聚合釜機架凸緣底盤螺栓斷裂的分析與改進

王國強，吳 冰，凌 析

（1.大慶石化公司建設公司，黑龍江大慶163714；2.大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶163711；3.大慶石化公司化工三廠，黑龍江大慶163714）

機械與設備

聚合釜機架凸緣底盤螺栓斷裂的分析與改進

王國強1，吳 冰2，凌 析3

（1.大慶石化公司建設公司，黑龍江大慶163714；2.大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶163711；3.大慶石化公司化工三廠，黑龍江大慶163714）

通過對聚合釜機械密封與機架凸緣底盤聯(lián)接斷裂的螺栓進行理化、應力分析，確定了其相關的安裝精度、螺栓強度、機架剛度與螺栓斷裂的關系，實施了相應的改進措施。經(jīng)過多年的實際運行，驗證了改進措施完全滿足設備運行的安全要求。

聚合釜；聯(lián)接螺栓；斷裂；應力分析

BR-101是某石化裝置改擴建新增設的聚合釜，2005年8月開始運行，2006年2月6日，發(fā)現(xiàn)BR-101聚合釜晃動嚴重，隨后機械密封泄漏檢測孔開始漏出介質（膠液）；緊急停工并檢查發(fā)現(xiàn)機械密封與凸緣底盤聯(lián)接的M16螺栓斷裂4條，其它螺栓也已經(jīng)松動，解體檢查機械密封，機封上軸承未發(fā)現(xiàn)損壞，機械密封上、下靜環(huán)面均已掉碴，下靜環(huán)面出現(xiàn)徑向貫通性損壞，動環(huán)未出現(xiàn)損壞，拆檢攪拌器底軸瓦，未出現(xiàn)偏磨和過度磨損現(xiàn)象。同時發(fā)現(xiàn)，另1臺同類設備AR-103聚合釜也存在釜體晃動的，隨后對該設備進行了檢查［1］。

1 栓斷裂的故障分析

根據(jù)設備初發(fā)的故障現(xiàn)象，初步排除了單個設備的缺陷。在共性缺陷問題上對2臺聚合釜進行具體分析，2臺聚合釜的設備技術參數(shù)見表1。

1.1 設備安裝存在的缺陷

BR-101聚合釜使用初期就存在同類缺陷，是造成這次設備損壞的初始原因。設備單機試運時，出現(xiàn)釜體劇烈晃動的現(xiàn)象。當時，對釜體進行對稱加固及反復調整、3次更換釜體墊片及機架轉位后，有所改善，但設備仍有輕微晃動。在懷疑螺帶制造因素可能引起靜平衡缺陷，導致攪拌系統(tǒng)運行不穩(wěn)定而檢查處理后，釜體晃動現(xiàn)象未能徹底排除；2臺聚合釜仍有不同程度的晃動。

表1 設備技術參數(shù)

1.2 設備運行時存在的問題

機械密封損壞是由于攪拌器及機架整體晃動造成，由于凸緣底盤螺栓松動、斷裂，造成攪拌器晃動，致使機械密封損壞泄漏，凸緣底盤螺栓松動和斷裂原因主要有3個。

（1）安裝精度的影響

減速機與攪拌器對中不好，減速機與攪拌器軸將不在同一軸線上，將使攪拌器產生偏轉的扭力，使攪拌器受到的扭轉力矩加大，由于機架采用無支點結構，扭轉力矩主要作用在機械密封和凸緣底盤螺栓上，造成螺栓剪切斷裂和松動。

（2）螺栓強度的影響

經(jīng)某檢驗技術有限公司對送檢的螺栓樣品進行光譜檢驗并確認，緊固螺栓材質為普通碳鋼，材質為Q235A[2～5]。

從斷裂螺栓斷口分析，螺栓是因為受到剪切力作用斷裂。對螺栓進行光譜分析，螺栓未檢出合金元素，為普通碳鋼螺栓。但攪拌器與減速機不同心時，機械密封底座受到的扭轉力矩將增大，螺栓受到的剪切力也將變大。

（3）機架剛度的影響

原機架為焊接形式無支點機架，機架橫截面呈簡單的雙U結構，架體無加強筋。該機架承載電機、減速機傳遞給聚合釜攪拌器的轉距。與現(xiàn)場其它釜類設備直觀比較，有剛度分析及加強的必要。

2 螺栓斷裂的解決方案

2.1 安裝精度的保證

為了保證電機、減速機、機架與攪拌器的對中、水平的安裝精度，使相關設備、部件達到良好的工作狀態(tài)，在安裝時采取了3項措施:

（1）機架上端接口與減速機連接，下端接口與釜體凸緣底盤法蘭連接。釜體凸緣底盤法蘭在安裝機械密封處的支撐平面，對機架軸心線的端面圓跳動不大于0.1 mm，水平度保證在0.2/1 000 mm以下，以確保軸封的安裝精度［6～10］。

（2）減速機輸出軸在機架中通過JQ型夾殼式聯(lián)軸器連接；應先校正至兩軸線對中，同軸度公差保證0.1 mm以下。

（3）攪拌軸安裝軸封部位徑向跳動公差保證0.6 mm以下。

設備部件調整及機械密封的安裝過程中，選派有經(jīng)驗的鉗工技師進行安裝調整，確保了設備整體的安裝精度。同時，設備整體調整安裝完成后，減速機與機架之間、機架與釜體凸緣底盤法蘭之間增設Φ10 mm定位銷定位［11～14］。

2.2 螺栓強度的校核

根據(jù)螺栓樣品分析結果，認為有必要對機械密封與釜體凸緣底盤法蘭緊固螺栓進行校核。

（1）螺栓受力分析

對凸緣底盤及螺栓進行受力分析［4］。螺栓材料按原裝Q235A鋼,許用拉應力[σ]=105 MPa；因16條螺栓以孔心距400 mm的圓周均布，每個螺栓受力相同，螺栓在機械密封及凸緣底盤的受力平衡，M=80 000 N·m,由∑M=0得：

則螺栓受剪面的剪切力：

所以凸緣底盤傳給螺栓的作用力:

式中M—螺栓扭矩，N·m；Q—螺栓的作用力，D—孔心距，m。

（2）計算螺栓直徑

式中 [τ]—剪切許用應力，MPa；[σ]—許用拉應力，MPa；τ—剪切應力，MPa；A—螺栓截面積，m2；d—螺栓直徑，cm。

螺栓承受的擠壓力Pjy=P=25 000 N，擠壓面面積Ajy=3×32×10-4cm2，根據(jù)擠壓許用應力［σjy］= (1.7～1.8)［σ］,選?。郐襧y］=200 MPa，于是:

應根據(jù)較大的值選擇螺栓直徑，按標準選M20的螺栓即可［5］。

綜上所述，由于緊固螺栓選擇不當，在變載荷作用下，螺栓在機械密封及凸緣底盤接合面處受剪，導致螺栓被剪斷。將緊固螺栓材質由普通碳鋼改為35CrMoA，螺栓抗剪切能力大幅提高［15，16］。

2.3 機架剛度的補強

原機架結構采用焊接形式無支點機架。攪拌軸以減速機輸出軸的2個支承為受力支點；攪拌軸與減速機采用JQ型夾殼式聯(lián)軸器連接。機架橫截面呈簡單的雙U結構，架體無加強筋；且電機全部、減速機部分重心在機架重心邊緣，而該機架承載電機、減速機傳遞給聚合釜攪拌器的轉距。因此，與現(xiàn)場其它釜類設備整體鑄造機架比較，有必要對該機架給予補強。

經(jīng)過核算，對機架對稱焊接了2個橫向、2個縱向，厚度為20 mm的加強筋，對其剛度補強。聚合釜補強后的結構見圖1。

圖1 聚合釜機架補強后的結構

3 結束語

聚合釜機械密封與凸緣底盤聯(lián)接螺栓斷裂故障的原因進行了分析后，提出了提高安裝精度，更換材料為35CrMoA、直徑為M20的螺栓及對機架增加筋板分布、提高機架剛度的技術改進措施。實現(xiàn)了聚合釜整體的穩(wěn)定性和良好的載荷性能。該聚合釜除年度常規(guī)計劃檢修外，已經(jīng)正常運行了6年，未再發(fā)生同類設備故障，設備運行狀態(tài)穩(wěn)定，機械密封壽命明顯提高，保證了聚合釜的安全可靠運行。

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Analysis of polymerizer rack's flanged chassis bolt fracture and improvement

Wang Guoqiang1，Wu Bing2，Ling Xi3
（1.Construction Company of Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China；2.Oil Refinery of Daqing Petrochemical Company，Daqing 163711，China；3.No.3 Chemical Plant of Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China）

By physicochemical and stress analysis to the polymerizer's mechanical seal and its rack's flanged chassis bolt fracture，it was determined the relation of its installation accuracy，bolt strength，rack rigidness，and the relevant improvement measures were implemented.Several years of actual operation verified that the improvement measures totally met the safety requirement of the equipment.

polymerizer；joint bolt；fracture；stress analysis

TQ325.3

B

1671-4962（2017）02-0041-03

2016-12-29

王國強，男，工程師，2004年畢業(yè)于大慶石油學院過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事工程項目施工管理工作。