攪拌器非驅動端短軸斷裂的分析與對策

蘇權輝

（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20 萬噸/年的聚丙烯裝置采用INEOS 兩釜式反應的氣相法工藝，產品包括均聚、無歸共聚、高抗沖共聚、抵抗沖共聚物等牌號。首釜反應器和末釜反應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接。攪拌器主電機功率為450 kW，轉速為15 r/min，攪拌器主要由驅動端和非驅動端的滾動軸承來支撐。

攪拌器于2014 年8 月投入運行，首釜攪拌器的非驅動端短軸于2019 年9 月拆下來修復軸承安裝部位，2020 年4 月換上使用，2020 年7 月檢修發現攪拌器非驅動端短軸斷裂。

1 攪拌器非驅動端短軸斷裂的基本情況

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

圖1 斷裂部位

2 攪拌器非驅動端短軸斷裂原因的分析

2.1 攪拌器運行參數的分析

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

圖2 反應器各運行參數

2.2 非驅動端短軸斷口的宏觀分析

非驅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、擴展區和瞬斷區。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

進一步觀察，裂紋起源于非驅動端短軸在密封階梯軸到軸承支撐軸的變徑轉角過渡處的外表面，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，當相鄰兩個裂紋源的裂紋擴展重合時，就形成了1 個棘輪標記，斷口上可觀察到多個明顯的棘輪標記，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。根據裂紋起源于外表面、位于轉角過渡處、多裂紋源、環向裂紋、裂紋源分布于軸的圓周等特征，判斷為短軸在機加工修復過程中在短軸變徑轉角過渡處表面留下了應力集中的痕跡。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，攪拌器在非驅動端短軸轉角過渡處發生疲勞斷裂。

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

綜上所述，攪拌器非驅動端短軸在機加工修復過程中在短軸轉角過渡處表面留下了應力集中的痕跡，在運行過程中在某段時間受到了較大的彎曲作用力，在短軸變徑轉角過渡處所承受的應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 非驅動端短軸斷口電鏡掃描分析

為了進一步分析斷裂的過程和特征，對斷口進行了電鏡掃描分析（圖4）。

圖4 電鏡掃描區域

（1）觀察裂紋源區（區域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 裂紋源區微觀形貌（區域1）

（2）觀察裂紋擴展區的微觀形貌。從多個裂紋擴展區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，進一步說明非驅動端短軸斷裂屬于疲勞斷裂（圖6）。

圖6 裂紋擴展區微觀形貌

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

圖7 瞬斷區微觀形貌

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

表1 斷口化學成分%

圖8 斷口能譜截圖

2.4 非驅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 非驅動端短軸的化學成分分析

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

表2 化學成分分析結果（質量分數） %

2.6 非驅動端短軸的性能分析

對斷軸取樣進行常溫拉伸、沖擊和硬度測試，測試結果表明，非驅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《優質碳素結構鋼》對45#鋼的要求（表3～表5）。

表3 常溫力學性能

2.7 非驅動端端板密封和軸承的情況

非驅動端端板密封的結構為反應釜側和軸承側均使用2個唇封的密封結構，中間通過丙烯吹掃氣來避免聚丙烯細粉進入軸承側（圖11）。唇封是線接觸密封，容易出現磨損和密封效果不好的情況。本次檢修拆開非驅動端的封頭后發現，唇封已經磨損，并且非驅動端軸承座堆積有聚丙烯細粉，說明端板密封已經失效（圖12、圖13）。

圖11 端板密封結構

圖12 端板密封磨損

圖13 非驅動端軸承座積粉

軸承座的密封是填料密封加迷宮密封的結構，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，當該軸承座被聚丙烯細粉蓋住時，聚丙烯細粉容易進入軸承箱內部，污染潤滑脂造成軸承的潤滑效果變差，會導致軸承的異常磨損。本次檢修拆開軸承座的外殼后，發現已經有聚丙烯細粉污染潤滑脂，在一定程度上造成攪拌軸異常受力（圖15）。

圖14 軸承座封結構

圖15 軸承座的潤滑情況

表4 常溫沖擊功Akv J

表5 硬度測試結果 HB

2.8 攪拌軸的有限元分析

將該攪拌軸建模導入ANSYS10.0 進行有限元分析，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，重力加速度產生的慣性加速度設置為9.8 m/s2。

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

圖16 攪拌軸的整體應力圖

進一步放大非驅動端短軸的應力分布圖，可以看出非驅動端短軸的較大應力部位處于密封階梯軸到軸承支軸的變徑結合處，比較接近實際斷裂位置（圖17）。

圖17 非驅動端短軸的整體應力圖

3 采取的改善策略

3.1 非驅動端端板密封的改造

非驅動端端板的密封改用注氣式碳環密封結構，反應釜側和軸承側均采用2 個帶有拉緊彈簧的聚苯酯碳環密封，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動端短軸的原密封階梯軸上（圖18）。

圖18 注氣式碳環密封結構

該注氣式碳環密封是通過在端板上注入干凈的丙烯氣對碳環進行冷卻和吹掃，吹掃密封腔的內外壓差為0.05～0.1 MPa。聚苯酯碳環密封為面接觸，可以有效隔離聚丙烯細粉并減少密封氣的耗量。另外，聚苯酯碳環密封采用拉簧拉緊的抱緊環結構，當聚苯酯碳環密封內孔磨損后仍有一定的補償效果，可以保證使用壽命，達到隔離聚丙烯細粉進入非驅動端封頭的目的。

該結構采用了表面硬化處理的軸套，可以取消原設計非驅動端短軸在密封階梯軸表面硬化處理的要求，消除非驅動端短軸由于表面硬化處理帶來的應力集中問題，有效提高非驅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器的密封結構，也就是在軸承的密封端設計一個專用的軸承隔離器。該軸承隔離器由動環和靜環兩部分組成。帶有氟橡膠O 形密封圈的動環與軸配合同步轉動，動環內部設計有迷宮溝槽和回油槽，動環內側O 形圈與軸表面形成密封。靜環通過法蘭蓋固定在軸承座的端蓋上，靜環內部設計有迷宮溝槽和排污槽，結合蓋與端蓋之間采用密封膠和O 形圈形成密封（圖19）。

圖19 軸承保護器結構

軸承保護器設計有動靜環密封，能起到隔離聚丙烯細粉的作用，確保聚丙烯細粉不進入軸承內部。軸承保護器形成了內部防止潤滑油泄漏、外部防止水汽和聚丙烯細粉進入的保護作用。

3.3 非驅動端短軸的改進

對于非驅動端短軸的修復，嚴格控制機加工的質量。機加工完成后，在倒角的位置必須進行拋光，同時使用超聲波檢查是否有缺陷。

由于非驅動端短軸斷裂發生在明顯的應力集中部位，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密封結構已經設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，避免應力集中的問題（圖20）。

圖20 新短軸的改進設計

4 結束語

反應器攪拌器是聚丙烯裝置的關鍵機組之一，非驅動端短軸的斷裂，對生產造成嚴重影響。本文通過對短軸斷裂原因的分析，得出了非驅動端短軸在機加工修復過程中在短軸變徑轉角過渡處表面留下了應力集中的痕跡，在非驅動端短軸端板密封效果變差的情況下，聚丙烯細粉進入非驅動端封頭，在封頭壓力2.15 MPa 的作用下，聚丙烯細粉進入軸承座內部，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，短軸在變徑轉角過渡處所承受的應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。

目前采取了非驅動端端板密封使用注氣式碳環密封結構和軸承座的密封使用軸承保護器的密封結構等措施，已使用1 年多，攪拌器運行的情況良好。今后對短軸的修復，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，避免應力集中問題，從而確保攪拌器的長周期運行。