雙螺桿擠壓機(jī)螺桿芯軸斷裂的分析與對策

蘇權(quán)輝

（中國石化茂名石化分公司化工分部，廣東茂名 525011）

0 引言

某石化20萬噸/年的聚丙烯裝置采用INEOS氣相法工藝，生產(chǎn)的產(chǎn)品包括均聚、無歸共聚、高抗沖共聚、抵抗沖共聚物等牌號，粉料熔指范圍為0.025～10.5 g/min。該裝置擠壓造粒機(jī)的主電機(jī)功率為8000 kW，螺桿直徑為320 mm，9段筒體，同向雙螺桿單支撐擠壓機(jī)。該擠壓造粒機(jī)機(jī)組2014年8月投入運(yùn)行，螺桿軸于2018年12月拆下、2019年12月再次安裝使用，2020年3月20日軸芯斷裂。

1 螺桿軸斷裂的基本情況

2020年3月20日14:51，擠壓機(jī)在運(yùn)行負(fù)荷穩(wěn)定和各參數(shù)平穩(wěn)的情況下，機(jī)組現(xiàn)場發(fā)生異響，摩擦離合器打滑停機(jī)?，F(xiàn)場檢修解體發(fā)現(xiàn)擠壓造粒機(jī)右螺桿芯軸斷裂，斷裂位于輸送段與混煉端交接處（R10/R11交接處）（圖1）。

圖1 斷裂部位示意

2 螺桿芯軸斷裂的原因分析

2.1 螺桿芯軸斷面的分析

2.1.1 宏觀分析

從螺桿芯軸斷面的宏觀形貌來看，斷口平齊光滑，有明顯的疲勞輝紋，可觀察到明顯的裂紋源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，這是典型的疲勞斷裂（圖2）。

圖2 螺桿芯軸斷口宏觀形貌和裂紋源區(qū)微觀形貌

2.1.2 電鏡掃描分析

從斷面的電鏡掃描分析來看，裂紋起源于芯軸齒面的碾壓痕處，且每個(gè)齒面上都有多個(gè)裂紋源點(diǎn)，可觀察到明顯的以裂紋源為原點(diǎn)的放射紋；裂紋自裂紋源點(diǎn)啟裂后，在長期交變力的作用下芯軸齒面產(chǎn)生了疲勞裂紋并不斷發(fā)展擴(kuò)大，最終導(dǎo)致芯軸的疲勞斷裂。

2.2 螺桿芯軸性能的分析

對斷裂芯軸進(jìn)行了全定量光譜分析：碳含量為0.374%，符合要求的0.30%～0.40%；硫含量為0.2%，符合要求的0.10%～0.35%；錳含量為0.415%，符合要求的0.30%～0.80%；磷含量為0.010%，符合要求的＜0.012%；磷含量為0.011%，符合要求的＜0.012%；鉻含量為0.966%，符合要求的0.80%～1.20%；鎳含量為2.94%，符合要求的2.50%～3.30%.鉬含量為0.548%，符合要求的0.40%～0.70%；釩含量為0.238%，符合要求的0.15%～0.25%。通過對比，斷裂芯軸材料與技術(shù)要求相符。

常溫下，斷裂芯軸的屈服強(qiáng)度為1248～1255 MPa，符合大于1000 MPa的標(biāo)準(zhǔn)；抗拉強(qiáng)度1292～1293 MPa，符合大于1200～1300 MPa的標(biāo)準(zhǔn)；斷后伸長率13.6%～14.4%，符合大于12%的標(biāo)準(zhǔn)；橫向沖擊功70～74 Akv/J，橫向沖擊功63～65 Akv/J，均符合大于50 Akv/J的標(biāo)準(zhǔn)；表面硬度360～370 HB，符合340～380 HB的標(biāo)準(zhǔn)。對斷裂芯軸取樣進(jìn)行金相觀察，為正?；鼗鹚魇象w組織，其機(jī)械性能符合要求。

2.3 螺桿裝配方面的分析

2.3.1 螺桿預(yù)緊力的比對

經(jīng)確認(rèn)，國外320 mm螺桿的預(yù)緊力為57 t，國外350 mm螺桿的預(yù)緊力為65 t，國外380 mm螺桿的預(yù)緊力為75 t，而國產(chǎn)320 mm螺桿的預(yù)緊力為75.6 t。通過比對可知，國產(chǎn)320螺桿的裝配預(yù)緊力足夠大，不會(huì)出現(xiàn)熱態(tài)松動(dòng)的現(xiàn)象。

2.3.2 螺套與芯軸熱態(tài)線脹的對比

對螺套38CrMoAlA和芯軸G4335V兩種材料的熱膨脹進(jìn)行了研究，每種材料取3個(gè)試樣，測試溫度為40～300℃。將兩種材料3個(gè)試樣的測試結(jié)果分別取平均值，然后再作圖進(jìn)行對比分析（圖3）。

圖3 螺套和芯軸材料的熱膨脹對比

在熱態(tài)下，螺套材料的線脹系數(shù)大于芯軸材料的線脹系數(shù)，螺桿在工作狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)不會(huì)因?yàn)閮煞N材質(zhì)的熱脹差異問題而產(chǎn)生松動(dòng)。

2.4 螺桿和筒體磨損情況的分析

2.4.1 螺桿和筒體磨損情況的檢測結(jié)果趨勢分析（圖4）

圖4 螺桿和筒體磨損曲線

從檢測的結(jié)果可見，左右螺桿均有不同程度的磨損，螺桿從第三段筒體的中部開始（螺桿發(fā)生斷裂處）左右螺桿出現(xiàn)大幅度磨損，在第四段筒體與第五段筒體之間達(dá)到峰值。筒體的內(nèi)孔也有不同程度磨損，筒體的內(nèi)孔從第三段開始磨損加大，至第六、七段達(dá)到磨損峰值。

通過筒體內(nèi)孔及螺桿磨損量的檢測，可判斷螺桿在腰鼓形的筒體內(nèi)高速轉(zhuǎn)動(dòng)（類似螺桿在筒體內(nèi)跳繩），左右螺桿之間以及螺桿與筒體之間產(chǎn)生碰磨，螺桿在筒體內(nèi)壁“掃膛”，產(chǎn)生了具有破壞力的彎矩。在長期交變載荷的作用下，螺桿疲勞斷裂。

2.4.2 螺桿掃膛筒體的變形仿真分析

采用有限元建模，選取斷裂位置附近的一段輸送螺套（200）和兩段嚙合元件（3×300）與芯軸的組合體，將第一個(gè)嚙合元件的第四個(gè)螺棱頂部小塊面積施加向上的位移5 mm，將該點(diǎn)兩側(cè)相距600 mm的兩處棱頂小面積約束Y向位移，并施加邊界條件。同理將跨距擴(kuò)大為1100 mm，按上述施加邊界條件。

圖5 寬400 mm跨距Y向變形

圖6 寬900 mm跨距Y向變形

通過計(jì)算可知，產(chǎn)生5 mm的掃膛量，螺桿所受的徑向力在跨距為600 mm、1100 mm的位置分別達(dá)到15 434 000 N和3 541 500 N，且產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。在掃膛時(shí)，螺桿受的徑向力極大，對螺桿芯軸產(chǎn)生彎矩。在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中螺桿受到交變載荷，在螺桿的彎曲變形及螺桿與筒體內(nèi)壁產(chǎn)生“掃膛”下，個(gè)別螺套發(fā)生了端面微動(dòng)，從而導(dǎo)致芯軸齒面發(fā)生損傷。

2.5 擠壓機(jī)運(yùn)行負(fù)荷的影響

擠壓機(jī)設(shè)計(jì)負(fù)荷為19.8～33 g/h，正常負(fù)荷為24.2～26.8 g/h。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017—2020年該擠壓機(jī)長期運(yùn)行于20 g/h到23 g/h。擠壓機(jī)長期處于低負(fù)荷的“卡邊”狀態(tài)運(yùn)行，筒體和螺桿的填充度偏低，容易造成螺桿和筒體的異常磨損和碰磨。

2.6 筒體水平度的檢查和分析

在正常工作溫度下，第一個(gè)支撐左側(cè)的間隙為0 mm，右側(cè)的間隙為0.5 mm；第二個(gè)支撐左側(cè)的間隙為0 mm，右側(cè)的間隙為1.5 mm；第三個(gè)支撐左側(cè)的間隙為1 mm，右側(cè)的間隙為1.5 mm。在室溫下，第一個(gè)支撐左側(cè)的間隙為0.15 mm，右側(cè)的間隙為0.2 mm；第二個(gè)支撐左側(cè)的間隙為0 mm，右側(cè)的間隙為0.3 mm；第三個(gè)支撐左側(cè)的間隙為0.5 mm，右側(cè)的間隙為1 mm。

筒體從支撐吊走后，在室溫下，以第一個(gè)支撐的右側(cè)為基準(zhǔn)點(diǎn)，檢測其他5個(gè)支撐的高度偏差值（負(fù)值表示低，正值表示高），第一個(gè)支撐左側(cè)的高度偏差為0.5 mm；第二個(gè)支撐左側(cè)的高度偏差為0.2 mm，右側(cè)的高度偏差為-0.2 mm；第三個(gè)支撐左側(cè)的高度偏差為-0.1 mm，右側(cè)的高度偏差為-0.8 mm。

由以上數(shù)據(jù)分析可看出，在運(yùn)行過程中筒體受熱不均衡而變形，存在左高右低、中間段和輸出段上翹的問題，這造成了螺桿與筒體的同心度偏離，也是螺套干涉、筒體磨損的原因之一。

2.7 螺桿組合的分析

斷裂螺桿的組合采用1個(gè)較長的剪切段，由于物料由輸送段的固態(tài)粉料經(jīng)過剪切段后須變成完全熔融的狀態(tài)，這使得物料由輸送段向剪切段輸送的過程需要巨大的扭矩。這使螺桿芯軸在輸送段與剪切段位置承受巨大的扭矩，兩根螺桿在相互擠壓的過程會(huì)產(chǎn)生巨大的彎矩，使其成為整根芯軸最薄弱的部位。

2.8 螺桿軸斷裂小結(jié)

（1）擠壓機(jī)長期在“卡邊”低產(chǎn)量的工況下生產(chǎn)低融指的產(chǎn)品，低融指的固態(tài)粉料至熔融態(tài)物料間的輸送需要巨大的扭矩。該螺桿組合采用1個(gè)較長的剪切段，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的問題。在該段螺桿的某些特定區(qū)域和特定方向會(huì)受到一個(gè)較大的徑向擠壓力，同時(shí)筒體與螺桿的物料填充度偏低，造成螺套與筒體在這一區(qū)域的特定方向上剛性接觸。

（2）筒體基礎(chǔ)水平度超標(biāo)，在運(yùn)行過程中筒體受熱不均衡而變形，存在左高右低、中間段和輸出段上翹的問題。螺桿跟筒體的同心度變差，造成螺桿與筒體的磨損和碰磨，加劇螺桿產(chǎn)生巨大的徑向力，導(dǎo)致螺套齒端面發(fā)生微動(dòng)，螺套齒端面對芯軸齒面造成碾壓而產(chǎn)生應(yīng)力集中。

（3）螺桿跟筒體磨損到一定程度，螺桿在筒體內(nèi)出現(xiàn)“跳繩”的現(xiàn)象，加劇螺套端面對芯軸的齒面的碾壓而促使芯軸萌生裂紋。在長期交變載荷的作用下，螺桿芯軸疲勞開裂。

3 采取的應(yīng)對策略及效果

（1）在室溫下，確保筒體的水平≤0.06 mm/m，重新調(diào)整支座與筒體的間隙≤0.08 mm，消除筒體支撐的影響（表1）。

表1 擠壓機(jī)筒體與支座調(diào)整后的間隙mm

（2）優(yōu)化螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。螺桿組合采用雙混煉段的結(jié)構(gòu)，總螺套數(shù)量及種類不變，嚙合元件數(shù)量及長度尺寸不變。對螺套的組合順序進(jìn)行優(yōu)化，將6節(jié)嚙合元件一分為二，在期間增加一段輸送螺套，這樣可以適當(dāng)降低一次性混煉強(qiáng)度峰值，合理分布螺桿芯軸的受力，但總體混煉效果沒有改變。

圖7 螺桿嚙合元件的組合

（3）采用堆焊硬質(zhì)合金表面硬化。第8、第9節(jié)筒體和對應(yīng)的螺套，采用鈷基合金表面硬化處理，合金層厚度不低于3 mm，硬度30～35 HRC。這可增加硬化層的厚度，提高螺桿的支撐度。

機(jī)組運(yùn)行一年后，對第9節(jié)筒體進(jìn)行測量，D左為318.91～318.96 mm，D右為318.90～318.96 mm，僅比標(biāo)準(zhǔn)值318.8 mm減少約0.1 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的“磨損量不大于0.5 mm”。

（4）生產(chǎn)低熔指產(chǎn)品時(shí)，保持穩(wěn)定產(chǎn)量，適當(dāng)提高筒體的溫度和使用高速檔。

在生產(chǎn)融指為0.025 g/min的產(chǎn)品時(shí)，擠壓機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷維持在23～24 t/h，筒體的溫度由原來的250℃提高到260℃，同時(shí)將螺桿轉(zhuǎn)速由185 r/min提高到224 r/min，增加熔體的熔融流動(dòng)性。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，在生產(chǎn)融指為0.025 g/min的產(chǎn)品時(shí)，在參數(shù)調(diào)整前低速檔運(yùn)行產(chǎn)生的金屬料為平均的1380顆/批次，減少到參數(shù)調(diào)整后高速檔的133顆/批次。另外，高速檔產(chǎn)生的金屬料粒徑（0.2～0.5 mm）明顯比低速檔（1～3 mm）的小。這明顯減輕螺桿跟筒體的異常磨損和碰磨，有利于機(jī)組的長周期運(yùn)行。

已采取策略的小結(jié)：①在確保筒體的水平≤0.06 mm/m的情況下，重新調(diào)整支座與筒體的間隙≤0.08 mm；②螺桿組合采用雙混煉段的結(jié)構(gòu)；③第8、9節(jié)筒體和對應(yīng)螺套，采用鈷基合金表面硬化處理；④適當(dāng)提高運(yùn)行負(fù)荷和筒體的運(yùn)行溫度，并采取高速檔運(yùn)行。實(shí)踐驗(yàn)證，這些措施能有效減少筒體和螺套的磨損，延長設(shè)備的使用壽命。

4 擬采取的策略

為進(jìn)一步提高筒體對螺桿的支撐度，擬將第8、第9兩節(jié)筒體的內(nèi)徑規(guī)格由原來的320 mm改為300 mm，對應(yīng)位置的螺套規(guī)格也從320 mm改為300 mm，兩節(jié)新筒體內(nèi)孔以及對應(yīng)螺套均采用鈷基合金表面硬化處理處理，以增強(qiáng)耐磨性。