劉 潔

(中國石化儀化股份有限公司 PTA生產中心,江蘇 儀征 211900)

PT A精制干燥機滾圈表面損壞原因分析及對策

劉 潔

(中國石化儀化股份有限公司 PTA生產中心,江蘇 儀征 211900)

通過宏觀檢驗、化學成分分析、表面硬度測試以及力學強度計算等方法,找出了 PTA精制干燥機在投入運行兩個月后前滾圈圓周外表面嚴重剝落損壞的原因,消除了根源和隱患,避免了滾圈的進一步損壞。

干燥機;滾圈;脫落;應力;裂紋;對策

儀化公司精制干燥機是裝置的關鍵設備之一,原干燥機是大型進口設備,由于長徑比過大 (達到10.25),剛度小,機身抗疲勞強度低,筒體大面積開裂而徹底報廢。通過對干燥機的國產化攻關研制,新的干燥機于 2009年 8月投入使用。而運行不到兩個月,即發(fā)現進料端滾圈表面出現剝落現象。針對這一問題,筆者及其所在單位進行了深入細致地研究和分析,力求找出原因,拿出對策,避免滾圈表面的進一步被損壞。

1 PTA干燥機的結構及故障的產生

1.1 干燥機的結構

該干燥機是一種間接加熱的蒸汽管型干燥機,設備長度為 25.6 m,筒體直徑為 2.88 m,主要材質:304L,總質量為 171 t,轉速為 5 r/min,最大工藝處理量為 52 t/h干料,由筒體 (包括殼體、蒸汽管、蒸汽分配器)、進料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、蒸汽分配系統(tǒng)、傳動系統(tǒng) (包括電機、減速機、齒圈、滾圈及托輪)組成。

濕的 PTA物料從筒體的高端加入,經螺旋輸送機送至回轉圓筒,在圓筒中被蒸汽加熱管間接加熱,并在筒體的轉動下向前運動,干燥后的 PTA粉末從出料端排出。另一方面,載氣從出料系統(tǒng)進入,與物料形成逆流,干燥過程中產生的濕組分由載氣 (氮氣)攜帶出干燥機,而蒸汽則從旋轉接頭進入蒸汽分配器,經分配器分配給每根加熱管進行換熱,換熱完畢后,凝液從旋轉接頭中心套管排出。干燥機必須具有足夠的換熱面積和容積以確保濕物料能夠達到干燥要求。如圖 1所示。

圖1 干燥機總體示意

干燥機筒體在托輪和滾圈的支撐下與水平面成一定的傾斜角 (2/100)旋轉。為了阻止整個筒體下滑,設置了擋輪裝置,故筒體的支撐裝置由滾圈、托輪、擋輪三部分組成。干燥機 M703A的前、后滾圈由外徑長 3 550 mm×寬 420 mm的 42C rMo鋼鍛件制成,經調質處理,表面硬度 HB=268～282,σb=870 MPa,σs=660 MPa;托輪由外徑長 920 mm ×寬440 mm的 40CrN iMoⅡ鋼鍛件制成,經調質處理,表面硬度 HB=258～275。該干燥機旋轉體質量約160 t,物料載荷約 40 t,共約 200多 t的質量由四只托輪承載。

1.2 故障發(fā)生情況

在該干燥機投入運行不到兩個月,發(fā)現干燥機進料端 (前)滾圈圓周外表面一側產生 3塊約蠶豆大小的表面剝落損壞,在隨后的一個多月中,滾圈表面剝落現象不斷發(fā)展,其面積越來越大,剝落坑的深度也越來越深,到最后在沿滾圈寬度約 1/4、長度約1.2 m的范圍內均布滿了大大小小的剝蝕坑,其中有的坑深度達 4～6 mm,如圖 2所示。

圖2 滾圈表面損壞情況

2 故障原因分析

2.1 滾圈表面剝落的組織形態(tài)分析

2.1.1 掉塊的形貌

將干燥機滾圈表面剝落掉塊進行分析,斷口表面有龜狀和碟狀兩種形態(tài) (見圖3)。

圖3 干燥機滾圈表面掉塊斷口表面形貌

從圖 3龜狀掉塊可以看出斷口裂紋從龜頭部起源,龜狀掉塊斷口表面留有清晰的貝殼線,掉塊面積較大,呈漫圓狀,蝶狀掉塊斷口表面也有貝殼線印跡,但沒有龜狀掉塊明顯,掉塊外觀呈山峰形。

2.1.2 化學成分分析

筆者對滾圈掉塊的材質進行了分析 (見表 1),結果表明,干燥機滾圈材質化學成分符合 42C rMo鋼的標準化學成分。

2.1.3 硬度分析

干燥機滾圈要求調質的硬度為 HB268～282,現場滾圈的硬度檢測值分別為 HB270、275、280、273、282、280、285、279、278、283、280、275,從這些硬度測試值可以看出最大硬度差△HB=15,由此可以認為滾圈的硬度值基本符合其技術條件范圍。

表1 干燥機滾圈材質的化學成分分析

2.1.4 掉塊裂紋分析

2.1.4.1 金相分析

通過對掉塊剖面研磨、拋光,用 4%硝酸酒精溶液腐刻,觀察其裂紋走向和顯微組織。龜狀金相樣品裂紋走向為 U字形,就是由小角度擴展 (大約20°)、大角度擴張 (大約 45°)、水平擴張和最后折返表面的快速擴張四階段組成;碟狀金相樣品裂紋走向為 V字形,由小角度擴張 (大約 20°)、大角度擴張(大約 50°)和折返表面的快速擴張三個階段組成。

根據以上裂紋走向參考相關文獻記載,球面點接觸試樣在邊界潤滑條件下,在有和無表面滑動磨擦兩種狀態(tài)下,滾道附近接觸疲勞裂紋萌生和擴張行為,其結果是在表面磨擦力和邊界潤滑條件下,接觸疲勞裂紋的典型擴張由小角度擴展、大角度擴張、水平擴張和最后折返表面的快速擴張四階段組成,整個擴張路徑呈U字形;在無表面滑動的邊界潤滑條件下,典型的接觸疲勞破壞由小角度擴張、大角度擴張和折返表面的快速擴張三個階段組成,整個擴張路徑呈V字形。

2.1.4.2 掃描電鏡分析

利用掃描電鏡對干燥機滾圈掉塊斷口表面進行形貌觀察和元素成分能譜分析,分別對斷口表面裂紋的小角度擴展區(qū)、裂紋的擴展區(qū)、裂紋的折返擴展區(qū)進行分析,發(fā)現斷口表面存在明顯的疲勞條紋,并且裂紋在交變接觸應力的反復作用下被磨得很光滑,并有密集的二次裂紋存在,能譜分析未見斷口表面有腐蝕性元素存在。

2.2 干燥機滾圈的受力情況分析

PTA裝置干燥機是采用雙支點支承的大型回轉圓筒設備,筒體上固定有滾圈和大齒輪,下部有托輪起支承作用,筒體自重和物料質量很大。運轉時由傳動部分驅動筒體回轉,其質量是通過兩個滾圈傳遞給四個托輪,滾圈和托輪之間靠接觸磨擦轉動,由于滾圈和托輪的接觸為線接觸 (實際應該是一窄矩形面接觸,但這里簡化為線接觸),致使?jié)L圈和托輪要承受很大的接觸應力。滾圈、托輪正常運轉的接觸寬度應不小于托輪寬度的 2/3,但如果是由于安裝誤差,使?jié)L圈與托輪軸線的平行度變差,滾圈與托輪的接觸面就會出現張角,使?jié)L圈、托輪由均勻接觸變?yōu)榫植拷佑|,從而產生嚴重的局部應力集中。

干燥機滾圈和托輪的受力情況可參照以下公式進行分析。

按照理論推導,滾圈與托輪的線接觸應力公式為:

式中:δj:線接觸應力,MPa;

P:單個托輪支承的質量,N;

E:托輪彈性模量,Pa;

L:托輪和滾圈線接觸長度,m;

R1、R2:分別為托輪、滾圈的外圓半徑,m。

2.2.1 滾圈與托輪的設計接觸應力:

干燥機筒體旋轉組件的總質量為:W=180 t(含筒體、保溫、凝液、物料等的質量),由 4個大托輪支承,每個托輪的受力為:

托輪彈性模量 E=2×1011Pa,

托輪和滾圈線接觸長度L=0.42 m,

托輪半徑 R1=0.46 m,

滾圈半徑 R2=1.775 m。

將以上數據代入接觸應力公式可得:

2.2.2 滾圈與托輪軸線不平行,接觸面出現張角后的應力值

當滾圈與托輪軸線不平行,滾圈與托輪的實際線接觸長度會減少,根據現場前滾圈與托輪接觸的壓痕分析,前滾圈表面約有 1 m多長的圓周與托輪接觸不是很好,其中大部分面積上線接觸長度還不到托輪寬度的 1/4長。為此,筆者進行了計算:

當 L′=1/4L=0.25×0.42=0.105 m時,其它條件不變,將以上數據代入公式得:

此時,接觸應力δ′j(688 MPa)就已經大于滾圈的屈服極限σs(660 MPa)。

由計算結果看,當滾圈與托輪軸線不平行,接觸面出現張角后,兩者受到的接觸應力值要比軸線平行時的應力值大得多。這就是說接觸應力值的大小與滾圈與托輪軸線間的不平行角度的大小成正比,角度越大,接觸應力就越大。

2.3 結論

由于滾圈與托輪的接觸面出現張角后,滾圈與托輪之間的接觸就由線接觸變?yōu)辄c接觸,當滾圈表面接觸應力高于接觸疲勞極限時,在滾圈表層會產生若干小裂紋。裂紋一旦形成,潤滑油會成為一種很好的滲透劑,充滿任何細小裂紋,起油楔作用。對于唇部趨近載荷的裂紋,通過載荷區(qū)時唇部封閉,油不能排出,在裂紋內部產生很高的油壓,這種油壓反復出現,成為疲勞裂紋擴展的推動力,最后導致裂紋貫穿表面,引起微粒脫落,逐漸形成麻坑。麻坑處表面不連續(xù),產生應力集中,材料繼續(xù)脫落,其寬度和長度不斷擴大,形成 U、V形凹坑。表面出現小凹坑后,由于材料的脆性,凹坑邊緣不易被輾平,繼續(xù)碎裂成大的凹坑。另一方面在接觸應力作用下,表面局部突出的部位被壓平,形成小范圍內金屬折疊,疲勞裂紋被埋沒,尖端產生應力集中,裂紋擴展延伸,也引起了表層局部剝落,導致產生表面麻坑和斑痕,最終的結果是造成滾圈表面破碎脫落而失效。

歸納上述分析,干燥機滾圈表面損壞的原因為接觸疲勞失效,而產生的根源是由于滾圈與托輪軸線不平行,接觸面出現張角后,造成局部應力集中所致。

3 處理措施

3.1 找出實際偏差,測量滾圈與托輪接觸面間隙

3.1.1 做標識

在大滾圈側面,采用記號筆做標識,將滾圈等分標記。由于干燥機滾圈半徑為 1 775 mm,則滾圈的外圓周長約 11 153 mm。筆者在滾圈外側每隔 300 mm做一個標記,這樣沿大滾圈一圈約 37個,也即共選擇了 37個測量點,如圖 4所示。

3.1.2 使用吊車進行盤車

在干燥機尾部,通過出料端機身上的 3個閥門(每 120°1個),用拖拽的方法,將整個干燥機筒體盤動起來,盤車方向與干燥機實際運轉方向一致。

3.1.3 測量

對 37個測量點進行測量,由于滾圈較寬,筆者在每個測量點的兩側各測量一個數據,這樣一共有 37組,74個數據。為減少測量誤差,重復對 37個測量點再次測量,使數據量達到 148個。

圖4 大滾圈測量點分布

3.2 計算與分析測量結果

3.2.1 計算

首先對 148個數據進行分析處理,形成 37個平均數,根據 37個數據的分布情況,選擇幾組最有代表性的數據進行綜合取值。計算測量間隙與托輪水平移動量的幾何關系,如圖 5所示 (也即圖中 S和S1的函數關系)。

圖5 托輪位置調整剖面示意

3.2.2 根據計算結果,選擇托輪水平調整移動量

用專門設計的托架將干燥機支撐、固定,而后用多組千斤頂將干燥機慢慢頂起。使用劃針將調整前的托輪座位置全方位標記好。按照前面計算選擇的結果,通過專用工裝將托輪座水平位置進行調整。見圖 6所示。

3.2.3 調整托輪的軸向傾斜度

由于干燥機沿軸線方向是有 2%的傾斜度的,因此,為了保證水平位置調整后的托輪表面能與滾圈表面完全貼合,還必須對托輪軸線的傾斜度進行復核。調整傾斜度用專門設計的螺母頂絲機構進行,微調時采用加墊銅皮的辦法。見圖 7所示。

4 結 語

在干燥機重新投用運行后,筆者對運行情況進行了近半年的密切跟蹤,發(fā)現干燥機滾圈表面剝落的情況再也沒有進一步的發(fā)展,托輪與滾圈的接觸磨痕也比較均勻、光滑,說明調整成功,進一步驗證了筆者之前的一系列分析計算結果,同時為今后國內相似案例提供了一個典范和參考。

圖6 托輪位置調整平面示意

圖7 托輪軸線方向傾斜度的測量與調整

1 沙江波.接觸疲勞裂紋的萌生與擴張行為的研究[J].金屬學報,1995,31(9):422～429

2 何邦宏,高海英.回轉滾筒式干燥機支承結構的磨損分析與改進方案[J].化工機械,2008,35(3):168～170

Analyse and treatment to the roller damage of PTA refined dryer

Liu Jie
(ThePTAproduction center of Sinopec Yingzheng chem ical Fibre,Yizheng Jiangsu211900,China)

The thesis introduce the serious damage of the PTA refined dryer caused by peeling off at the outer surface of frontwhole roller around circumference after running two months,through the use of macroscopic examination,chemical composition analyse,surface hardness test,mechanical strength test and calculation to find the cause of roller surface peeling,and the root causeswere removed to avoid further damage to the roller.

dryer;roller;peeling;stress;crack;trea tment

TQ320.52

B

1006-334X(2010)02-0056-05

2010-04-28

劉潔 (1982-),女,寧夏中衛(wèi)人,助理工程師,主要從事機械結算管理工作。