壓縮機(jī)為噴水冷卻，高溫部位受到激冷，由于局部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力以及因不同時發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變所形成的組織應(yīng)力，故2Cr13 材料易產(chǎn)生裂紋。

3.2 應(yīng)力集中的影響

斷裂處位于陽轉(zhuǎn)子與軸的變徑處，截面變化大，退刀槽底部幾乎無過度圓角，應(yīng)力集中傾向很大，由于截面變化大和冷卻(或傳熱)不均勻，更易形成較大的溫差熱應(yīng)力。而且壓縮機(jī)運行過程中，上述狀況是不斷變化的，因此形成了交變應(yīng)力狀態(tài)，很可能達(dá)到疲勞破壞的條件，產(chǎn)生疲勞裂紋。

3.3 介質(zhì)腐蝕的影響

火炬氣由煉油廠各裝置放出，成分復(fù)雜，有時硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)10%。為節(jié)約新鮮水，壓縮機(jī)出口分液罐中的水注入壓縮機(jī)循環(huán)使用(少量補(bǔ)充新鮮水)，水質(zhì)很差(由操作人員目測)時才大量置換，噴入壓縮機(jī)的水中會含有含量較高的H2S 和Cl-等。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子處于化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕的環(huán)境，而且軸的斷裂處受到各種應(yīng)力作用，因此能達(dá)到應(yīng)力腐蝕條件，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

3.4 交變應(yīng)力的影響

在承受彎矩旋轉(zhuǎn)彎曲的情況下，轉(zhuǎn)軸上的各個截面將受正弦規(guī)律連續(xù)交替作用的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，周邊上的各點的應(yīng)力幅度最大。所以，一旦轉(zhuǎn)軸上出現(xiàn)疲勞源，疲勞源兩側(cè)會交替出現(xiàn)比內(nèi)部應(yīng)力大的拉應(yīng)力，疲勞裂紋在兩側(cè)的擴(kuò)展速度比向中心部位快。另外，由于旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于彎曲載荷的作用面逆旋轉(zhuǎn)方向而動，致使疲勞裂紋的前沿順著載荷移動方向擴(kuò)展的速度快，所以旋轉(zhuǎn)疲勞斷口的瞬斷區(qū)不在疲勞源的正對面，而是旋轉(zhuǎn)一個角度，通?？蛇_(dá)15°。疲勞源有些情況是多點。圖2 為另一臺螺桿壓縮機(jī)陽轉(zhuǎn)子軸斷裂的情況。

圖2 另一臺螺桿壓縮機(jī)陽轉(zhuǎn)子軸斷裂Fig.2 Rupture picture of the male rotor in another screw compressor

3.5 馬氏體不銹鋼耐蝕性影響

馬氏體不銹鋼因其對鈍化膜破壞的自修復(fù)能力不足，在各類潮濕大氣和濕硫化氫介質(zhì)中，均能發(fā)生點蝕和應(yīng)力腐蝕。如1Cr13 鋼U 型式樣(熱處理制度:982 ℃，15 min 空冷至371 ℃回火，空冷;屈服強(qiáng)度1 000 MPa)，在實驗介質(zhì)3%Na +H2S 溶液中，當(dāng)載荷應(yīng)力為750 MPa 時，斷裂時間僅需2 h。馬氏體不銹鋼隨含C 量的提高，鋼的強(qiáng)度、硬度提高但耐蝕性下降，耐硫化氫應(yīng)力腐蝕敏感性提高。

3.6 熱處理的影響

由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子為整體鍛件，而斷裂處正處于螺桿與軸的變截面處，此處是熱處理的薄弱處。由于截面變化大，加工余量的預(yù)留量，淬火與回火參數(shù)的確定及控制等因素，該處組織的均勻及性能可能不穩(wěn)定。新轉(zhuǎn)子亦有在該處發(fā)生斷裂的實例。

4 防止轉(zhuǎn)子斷裂的措施

4.1 改進(jìn)制造工藝或改變材質(zhì)

采用2Cr13 整體鍛件轉(zhuǎn)子，要采用更合理的鍛制工藝，適當(dāng)加大鍛造比，粗加工后留合適的加工余量進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，制定調(diào)質(zhì)工藝時，要著重保證變截面處軸的組織和性能穩(wěn)定。

用35CrMo 整體鍛件轉(zhuǎn)子，軸的強(qiáng)度提高，承載能力提高，實際運行中未出現(xiàn)陽轉(zhuǎn)子軸的斷裂，但35CrMo 整體鍛件轉(zhuǎn)子螺桿外表面及密封線的耐腐蝕能力比2Cr13 整體鍛件轉(zhuǎn)子差。

為保證螺桿的耐腐性能和軸的強(qiáng)度，可采用2Cr13 螺桿鑲35CrMo 或25CrMoV 軸的方法。在修復(fù)該螺桿壓縮機(jī)斷軸的陽轉(zhuǎn)子時，采取過只鑲動力輸入端半軸和鑲整軸的兩種方法，過盈配合加鍵傳扭，運行情況比較好，可連續(xù)運行一年半以上。

4.2 降低應(yīng)力集中

陽轉(zhuǎn)子為主動軸，該截面?zhèn)鬟f了螺桿壓縮機(jī)的全部載荷，同時受到橫向彎矩的作用，受力最大。由于該截面變化大，螺桿與軸的根部過度圓角小，形成了較大的應(yīng)力集中。因此，斷裂皆發(fā)生于該截面的根部。由于該截面緊靠梳齒密封，軸向空間很小。若采用整體轉(zhuǎn)子方案，可采取向螺桿內(nèi)部加工過度圓槽的方法，亦可再在螺桿的端面加工消除應(yīng)力環(huán)槽。若采用鑲軸的方案，可在靠近螺桿斷面處加工錐孔，逐步減小過盈量，或在螺桿的端面加工消除應(yīng)力環(huán)槽。在鑲軸修復(fù)陽轉(zhuǎn)子時，在靠近螺桿斷面處加工錐孔，逐步減小過盈量降低應(yīng)力集中效果較好。

4.3 保證裝配質(zhì)量

螺桿壓縮機(jī)的裝配質(zhì)量，尤其是轉(zhuǎn)子的平行度、端面間隙、頂間隙、嚙合間隙、與殼體的同軸度、同步齒輪嚙合間隙等，對壓縮機(jī)的平穩(wěn)運行和轉(zhuǎn)子的受力影響很大。有過僅運行3 d 就發(fā)生陽轉(zhuǎn)子軸此處斷裂的情況。要避免密封梳齒與軸的摩擦，摩擦?xí)馆S產(chǎn)生裂紋或金相組織發(fā)生變化降低性能。壓縮機(jī)振動大、軸承有問題應(yīng)及時檢查修理。

4.4 控制介質(zhì)對軸的腐蝕

該壓縮機(jī)原設(shè)計為噴柴油冷卻，使用柴油循環(huán)冷卻運行時，陽轉(zhuǎn)子和陰轉(zhuǎn)子表面都結(jié)一層膠質(zhì)，需要間斷清洗，致使該螺桿壓縮機(jī)不能長期連續(xù)運行。噴柴油冷卻的成本亦太高，因此，改為水冷卻。由于放火炬氣中成分復(fù)雜，硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)有時大于10%，并含有氯離子等。冷卻水循環(huán)使用，逐步濃縮，腐蝕成分濃度逐步升高，對壓縮機(jī)產(chǎn)生腐蝕，并形成應(yīng)力腐蝕環(huán)境?？刂品呕鹁鏆獾母g性困難，現(xiàn)無有效手段。為降低冷卻水的腐蝕性，可以加強(qiáng)分析監(jiān)控，篩選添加緩蝕劑，適當(dāng)進(jìn)行置換。另有設(shè)想方案，在陽轉(zhuǎn)子的螺桿與軸的變截面處，注入清潔的新鮮水，改善該處的腐蝕環(huán)境，避免該處產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

5 結(jié)語

由于煉廠放火炬氣含有硫化氫、氯離子等腐蝕成分和固體雜質(zhì)等，螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子在化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕的環(huán)境中工作，并且承受交變動載荷的作用。螺桿壓縮機(jī)陽轉(zhuǎn)子軸的動力輸入端螺桿端面處的交變應(yīng)力較大，應(yīng)力集中傾向較大，陽轉(zhuǎn)子軸斷裂的主要原因是硫化氫應(yīng)力腐蝕和疲勞斷裂。對于2Cr13 整體轉(zhuǎn)子，可通過采取改進(jìn)熱處理工藝提高軸的材料的機(jī)械性能，減小斷裂處的應(yīng)力集中，控制冷卻水的腐蝕性等措施，防止螺桿壓縮機(jī)陽轉(zhuǎn)子軸的動力輸入端螺桿端面處發(fā)生斷裂。若采取2Cr13 螺桿與35CrMo(或25Cr2MoVA)軸組合的鑲嵌結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子，耐腐蝕和抗斷裂性能較好，可用于新制轉(zhuǎn)子和舊轉(zhuǎn)子的修復(fù)。

［1］何德芳.李力.虞和濟(jì).失效分析與故障預(yù)防〔M〕.北京:冶金工業(yè)出版社，1989:57-70.