濕式螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子斷裂機理分析

付海曦

（中海油惠州石化有限公司，廣東惠州 516086）

關鍵字：螺桿壓縮機；轉(zhuǎn)子斷裂；應力集中；激光熔覆；故障分析

濕式螺桿火炬氣壓縮機，是采用在壓縮機腔內(nèi)噴入霧狀柴油冷卻液，對被壓縮的氣體進行內(nèi)冷卻，氣液混合經(jīng)過冷卻器降溫，再經(jīng)過氣液分離器分離，火炬氣進入燃料氣管網(wǎng)，而柴油繼續(xù)回到壓縮機進氣口，不間斷地對進入壓縮機的火炬氣循環(huán)冷卻[1]。而螺桿轉(zhuǎn)子是螺桿壓縮機的核心部件，工作時一對相互嚙合的轉(zhuǎn)子的作用主要是為氣體提供一個密閉的壓縮空間[2-5]，其要具有良好的密封性，但是作為核心部件有時也會出現(xiàn)斷裂等嚴重故障，這不僅影響螺桿壓縮機的正常工作，更會影響到企業(yè)的整個工藝流程[6-7]。

1 故障情況

某煉廠的無油濕式雙螺桿壓縮機的進氣端徑向軸瓦水平位置出現(xiàn)振動速度超過10 m/s，需要對其預防性維修，在檢查中發(fā)現(xiàn)陰轉(zhuǎn)子及陽轉(zhuǎn)子表面有嚴重磨損，其中兩根轉(zhuǎn)子在迷宮密封梳齒位置磨出一系列溝槽，原本迷宮密封的梳齒與轉(zhuǎn)子之間有一定間隙，但通過觀察發(fā)現(xiàn)梳齒密封表面雜質(zhì)很多，以至于將此間隙完全堵塞，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中與梳齒密封之間的雜質(zhì)產(chǎn)生持續(xù)嚴重的摩擦，導致陰、陽轉(zhuǎn)子都在此位置出現(xiàn)了多條環(huán)形規(guī)則的凹槽。而該煉廠的火炬氣長期存在雜質(zhì)顆粒過多，其入口過濾器及機組柴油循環(huán)過濾器頻繁堵塞，可以得知介質(zhì)含雜質(zhì)過多，很多細小的雜質(zhì)可以穿過過濾器進入機體，在機體內(nèi)不斷累積，迷宮密封直接和火炬氣接觸，直到充滿迷宮密封與轉(zhuǎn)子之間的所有間隙。為了修復轉(zhuǎn)子磨損問題，有針對性地進行了激光熔覆維修，但維修后投用的第一天便發(fā)生了轉(zhuǎn)子斷裂情況。

但是投用后很快又出現(xiàn)同樣位置振速增大（水平振速超過11 mm/s），并且出現(xiàn)嚴重的嘯叫，解體發(fā)現(xiàn)排氣端陰轉(zhuǎn)子軸斷裂，陰轉(zhuǎn)子斷裂位置在陰轉(zhuǎn)子排氣端迷宮密封與干氣密封的軸肩處（變徑處），斷裂具體位置如圖1 所示。

圖1 壓縮機陰轉(zhuǎn)子的斷裂位置及斷口形貌（梳齒側(cè)）Fig.1 Rupture position and fracture shape of the compressor female rotor （comb labyrinth seal side）

2 斷面的檢測分析

螺桿壓縮機工作時，陽轉(zhuǎn)子驅(qū)動陰轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，當陰轉(zhuǎn)子完全斷開時，由于陰、陽轉(zhuǎn)子之間的嚙合，斷裂的陰轉(zhuǎn)子不會馬上停止下來，這樣兩個匹配的陰轉(zhuǎn)子斷口就發(fā)生了一定程度的磨損（主要在斷口上的凸起處），導致陰轉(zhuǎn)子的兩個斷口都受到了一定程度的破壞。

整體來看，陰轉(zhuǎn)子斷口平齊，無明顯的腐蝕痕跡，無明顯的塑性變形，呈脆性斷裂特征；裂紋起源于陰轉(zhuǎn)子軸的圓周表面，有許多個裂紋源；裂紋由陰轉(zhuǎn)子軸表面向陰轉(zhuǎn)子中心擴展，斷口上可見“貝殼狀”條紋；最后瞬斷區(qū)在陰轉(zhuǎn)子軸的中心處；陰轉(zhuǎn)子斷口不是一個平面，而是像皿一樣的曲面，即皿狀斷口，如圖2 所示。

圖2 陰轉(zhuǎn)子斷口的低倍形貌Fig.2 Low magnification morphology of the female rotor fracture

將陰轉(zhuǎn)子斷口按鐘表盤時針位置劃分一下，可見，在陰轉(zhuǎn)子斷口整個圓周的任何邊緣處，均有裂紋源存在；這些裂紋均起源于陰轉(zhuǎn)子軸肩處，向陰轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部擴展，匯集在陰轉(zhuǎn)子中心處，最終造成陰轉(zhuǎn)子的完全斷裂。

初步判斷，陰轉(zhuǎn)子斷裂失效性質(zhì)為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。

2.1 陰轉(zhuǎn)子的材質(zhì)分析

在陰轉(zhuǎn)子上取塊狀樣品，依據(jù)相關標準，使用光譜儀等，對其材質(zhì)進行化學分析。結(jié)果表明，陰轉(zhuǎn)子的材質(zhì)符合2Cr13 不銹鋼[3]標準，見表1。

表1 陰轉(zhuǎn)子材質(zhì)的化學成分Table 1 Chemical composition of the female rotor material %

2.2 陰轉(zhuǎn)子的金相分析

在陰轉(zhuǎn)子上切取金相樣品，經(jīng)預磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察分析。并使用顯微硬度計，對其硬度進行測試。

斷裂的陰轉(zhuǎn)子軸表面有激光熔覆層，但在緊靠軸肩處（變徑處），大約3 mm 寬的環(huán)形區(qū)域，則沒有這個激光熔覆層；這個沒有激光熔覆層的環(huán)形區(qū)域，客觀上形成了一個下凹的溝槽，裂紋正是起源于該處。而且，這個環(huán)形區(qū)域的陰轉(zhuǎn)子軸表面不平整光滑，很是粗糙，有溝（坑）存在。下凹溝槽和粗糙表面使得陰轉(zhuǎn)子軸的此處應力嚴重地集中。

陰轉(zhuǎn)子表面有0.5 ～ 2.0 mm 厚度不等的激光熔覆層，其金相組織為很細的鑄態(tài)柱狀晶；熔覆層下有0.6 ～ 0.7 mm 厚的淬硬熱影響區(qū)，其金相組織為馬氏體[4]，見圖3。

圖3 陰轉(zhuǎn)子斷口處激光熔覆層的低倍金相組織（縱向）Fig.3 Macrofractography structure of the laser clad layer at the fracture of the female rotor （longitudinal）

陰轉(zhuǎn)子的金相組織為回火索氏體，見圖4。

圖4 陰轉(zhuǎn)子的金相組織（橫向）（未蝕刻的激光熔覆層+熱影響區(qū)）Fig.4 Metallographic structure of the female rotor（transverse）（unetched laser cladding layer + heat affected zone）

陰轉(zhuǎn)子的硬度檢測結(jié)果，見表2。

表2 陰轉(zhuǎn)子的硬度Table 2 Hardness test of female rotor （HV0.2/10s）

2.3 陽轉(zhuǎn)子斷口等的電鏡分析

使用掃描電鏡，對陰轉(zhuǎn)子斷口等進行微觀形貌觀察和元素成分能譜分析。

2.3.1 陰轉(zhuǎn)子斷口

裂紋起源于陰轉(zhuǎn)子表面處，有多個裂紋源，形成了多個臺階；能譜分析表明，陰轉(zhuǎn)子斷口裂紋源區(qū)由Fe、Cr、O 元素構成，還有少量的C、Si、S、Ca、Mn 等元素；陰轉(zhuǎn)子斷口未發(fā)生明顯的腐蝕破壞。

在陰轉(zhuǎn)子斷口裂紋擴展區(qū)出現(xiàn)的深色印跡，則是陰轉(zhuǎn)子斷裂過程中，裂紋擴展到此處時，斷口反復互相擠壓磕碰形成的。

在陰轉(zhuǎn)子斷口裂紋擴展區(qū)，斷口表面受到了一定程度的磕碰，但在局部區(qū)域仍可看到疲勞裂紋擴展的“輝紋線”。

在陰轉(zhuǎn)子斷口的最后瞬斷區(qū)（在軸的中心處），可見大量的細小韌窩存在，見圖2。

電鏡分析的結(jié)果表明，陰轉(zhuǎn)子斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

2.3.2 激光熔覆層

對陰轉(zhuǎn)子表面激光熔覆層的能譜分析表明，該層是以Co 為主，含有Cr、Fe、Mn、Mo、Ni 等元素的鈷基合金，經(jīng)激光熔覆而成。

在陰轉(zhuǎn)子斷口處軸肩3 mm 寬的無激光熔覆層區(qū)域上，圓球形顆粒物是激光熔覆時噴濺的鈷基合金，其余則為陰轉(zhuǎn)子軸表面。

2.4 斷面分析

對于螺桿壓縮機斷裂的陰轉(zhuǎn)子進行了多項理化分析，確認陰轉(zhuǎn)子斷裂失效性質(zhì)為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂，其主要影響因素為局部應力集中和交變載荷作 用。

（1）局部應力集中

陰轉(zhuǎn)子斷裂在排氣端軸承座與機械密封的軸肩處（變徑處），該部位陰轉(zhuǎn)子截面尺寸發(fā)生變化，本身就會存在一定程度的應力集中。不僅如此，更為嚴重的是在軸肩根部還有大約3 mm 寬的環(huán)向區(qū)域（沒有激光熔覆層），表面很粗糙，有溝（坑）存在。對于陰轉(zhuǎn)子軸來說，這個3 mm 寬的環(huán)向區(qū)域相當于沿其圓周開了一個環(huán)形溝槽（刻槽），使得陰轉(zhuǎn)子軸肩處（變徑處）的應力集中程度更加嚴重。

研究表明[5]，環(huán)形刻槽試樣，由于有較大的應力集中，疲勞裂紋沿槽萌生，形成線狀疲勞源，瘋勞溝線幾乎呈徑向分布。由于旋轉(zhuǎn)彎曲時，試樣圓周上各點所受最大應力的幾率是相同的，盡管某處薄弱點早萌生裂紋，但當這些點受壓時，其他點相繼轉(zhuǎn)到受最大拉應力位置，使這些點在最大拉應力狀態(tài)下相繼萌生疲勞裂紋，從四周同時向芯部擴展，形成封閉式的瞬斷區(qū)。隨著名義應力增大，瞬斷區(qū)移向芯部。

陰轉(zhuǎn)子的疲勞裂紋都起源于軸肩根部這個3 mm寬的環(huán)形區(qū)域，并由環(huán)形區(qū)域向陰轉(zhuǎn)子中心擴展，最后在陰轉(zhuǎn)子中心形成了封閉式的瞬斷區(qū)。

陰轉(zhuǎn)子的斷裂形式正是應力集中程度較大、且公稱（名義）應力較大的軸類構件，發(fā)生旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂的典型特征。

（2）外部交變載荷

螺桿壓縮機屬容積式壓縮機，它利用機腔內(nèi)一對相互嚙合的陰、陽轉(zhuǎn)子在機體內(nèi)作回轉(zhuǎn)運行，周期性地改變轉(zhuǎn)子每對齒槽間的容積來完成氣體的吸入、壓縮和排出三個過程。因此，當壓縮機運行時，陰、陽轉(zhuǎn)子均會受到交變載荷的作用，在陰轉(zhuǎn)子軸的驅(qū)動端，其承受的交變載荷會更大一些。

總之，在螺桿壓縮機運行過程中，由于陰轉(zhuǎn)子軸肩處應力集中嚴重，在旋轉(zhuǎn)彎曲交變載荷的作用下，陰轉(zhuǎn)子軸肩處根部形成疲勞裂紋源（沿陰轉(zhuǎn)子圓周環(huán)形的線狀裂紋源），隨著疲勞裂紋的擴展，使得陰轉(zhuǎn)子軸的有效承載截面迅速地減?。ㄒ躁庌D(zhuǎn)子軸半徑的平方減少），當陰轉(zhuǎn)子軸的有效承載截面不足以承受外部的載荷時，陰轉(zhuǎn)子就完全斷裂而徹底地失 效。

2.5 斷面分析結(jié)論

陰轉(zhuǎn)子金相組織為回火索氏體，為2Cr13 不銹鋼的調(diào)質(zhì)組織；陰轉(zhuǎn)子基體硬度為HV0.2284.9。陰轉(zhuǎn)子表面有0.5 ～ 2.0 的鈷基合金激光熔覆層，硬度為HV0.2352.7；激光熔覆層下的熱影響區(qū)硬度較高，為HV0.2477.9。

陰轉(zhuǎn)子斷裂失效性質(zhì)為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。陰轉(zhuǎn)子軸肩處（變徑處）存在著嚴重的應力集中，在壓縮機運行時產(chǎn)生的交變載荷作用下，在陰轉(zhuǎn)子軸肩處圓周上產(chǎn)生了多個疲勞裂紋源，這些疲勞裂紋由陰轉(zhuǎn)子表面向其芯部不斷地擴展，導致陰轉(zhuǎn)子的有效承載截面不斷地減小，當其減小到一個臨界尺寸時，即陰轉(zhuǎn)子的有效承載截面不足以承受外部應力載荷時，就在陰轉(zhuǎn)子軸的中心處發(fā)生瞬斷，造成螺桿壓縮機陰轉(zhuǎn)子的失效。

3 結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)子磨損問題。介質(zhì)內(nèi)含有過多的雜質(zhì)，堵塞迷宮密封，只是轉(zhuǎn)子出現(xiàn)嚴重磨損，在轉(zhuǎn)子上形成一系列溝槽。

（2）激光熔覆問題。為了保證轉(zhuǎn)子結(jié)構強度及正常使用，對轉(zhuǎn)子嚴重磨損的表面進行激光熔覆，激光熔覆熔池溫度高達1 400 ℃以上，轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生淬硬層，內(nèi)部產(chǎn)生了一定深度的淬硬熱影響區(qū)，該區(qū)域表面硬度大幅提高，抗剪力性能卻大幅減弱，當承受較大瞬間扭矩時易產(chǎn)生脆性斷裂，即瞬斷。

（3）轉(zhuǎn)子設計不合理。在轉(zhuǎn)子的迷宮密封位置和干氣密封位置之間的軸肩有一條環(huán)形的退刀槽，而退刀槽未圓滑過渡，易產(chǎn)生嚴重的應力集中。正如上面的分析所述，本次斷裂源全部在該槽內(nèi)的應力集中 處。

4 建議措施

（1）清潔進入壓縮機組的介質(zhì)氣。

（2）盡可能避免使用激光熔覆的辦法修復轉(zhuǎn)子，如果必須使用，必須要有避免產(chǎn)生淬硬組織的加工工藝處理。

（3）陰陽轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設計，不允許出現(xiàn)退刀槽，軸肩臺階盡可能圓滑過渡，避免產(chǎn)生應力集中。