聚丙烯裝置擠壓機組切刀斷裂原因分析與探討

楊清華

（四川石化有限責任公司設備檢修部，四川成都 611930）

0 引言

2018 年某大型煉化一體化企業(yè)對聚丙烯裝置擠壓機組主減速機和擠壓機切粒小車進行檢修，在擠壓機開車磨刀過程中出現(xiàn)切刀根部斷刀和過磨、磨刀壓力無法提升等問題。

1 故障過程

（1）第一塊模板磨刀過程。這次故障時的模板是6 個月前更換的模板，當時磨刀及運行6 個月期間一直沒有故障。本次檢修沒有進行模板更換，檢修后磨刀時刀根部出現(xiàn)過磨和裂紋現(xiàn)象，經(jīng)過幾次國產刀試用都沒有成功，分析可能是切粒機檢修出現(xiàn)問題。經(jīng)過幾次調試和檢修數(shù)據(jù)核對發(fā)現(xiàn)，切粒機刀軸相對水室、模板的跳動分別只有0.02 mm、0.05 mm（均在工差范圍內），刀盤軸向擺動0.11 mm 相對較大。通過仔細檢查檢修前運行的刀，發(fā)現(xiàn)雖然刀沒有斷裂但根部有過磨現(xiàn)象，判斷模板可能也存在一定損傷，決定更換模板和切刀。

（2）第二塊模板磨刀過程。模板更換后用國產刀進行磨刀，出現(xiàn)斷刀現(xiàn)象，換進口刀后磨刀再次斷刀。刀壓0.35 MPa 時，切刀根部發(fā)生過磨，刀尖2/5 有磨痕但中間沒有磨痕。

2 綜合分析

2.1 故障原因逐項排查

（1）切粒機檢修質量排查分析。本次檢修磨刀有關的部位只進行了切粒機檢修，檢修后磨刀異常首先排查切粒機檢修情況：①由于磨刀壓力不夠，檢查3 個液壓推進缸并液壓推進的同步性，未發(fā)現(xiàn)異常；②檢查旋轉刀軸與水室的軸向跳動0.02 mm（圖1），數(shù)據(jù)高于標準值0.05 mm；檢查刀軸與模板的軸向竄量0.05 mm（圖2），符合標準0.05 mm。以上數(shù)據(jù)說明切粒機檢修效果很成功，排除切粒機檢修造成的磨刀異常。

圖1 刀軸與水室的軸向跳動

（2）模板原因排查分析。第一塊模板已經(jīng)正常運行了6 個月，模板原因可以排除。模板出現(xiàn)高點，可能是磨刀過程中斷刀導致模板損傷，損傷次數(shù)多了就必須更換模板。

（3）切刀根部斷裂原因分析。切刀根部對應模板圓周方向上有高點，切刀旋轉到該位置發(fā)生碰磨，導致斷刀。

（4）安裝前對刀的接觸檢查。刀盤放置在模板上通過塞尺檢查，發(fā)現(xiàn)：刀尖全部接觸，刀根部有0.04 mm 的間隙，符合說明書要求，也就是在磨刀時刀尖先接觸受力，通過逐漸加力刀身變形、發(fā)展到刀的根部接觸，這樣刀刃受力比較均勻，接觸面積較大，承受軸向力也比較大，對提高磨刀壓力有利（圖3）。

圖3 檢查切刀與模板間隙

（5）在工期極為迫切的情況下，根據(jù)最后一次磨刀出現(xiàn)的故障現(xiàn)象：刀壓0.35 MPa 根部發(fā)生過磨和刀尖2/5 的磨痕，但中間沒有磨痕，結合刀的設計原理，分析可能是模板造粒帶切刀根部位置整體隆起變形所致。

2.2 模板造粒帶變形隆起危害分析

（1）根部隆起大于切刀前傾設計量時在磨刀過程中會導致刀根部更先接觸模板。

（2）由于刀的根部先接觸，而根部和刀盤是剛性連接，導致磨刀壓力不大時根部刀承受的軸向力已經(jīng)很大，過載后出現(xiàn)刀裂或斷刀現(xiàn)象。

（3）由于根部先接觸，刀沒有均勻受力，刀自身承受軸向力較小、導致整體軸向力小，這也是磨刀壓力無法提起的原因。

（4）經(jīng)過上述分析認為本次開車磨刀失敗主要原因是模板造粒帶變形隆起造成的。而隆起的現(xiàn)象在6 個月前就存在。

（5）通過磨刀發(fā)生的偏磨現(xiàn)象，可以確定刀盤需要修復或更換

2.3 建立模型對變形原因定性分析

2.3.1 安裝時的溫度狀態(tài)

由于施工時間緊迫，搶修過程中模板是定位銷接觸后，用螺栓將模板向模頭緊靠。緊靠到位之后就將內環(huán)和外環(huán)螺栓定位，如圖4 所示。這時的模頭溫度一般在130 ℃（沒考慮模頭內外溫度梯度對變形的影響），模板溫度一般在55 ℃左右。正常造粒模板和模頭的工作溫度為220 ℃，相當于模板溫度將由安裝時的55 ℃上升到220 ℃，而模頭溫度由130 ℃上升到220 ℃，溫度保持一致。由于在安裝階段螺栓已經(jīng)將模板固定在模頭上導致模板不能自由膨脹，與模頭接觸部位線膨脹受到約束與模頭一致，其余部位都將由于膨脹導致不同程度的變形。

圖4 模板、模頭與合金造粒帶示意

2.3.2 模板模頭膨脹分析

模頭溫度由55 ℃上升到工作溫度220 ℃，模板溫度由130 ℃上升到工作溫度220 ℃，由于溫度的差異，必然導致膨脹的不同，由于膨脹受到約束，必然導致模板的變形；模板溫度變化較大，由于受到螺栓的限位，與模頭接觸的模板面膨脹與模頭保持一致，模板應力產生的根源就在于螺栓是在有溫差的情況固定。內部應力分為以下3 種情況：

2.3.2.1 在半徑方向螺栓之間線膨脹產生的應力A

在內外環(huán)螺栓之間由于模板溫度比模頭溫升大，模板在半徑個方向的線膨脹大于模頭，必然導致模板在兩螺栓之間膨脹，產生內應力A（圖5），在造粒帶處使刀根和刀尖處的合金層受到擠壓，形成變形。

圖5 螺栓間的徑向力A（放大簡化模型）

模板半徑膨脹=（1125-772）/2×12×10-6×（220-55）=0.347 mm

模頭半徑膨脹=（1125-772）/2×12×10-6×（220-130）=0.191 mm

受約束量a=模板半徑膨脹-模頭半徑膨脹=0.347 47-0.190 62=0.156 mm

可以看出，在半徑方向由于受到螺栓的固定在造粒帶側相對模板和模頭接觸面有0.158 85 mm 的膨脹量，會導致造粒帶由于膨脹向切刀方向膨脹，而刀根部和刀尖部都是比較容易變形部位。假設應力為A，該應力是沿著切刀向模頭方向逐漸增大，偏離膨脹后自由狀態(tài)的變形也是逐漸變大。也就是說模板在與切刀根部或刀尖對應的位置相對模頭變形最大。

2.3.2.2 模板在直徑方向內徑相對膨脹

模板內徑膨脹=612×12×10-6×（220-55）=1.212 mm

模頭相應直徑的膨脹=612×12×10-6×（220-130）=0.661 mm

模板內孔自由狀態(tài)相對模頭膨脹=模板內徑膨脹-模頭相應直徑的膨脹=1.212-0.661=0.551 mm

通過計算可知，在模板緊固在模頭上時，模板內環(huán)相對模頭在直徑方向上有0.551 mm 的膨脹量。該膨脹將引起造粒帶焊接薄弱環(huán)節(jié)刀根部產生應力變形，用應力B 表示（圖6）。

圖6 模板內徑相對于模頭膨脹產生的應力B（放大簡化模型）

2.3.2.3 模板在直徑方向外徑相對膨脹

模板外徑膨脹=1223×12×10-6×（220-55）=2.422 mm

模頭相應直徑的膨脹=1223×12×10-6×（220-130）=1.321 mm

模板外徑自由狀態(tài)相對模頭膨脹=模板外徑膨脹-模頭相應直徑的膨脹=2.422-1.321=1.101 mm

通過計算可知，在模板安裝后，如果在模板和模頭溫度不一致或溫差較小的情況下緊固，會導致外環(huán)的1.321 mm 的膨脹量無法得到釋放而被限制在外環(huán)螺栓處，模板的造粒帶同樣會受到擠壓產生變形，該處變形會在造粒帶工藝加工的薄弱處更加明顯，產生的變形用C 表示（圖7）。

圖7 模板外徑相對于模頭膨脹產生的應力C（放大簡化模型）

2.3.2.4 模板造粒合金帶處受力分析

模板的造粒帶是在母材上通過真空焊接一些合金塊后鉆孔而成的，切刀根部正好處于合金和母材焊接處，該處是應力比較薄弱環(huán)節(jié)，在螺栓的限制下模板熱膨脹無法得到充分釋放。在上述A、B、C 三個力合力的作用下，會導致造粒合金帶焊接部位變形、隆起，在磨刀過程中容易使刀的根部先接觸（圖8）。

圖8 模板造粒合金帶處受力分析（放大簡化模型）

從設計來考慮，刀尖先接觸，逐漸向刀根接觸，最終使刀面全部接觸，從刀尖到刀根逐漸變形，刀的受力比較均勻，能承受軸向力也較大。而與刀跟對應的模板處（即造粒帶）隆起后，當隆起的變形量大于刀尖設計的前傾斜量后，在磨刀過程中就會發(fā)生刀的根部先接觸模板。而刀根部是剛性固定在刀盤上，導致刀也剛性接觸在模板的隆起部位，局部過度受力，磨損嚴重導致合金磨損或斷裂。同時由于刀根部先接觸模板，刀尖接觸模板時，刀根部已經(jīng)出現(xiàn)超磨現(xiàn)象，刀的受力不均，承受軸向力也比較小，整體看導致切粒機軸向進刀壓力下降，在0.2～0.5 MPa 容易出現(xiàn)刀的根部超磨現(xiàn)象，而正常開車壓力一般不會低于0.98 MPa。

3 新的模板更換工法

3.1 模板安裝的理論指導

按照國外資料文件要求，模板安裝必須在常溫下進行，這在初始開工可以實現(xiàn)。但對于投產后的臨時停工檢修，一般沒有時間來進行整個擠壓機組的降溫和升溫。根據(jù)上述計算分析可以得出，模板和模頭的溫差是引起模板造粒帶變形的主因，因此控制溫差就可以減少變形。模板熱態(tài)下安裝過程中應盡可能保持模板和模頭溫度一致。

3.2 施工環(huán)節(jié)變形量的控制及檢驗情況

（1）清理模頭表面，清理流道的物料防止下淌到密封面上。

（2）清理模板與模頭密封表面，并按安裝位置吊裝至模頭位置，利用模頭溫度將模板進行初預熱約30 min。

（3）脫開模板檢查流道物料下淌情況，并及時處理。

（4）安裝模板。對準后面定位銷，用螺栓將模板和模頭緊靠，在內環(huán)螺栓孔的上、下、左、右部位各緊固一條螺栓，并用塞尺檢查模板和模頭密封接觸面，無間隙為合格。用模頭將模板加熱約60 min，當模板溫度達93 ℃、模頭溫度達120 ℃，開始繼續(xù)施工。

（5）將上一步緊固的4 條螺栓左右全部松開，讓左右充分膨脹后再次緊固。同樣的方法，將上、下螺栓全部松開后再次緊固，分別用400 N·m、730 N·m 力矩扳手逐次對稱緊固。注意，不可4 條螺栓同時松開，避免模板和模頭密封面產生間隙導致物料進入密封面而發(fā)生泄漏。

（6）隔熱板安裝。以前是在熱緊后安裝隔熱板，由于隔熱板的膨脹要求安裝溫度不能超出100 ℃。根據(jù)經(jīng)驗，該溫度下升溫后熱緊時基本上不動，為節(jié)省搶修時間采取加大力矩后不熱緊的方案，這樣內圈緊固后要及時安裝隔熱板。

（7）安裝模板導熱油墊片。該過程先不緊固模板外環(huán)螺栓，繼續(xù)預熱模板，降低模板和模頭溫差。

（8）緊固模板外圈螺栓，方法同內圈螺栓，安裝外圈隔熱板。

在定位初期（步驟（2））中，模板模頭溫差約27 ℃。到后期外圈緊固（步驟（8））溫差約7 ℃，大大降低了溫差，減少絕大部分的變形量。

4 開車實際效果檢驗

（1）模板安裝磨刀情況。2018 年6 月27 日21：10 開始磨刀，刀壓從0.23 MPa 開始，0.68 MPa 結束，具體情況見表1。

表1 按新工法回裝模板后磨刀過程數(shù)據(jù)

（2）磨刀后開車。在確認磨刀成功后開車，造粒正常，進刀量和磨刀量一致，開車成功。

5 經(jīng)驗總結

模板更換應在熱態(tài)拆卸，冷態(tài)安裝，但是由于工藝條件限制國內該設備基本不具備檢修后冷態(tài)安裝的條件，這就對熱態(tài)安裝提出了新的要求。本次檢修通過多角度分析實踐，摸索出一套溫差和變形量受控的檢修工藝，為同類設備模板熱態(tài)更換提供參考。