蘇權(quán)輝

（中國石化茂名石化公司化工分部，廣東茂名 525021）

0 引言

某石化企業(yè)20 萬噸/年的聚丙烯裝置采用INEOS 兩釜式反應(yīng)的氣相法工藝，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。首釜反應(yīng)器和末釜反應(yīng)器的攪拌器的長度均為15.638 m，重量約19 t，由兩端的實心支撐半軸和中間的空心軸組成，其中空心軸長度為13.583 m，與兩端實心支撐半軸使用螺栓聯(lián)接。攪拌器主電機功率為450 kW，轉(zhuǎn)速為15 r/min，攪拌器主要由驅(qū)動端和非驅(qū)動端的滾動軸承來支撐。

攪拌器于2014 年8 月投入運行，首釜攪拌器的非驅(qū)動端短軸于2019 年9 月拆下來修復(fù)軸承安裝部位，2020 年4 月?lián)Q上使用，2020 年7 月檢修發(fā)現(xiàn)攪拌器非驅(qū)動端短軸斷裂。

1 攪拌器非驅(qū)動端短軸斷裂的基本情況

首釜反應(yīng)器在2020 年6 月13 日出現(xiàn)明顯的塊料敲擊聲，7月26 日裝置停車檢修，按照計劃對該反應(yīng)器開罐清理塊料，檢查發(fā)現(xiàn)攪拌器非驅(qū)動端的支撐半軸斷裂。設(shè)備解體后發(fā)現(xiàn)，非驅(qū)動端短軸在密封階梯軸到軸承支撐軸的變徑轉(zhuǎn)角處斷裂，距離軸端約280 mm（圖1）。

圖1 斷裂部位

2 攪拌器非驅(qū)動端短軸斷裂原因的分析

2.1 攪拌器運行參數(shù)的分析

查詢首釜反應(yīng)器攪拌器6 月到停車前的運行參數(shù)，主要是攪拌器運行功率、攪拌器運行電流、攪拌器非驅(qū)動端軸承溫度和反應(yīng)器1 區(qū)靠近浮動端擋板的溫度，各參數(shù)的趨勢平穩(wěn)，未有明顯突升或突降趨勢（圖2）。特別是攪拌器非驅(qū)動端軸承溫度基本保持在正常溫度范圍60～65 ℃，運行平穩(wěn)。

圖2 反應(yīng)器各運行參數(shù)

2.2 非驅(qū)動端短軸斷口的宏觀分析

非驅(qū)動端短軸斷口的宏觀形貌，斷口總體平整，沒有明顯的塑性變形和剪切唇，局部存在刮擦和碰磨痕跡，可觀察到碾壓痕和疲勞輝紋，且斷口上可觀察到的裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。該斷口的形貌屬于典型的疲勞斷裂斷口形貌（圖3）。

圖3 斷口宏觀形貌

進(jìn)一步觀察，裂紋起源于非驅(qū)動端短軸在密封階梯軸到軸承支撐軸的變徑轉(zhuǎn)角過渡處的外表面，可觀察到以裂紋源為原點的放射紋，且斷口上有多個裂紋源。裂紋在外表面啟裂后，在交變載荷的作用下，向中心方向擴展，當(dāng)相鄰兩個裂紋源的裂紋擴展重合時，就形成了1 個棘輪標(biāo)記，斷口上可觀察到多個明顯的棘輪標(biāo)記，這說明開裂屬于多源啟裂。裂紋源主要分布在軸的上下兩側(cè)。根據(jù)裂紋起源于外表面、位于轉(zhuǎn)角過渡處、多裂紋源、環(huán)向裂紋、裂紋源分布于軸的圓周等特征，判斷為短軸在機加工修復(fù)過程中在短軸變徑轉(zhuǎn)角過渡處表面留下了應(yīng)力集中的痕跡。攪拌器在運行過程中在某段時間受到了較大的彎曲作用力，攪拌器在短軸變徑轉(zhuǎn)角過渡處所受到的作用力超過了材料的疲勞強度，在軸外表面產(chǎn)生了皺褶和裂紋，成為疲勞裂紋源。在重載荷的不斷作用下，攪拌器在非驅(qū)動端短軸轉(zhuǎn)角過渡處發(fā)生疲勞斷裂。

瞬斷區(qū)斷口的宏觀形貌較為粗糙、面積較小，說明非驅(qū)動端短軸在斷裂時所受的應(yīng)力不大。

綜上所述，攪拌器非驅(qū)動端短軸在機加工修復(fù)過程中在短軸轉(zhuǎn)角過渡處表面留下了應(yīng)力集中的痕跡，在運行過程中在某段時間受到了較大的彎曲作用力，在短軸變徑轉(zhuǎn)角過渡處所承受的應(yīng)力超過了材料的疲勞強度，從而萌生了疲勞裂紋。疲勞裂紋萌生后，在交變載荷的作用下不斷擴展直至斷裂。

2.3 非驅(qū)動端短軸斷口電鏡掃描分析

為了進(jìn)一步分析斷裂的過程和特征，對斷口進(jìn)行了電鏡掃描分析（圖4）。

圖4 電鏡掃描區(qū)域

（1）觀察裂紋源區(qū)（區(qū)域1）的微觀形貌。裂紋起源于斷軸外表面，存在以裂紋源為原點的放射紋（圖5a））。裂紋自裂紋源點啟裂后，呈沿晶解理向軸中心擴展（圖5b）），可觀察到碾壓痕和疲勞輝紋（圖5c）、圖5d））。

圖5 裂紋源區(qū)微觀形貌（區(qū)域1）

（2）觀察裂紋擴展區(qū)的微觀形貌。從多個裂紋擴展區(qū)域的微觀形貌可以看出，斷面整體較平整，高倍下可觀察到碾壓痕和疲勞輝紋，進(jìn)一步說明非驅(qū)動端短軸斷裂屬于疲勞斷裂（圖6）。

圖6 裂紋擴展區(qū)微觀形貌

（3）觀察瞬斷區(qū)的微觀形貌。局部可觀察到韌窩，非驅(qū)動端短軸斷裂的瞬間存在一定的塑性變形（圖7）。

圖7 瞬斷區(qū)微觀形貌

（4）觀察斷口能譜分析結(jié)果。斷口上主要物質(zhì)為金屬和金屬氧化物，沒有發(fā)現(xiàn)其他腐蝕物質(zhì)（圖8，表1）。這排除非驅(qū)動端短軸受到腐蝕所致的斷裂。

表1 斷口化學(xué)成分%

圖8 斷口能譜截圖

2.4 非驅(qū)動端短軸斷口的金相分析

分別在斷軸近表面和中心部位取樣進(jìn)行金相觀察，近表面和中心部位材料金相組織均為鐵素體+回火索氏體，為45#鋼正火或回火組織（圖9、圖10）。

圖9 近表面材料金相組織

圖10 中心部位材料金相組織

2.5 非驅(qū)動端短軸的化學(xué)成分分析

對斷軸進(jìn)行了全定量光譜分析，分析結(jié)果表明，斷軸材料與我國45#鋼相符（表2）。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.6 非驅(qū)動端短軸的性能分析

對斷軸取樣進(jìn)行常溫拉伸、沖擊和硬度測試，測試結(jié)果表明，非驅(qū)動端短軸材料的屈服強度、抗拉強度、沖擊功和硬度均符合GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對45#鋼的要求（表3～表5）。

表3 常溫力學(xué)性能

2.7 非驅(qū)動端端板密封和軸承的情況

非驅(qū)動端端板密封的結(jié)構(gòu)為反應(yīng)釜側(cè)和軸承側(cè)均使用2個唇封的密封結(jié)構(gòu)，中間通過丙烯吹掃氣來避免聚丙烯細(xì)粉進(jìn)入軸承側(cè)（圖11）。唇封是線接觸密封，容易出現(xiàn)磨損和密封效果不好的情況。本次檢修拆開非驅(qū)動端的封頭后發(fā)現(xiàn)，唇封已經(jīng)磨損，并且非驅(qū)動端軸承座堆積有聚丙烯細(xì)粉，說明端板密封已經(jīng)失效（圖12、圖13）。

圖11 端板密封結(jié)構(gòu)

圖12 端板密封磨損

圖13 非驅(qū)動端軸承座積粉

軸承座的密封是填料密封加迷宮密封的結(jié)構(gòu)，其密封效果比較差（圖14）。攪拌器正常運行時該封頭的壓力為2.15 MPa，當(dāng)該軸承座被聚丙烯細(xì)粉蓋住時，聚丙烯細(xì)粉容易進(jìn)入軸承箱內(nèi)部，污染潤滑脂造成軸承的潤滑效果變差，會導(dǎo)致軸承的異常磨損。本次檢修拆開軸承座的外殼后，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有聚丙烯細(xì)粉污染潤滑脂，在一定程度上造成攪拌軸異常受力（圖15）。

圖14 軸承座封結(jié)構(gòu)

圖15 軸承座的潤滑情況

表4 常溫沖擊功Akv J

表5 硬度測試結(jié)果 HB

2.8 攪拌軸的有限元分析

將該攪拌軸建模導(dǎo)入ANSYS10.0 進(jìn)行有限元分析，其邊界約束條件為2 個軸承的支撐部位，加載轉(zhuǎn)速為15 r/min（1.57 rad/s），計算中考慮速度對其影響，重力加速度產(chǎn)生的慣性加速度設(shè)置為9.8 m/s2。

根據(jù)以上約束、加載，在ANSYS 中對模型進(jìn)行計算，從整體應(yīng)力分布圖可以看出，支撐軸的主要應(yīng)力集中部位處于軸兩端階梯軸的變徑結(jié)合處，這與實際斷軸部位比較接近（圖16）。

圖16 攪拌軸的整體應(yīng)力圖

進(jìn)一步放大非驅(qū)動端短軸的應(yīng)力分布圖，可以看出非驅(qū)動端短軸的較大應(yīng)力部位處于密封階梯軸到軸承支軸的變徑結(jié)合處，比較接近實際斷裂位置（圖17）。

圖17 非驅(qū)動端短軸的整體應(yīng)力圖

3 采取的改善策略

3.1 非驅(qū)動端端板密封的改造

非驅(qū)動端端板的密封改用注氣式碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)，反應(yīng)釜側(cè)和軸承側(cè)均采用2 個帶有拉緊彈簧的聚苯酯碳環(huán)密封，軸套為表面硬化處理的304#不銹鋼，軸套通過定位螺栓固定在非驅(qū)動端短軸的原密封階梯軸上（圖18）。

圖18 注氣式碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)

該注氣式碳環(huán)密封是通過在端板上注入干凈的丙烯氣對碳環(huán)進(jìn)行冷卻和吹掃，吹掃密封腔的內(nèi)外壓差為0.05～0.1 MPa。聚苯酯碳環(huán)密封為面接觸，可以有效隔離聚丙烯細(xì)粉并減少密封氣的耗量。另外，聚苯酯碳環(huán)密封采用拉簧拉緊的抱緊環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)聚苯酯碳環(huán)密封內(nèi)孔磨損后仍有一定的補償效果，可以保證使用壽命，達(dá)到隔離聚丙烯細(xì)粉進(jìn)入非驅(qū)動端封頭的目的。

該結(jié)構(gòu)采用了表面硬化處理的軸套，可以取消原設(shè)計非驅(qū)動端短軸在密封階梯軸表面硬化處理的要求，消除非驅(qū)動端短軸由于表面硬化處理帶來的應(yīng)力集中問題，有效提高非驅(qū)動端短軸的使用壽命。

3.2 軸承座密封的改造

軸承座的密封采取軸承保護(hù)器的密封結(jié)構(gòu)，也就是在軸承的密封端設(shè)計一個專用的軸承隔離器。該軸承隔離器由動環(huán)和靜環(huán)兩部分組成。帶有氟橡膠O 形密封圈的動環(huán)與軸配合同步轉(zhuǎn)動，動環(huán)內(nèi)部設(shè)計有迷宮溝槽和回油槽，動環(huán)內(nèi)側(cè)O 形圈與軸表面形成密封。靜環(huán)通過法蘭蓋固定在軸承座的端蓋上，靜環(huán)內(nèi)部設(shè)計有迷宮溝槽和排污槽，結(jié)合蓋與端蓋之間采用密封膠和O 形圈形成密封（圖19）。

圖19 軸承保護(hù)器結(jié)構(gòu)

軸承保護(hù)器設(shè)計有動靜環(huán)密封，能起到隔離聚丙烯細(xì)粉的作用，確保聚丙烯細(xì)粉不進(jìn)入軸承內(nèi)部。軸承保護(hù)器形成了內(nèi)部防止?jié)櫥托孤?、外部防止水汽和聚丙烯?xì)粉進(jìn)入的保護(hù)作用。

3.3 非驅(qū)動端短軸的改進(jìn)

對于非驅(qū)動端短軸的修復(fù)，嚴(yán)格控制機加工的質(zhì)量。機加工完成后，在倒角的位置必須進(jìn)行拋光，同時使用超聲波檢查是否有缺陷。

由于非驅(qū)動端短軸斷裂發(fā)生在明顯的應(yīng)力集中部位，新短軸采取對階梯軸根部加大過渡圓角的辦法，將倒角半徑由35 mm 加大到45 mm，提高其機械性能。另外，由于端板密封采用的注氣式碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)已經(jīng)設(shè)計有表面硬化處理的軸套，新制作的短軸取消在階梯軸位置處的表面硬化處理，避免應(yīng)力集中的問題（圖20）。

圖20 新短軸的改進(jìn)設(shè)計

4 結(jié)束語

反應(yīng)器攪拌器是聚丙烯裝置的關(guān)鍵機組之一，非驅(qū)動端短軸的斷裂，對生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。本文通過對短軸斷裂原因的分析，得出了非驅(qū)動端短軸在機加工修復(fù)過程中在短軸變徑轉(zhuǎn)角過渡處表面留下了應(yīng)力集中的痕跡，在非驅(qū)動端短軸端板密封效果變差的情況下，聚丙烯細(xì)粉進(jìn)入非驅(qū)動端封頭，在封頭壓力2.15 MPa 的作用下，聚丙烯細(xì)粉進(jìn)入軸承座內(nèi)部，影響軸承潤滑狀況，使攪拌軸異常受力。攪拌器在某段時間受到了較大的彎曲作用力，短軸在變徑轉(zhuǎn)角過渡處所承受的應(yīng)力超過了材料的疲勞強度，從而萌生了疲勞裂紋；疲勞裂紋萌生后，在重載荷的作用下不斷擴展，直至斷裂。

目前采取了非驅(qū)動端端板密封使用注氣式碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)和軸承座的密封使用軸承保護(hù)器的密封結(jié)構(gòu)等措施，已使用1 年多，攪拌器運行的情況良好。今后對短軸的修復(fù)，要求在倒角位置機加工后必須拋光，同時使用超聲波檢查確認(rèn)不存在缺陷。對于新軸，在階梯軸根部加大過渡圓角和取消在階梯軸處的表面硬化處理，避免應(yīng)力集中問題，從而確保攪拌器的長周期運行。