降低膨脹烘干機故障率及改造應(yīng)用

趙 新，李世財，王立峰，肖光宇，鄧聯(lián)新

（中國石油獨山子石化分公司設(shè)備檢修公司，新疆獨山子 833699）

0 引言

膨脹烘干機是某裝置后處理生產(chǎn)橡膠產(chǎn)品的關(guān)鍵設(shè)備，膠料通過擠壓、剪切、摩擦沿軸向輸送推進，直到從模板擠出，以達到使膠料進一步膨脹干燥的目的，這對橡膠產(chǎn)品的質(zhì)量有著重要作用。膨脹烘干機的頻發(fā)故障制約著產(chǎn)品的正常生產(chǎn)，給公司造成極大的經(jīng)濟損失。

1 膨脹烘干機的結(jié)構(gòu)及工作原理

膨脹烘干機主要由主電機、液力耦合器、減速箱、螺桿軸、螺套、筒體等組成，螺桿軸右端插入減速箱的傳動軸套內(nèi)，左端由24 節(jié)螺套用鍵連接套裝在軸上。長4.0 m、重1.0 t 的螺桿在筒體內(nèi)呈懸臂狀態(tài)，各段螺距不同，螺距由低壓側(cè)向高壓側(cè)逐漸縮小到，利用螺距縮小制造壓力，增加摩擦生熱，以達到將膠料內(nèi)水分擠出，提高烘干能力的目的。沿筒體每隔一段距離的四周，由外向內(nèi)壁伸出4 個凸起的剪切螺釘，共22 圈，與螺套的插槽相對應(yīng)，其作用是剪切螺桿上的膠料，使膠料不隨螺桿同軸轉(zhuǎn)動，促使其沿軸向受擠壓而向前推進。螺桿頭為有利于螺桿主軸調(diào)心定位的圓錐形結(jié)構(gòu)。

脫水機工作時輸出的膠料，通過膨脹式烘干機進料斗將膠料源源不斷地喂入進料段，再將膠料通過剪切螺釘、旋轉(zhuǎn)螺桿等方式進行剪切，使膠料擠壓后沿軸向輸送；同時，在筒體夾套內(nèi)通過熱蒸汽加熱以軟化膠料而利于擠壓和干燥，膠料在筒內(nèi)受到剪切、擠壓和摩擦作用，至擠出段膠料壓力已升至5～7 MPa，溫度達100～175 ℃，當處于受壓狀態(tài)的膠料從模板噴嘴高速噴出時，由于模板外側(cè)空間突然增大，膠料壓力由7 MPa 左右驟降至0，使膠條突然膨脹松弛，膠條內(nèi)所含水分迅速閃氣化，從膠料中逸出，將膠料含水率由8%～12%降至1.5%，以達到膨脹干燥的目的。

2 膨脹烘干機的故障現(xiàn)象

（1）螺桿軸斷裂。從所有斷軸的情況來看，斷軸部位基本上是在螺桿軸直徑的變徑部位，也是在膠料入口的第一級螺套（圖1）。

圖1 螺桿軸的斷裂面

（2）螺套及筒體襯套磨損。螺套和筒體襯套在高壓段磨損嚴重（圖2）。

圖2 磨損的螺套及筒體襯套

（3）剪切螺釘損壞，在高壓段剪切螺釘損壞最嚴重（圖3）

圖3 剪切螺釘螺紋損壞及端部磨損

3 故障原因分析

設(shè)備在運行過程中，通過旋轉(zhuǎn)的螺桿將橡膠從進料段推進到模頭，螺桿軸一方面受到螺旋擠壓過程中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，另一方面也受到自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，同時受到介質(zhì)的腐蝕應(yīng)力，因此螺桿軸在運行過程中受到的壓力較大。另外，在外部負荷變化的作用下，剪切應(yīng)力產(chǎn)生交變應(yīng)力，呈周期性變化。在交變應(yīng)力作用下，螺桿軸極易出現(xiàn)疲勞斷裂、縮短使用壽命。

3.1 工藝原因

3.1.1 開、停車過于頻繁

為了開發(fā)新產(chǎn)品，設(shè)備要經(jīng)常進行新產(chǎn)品試機試驗，由于工藝操作不成熟，需要不斷摸索經(jīng)驗，設(shè)備運行不能達到穩(wěn)定的狀態(tài)，有時一天開停車數(shù)次。另外，為了適應(yīng)市場需求，需要經(jīng)常轉(zhuǎn)換不同系列的橡膠產(chǎn)品進行生產(chǎn)，造成開停機頻繁。每次開停機使螺桿軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力在零和最大值之間變化，螺桿軸承受了巨大的交變應(yīng)力，對螺桿軸的斷裂產(chǎn)生重大影響。

3.1.2 下料不均

當膨脹烘干機正常運轉(zhuǎn)時，應(yīng)根據(jù)進料負荷適當調(diào)整轉(zhuǎn)速。凝聚釜到后處理的物料，由于工藝的影響，有時會出現(xiàn)負荷波動過大，嚴重時甚至會出現(xiàn)斷料的現(xiàn)象。螺桿轉(zhuǎn)速不可能在物料負載波動時及時作出相應(yīng)的調(diào)整，因此螺桿軸受交變應(yīng)力的影響比較頻繁，特別是當進入烘干機內(nèi)的物料較少時，機體內(nèi)會出現(xiàn)間歇空腔，使螺桿軸無法正常托起，從而引起螺桿與機筒的摩擦，使其壽命大大降低。

3.1.3 頻繁堵料

堵料原因主要有兩個：①由于原來的料斗設(shè)計不合理，容易引起加料堵塞；②由于烘干機的螺套有不同程度的磨損，使螺桿與筒體之間的間隙增大，導(dǎo)致烘干機吃料不暢，在烘干機進料段發(fā)生堵料。物料在進料斗內(nèi)積存，不再進入機體內(nèi)，操作人員不能及時發(fā)現(xiàn)并立即停機，此時螺桿軸在機體內(nèi)無物料的情況下繼續(xù)運行，導(dǎo)致螺桿與筒體摩擦，加劇了螺套與筒體襯套之間的磨損。

3.1.4 模板開孔率不合適

開孔率一方面影響產(chǎn)品的揮發(fā)分，另一方面對螺桿頭部產(chǎn)生背壓，使物料包裹螺桿，讓螺桿與筒體不發(fā)生碰撞。當開孔率不合適時，形成不了足夠的背壓，就無法托起螺桿，造成螺桿與筒體碰撞。

3.2 螺套、筒體襯套耐磨性差

膨脹烘干機在高溫、高壓、腐蝕、沖擊大的環(huán)境下工作，交變負荷變化頻繁，再加上螺桿在機筒內(nèi)處于懸臂狀態(tài)，所以在運行過程中難免會出現(xiàn)螺套與機筒襯套接觸磨擦的現(xiàn)象。所以在這種復(fù)雜多變的環(huán)境中工作，選材尤其重要，不能單從某方面考慮，還應(yīng)從實際出發(fā)綜合考量。并選擇合適的熱處理工藝，以達到滿足生產(chǎn)實際需要的最佳性能，來保證設(shè)備運轉(zhuǎn)的使用周期。

3.3 設(shè)備選型不對

膨脹烘干機原設(shè)計產(chǎn)能為4 t/h，實際產(chǎn)能為2 t/h；模板前設(shè)計壓力不大于7 MPa，實際操作模壓有時低于4 MPa，使機組在運行過程中不能滿負荷運轉(zhuǎn)，橡膠介質(zhì)不能完全充滿整個腔體，螺桿在轉(zhuǎn)動中不能很好的支撐，產(chǎn)生很大的撓度，末端螺套與筒體磨擦，造成筒體內(nèi)表面及螺套磨損，特別是對螺桿根部產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，最終會導(dǎo)致螺桿斷裂、縮短螺桿軸壽命。

4 改進措施

4.1 穩(wěn)定凝聚單元和聚合單元的操作

凝聚設(shè)備運行正常，生產(chǎn)負荷平穩(wěn)，確保下料均勻進入膨脹烘干機；聚合單元運行穩(wěn)定，橡膠門尼值恒定，凝膠含量低，橡膠各項性能指標優(yōu)良，所以橡膠到后處理單元不會出現(xiàn)堵膠和掛膠現(xiàn)象；使螺桿在交變過程中受到較小的應(yīng)力。

4.2 進料斗改造

原廠進料斗是以傾斜的方式沿著螺桿的切線進行進料的設(shè)計，很容易產(chǎn)生窩料的現(xiàn)象?，F(xiàn)在料斗改成圓錐形結(jié)構(gòu)，這一段的壓縮比將會增加，進料量也會增加；為增加膠料與料斗的摩擦，提高投料效率，在料斗錐形內(nèi)壁上加工幾條溝槽；同時加大了料斗錐形內(nèi)壁面粗糙度的要求，使膠料不會產(chǎn)生粘滯感；使物料順利入筒，不會出現(xiàn)進斗堵料的現(xiàn)象。

4.3 模板開孔率調(diào)整

通過調(diào)整開孔率來控制產(chǎn)品的揮發(fā)分和螺桿頭部的背壓，來保證螺套與筒體不發(fā)生碰撞，生產(chǎn)合格的產(chǎn)品。

其中，N 為模孔個數(shù)，d 為模孔直徑，D 為筒體內(nèi)徑。

根據(jù)不同牌號、不同的螺套來設(shè)計不同開孔率，以滿足生產(chǎn)工藝需求。根據(jù)此次改造情況，模板?？自O(shè)計了2.5 mm（開孔率0.67%）、3.0 mm（開孔率0.91%）、3.5 mm（開孔率1.38%）3 種規(guī)格。分別采用不同規(guī)格模孔進行負荷測試，根據(jù)產(chǎn)品揮發(fā)份逐步提升工作負荷，當工作負荷達到2.0 t/h，觀察產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備運行情況，來最終確定?？滓?guī)格。改造后的模板采用316L 材料，該材料耐腐蝕性、耐高溫性好，同時模板內(nèi)設(shè)有蒸汽夾套，可以對模板進行加熱。

4.4 螺套及筒體襯套的表面處理

螺桿在筒體中呈懸臂狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)時如果不能得到很好的支撐就會產(chǎn)生很大撓度，末端螺套與筒體襯套就會產(chǎn)生磨擦，筒體內(nèi)表面和螺套將嚴重磨損。為此在末端螺套、筒體襯套上堆焊司太立硬質(zhì)合金材料，提高耐磨性、耐高溫性、耐腐蝕性，并增加襯套厚度，同時末端螺套采用雙頭螺套，增強物料的混煉能力，提高螺桿旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，延長螺桿使用壽命。

4.5 螺套及筒體尺寸重新設(shè)計

為了匹配生產(chǎn)實際產(chǎn)能，需要將產(chǎn)能由4 t/h 降低至2 t/h。

綜合考慮各方面因素，經(jīng)計算和實際結(jié)合，螺套外徑由255 mm 減小至225 mm；底徑保持不變；外徑減小，吃料空間減小，產(chǎn)量、負荷合理地降低和減少；部分螺套螺距按規(guī)律增大；部分螺套長度減?。豢傞L保持不變。螺距增大導(dǎo)致擠壓作用減小，減少發(fā)熱同時產(chǎn)量、負荷合理降低和減少；相應(yīng)減小與螺套配合錐筒體內(nèi)孔尺寸和直筒體襯套尺寸，同時改變直筒體上與螺套配合的剪切螺釘孔位置。

4.6 剪切螺釘改造

剪切螺釘形式由螺紋連接改為光孔，設(shè)有4 個安裝螺釘及兩個拆卸螺紋孔，并且端面銑扁，安裝拆卸更方便，節(jié)省時間。材料選用3Cr13 調(diào)質(zhì)處理，強度高耐腐蝕。另外剪切螺釘采用端面密封，由于緊固密封的螺栓不與介質(zhì)接觸，就不會造成螺紋損壞失效引起泄漏，所以改造后密封效果好。

5 結(jié)束語

膨脹烘干機經(jīng)降能改造后，設(shè)備運行正常，滿足生產(chǎn)實際負荷，產(chǎn)品質(zhì)量達標；現(xiàn)已運行一年，沒有發(fā)生一次設(shè)備原因而停機的故障，確保了設(shè)備的長周期運行。