莫才頌, 王崗罡, 林榮雄

（1. 廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 茂名 525000；2. 中國人民解放軍駐211廠軍事代表室, 北京 100076； 3. 茂名西南石化工程建設(shè)有限責(zé)任公司，廣東 茂名 525000）

丁二烯螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子故障分析與修復(fù)措施

莫才頌1, 王崗罡2, 林榮雄3

（1. 廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 茂名 525000；2. 中國人民解放軍駐211廠軍事代表室, 北京 100076； 3. 茂名西南石化工程建設(shè)有限責(zé)任公司，廣東 茂名 525000）

就某煉油廠丁二烯螺桿壓縮機(jī)組經(jīng)過年度檢修后運(yùn)行是時(shí)出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析, 指出壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)整個(gè)轉(zhuǎn)子進(jìn)口到出口溫差較大，受熱不均勻，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也不均勻，轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲變形進(jìn)而引起轉(zhuǎn)子接觸碰磨故障，提出處理方法與修磨措施對(duì)損壞轉(zhuǎn)子進(jìn)行修復(fù)。

無油螺桿壓縮機(jī)；轉(zhuǎn)子碰磨；故障分析；修復(fù)

螺桿壓縮機(jī)在石油化工行業(yè)中，很多工藝氣體多使用無油螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮。在丁二烯裝置生產(chǎn)中，無油螺桿壓縮機(jī)是實(shí)現(xiàn)從常壓塔到帶壓塔進(jìn)料，提供動(dòng)力的兩段壓縮的關(guān)鍵性設(shè)備。其主要性能參數(shù)如表1。

裝置主要工藝氣體流程：工藝氣體由壓縮，旁路、消聲系統(tǒng)，排泄系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的安全和控制系統(tǒng)組成。通過入口的消音器吸入氣體經(jīng)1段壓縮機(jī)壓縮后，經(jīng)過中冷器和排污分離器輸送到2段壓縮達(dá)到工藝要求，在壓縮機(jī)每級(jí)的出口管線上各裝有一臺(tái)安全閥和出口止回閥。

1 螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)工作原理

1.1 螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)

螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)里，兩螺桿齒面留有較小的間隙，陽螺桿通過對(duì)輪與增速箱連接，陰螺桿由陽螺桿通過同步齒輪驅(qū)動(dòng)，同步齒輪保持兩螺桿的間隙，陰同步齒輪設(shè)有游隙調(diào)節(jié)齒盤，用于保持同步齒輪的嚙合側(cè)間隙。陽螺桿齒數(shù)4個(gè)，陰螺桿齒數(shù)為6個(gè)，齒型為為非對(duì)稱型。

表1 螺桿壓縮機(jī)的參數(shù)Table 1 The performance of screw compressor

1.2 螺桿壓縮機(jī)的工作原理

雙螺桿機(jī)由陰、陽轉(zhuǎn)子葉片、汽缸、進(jìn)出口側(cè)板組成一個(gè)工作容積。在入口端，陰陽螺桿偏離嚙合點(diǎn)時(shí)，空間容積變大，氣體被吸入陰陽轉(zhuǎn)子葉片的空間，隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)，容積不斷擴(kuò)大，當(dāng)這兩個(gè)容積達(dá)最大時(shí)，齒間容積與吸氣口斷開，吸氣過程結(jié)束，如圖 1(a)。吸氣過程結(jié)束后，該齒槽前后端分別被前后蓋板封閉，齒槽容積不變，只是帶著氣體旋轉(zhuǎn)，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，陰陽轉(zhuǎn)子進(jìn)入嚙合使陰陽轉(zhuǎn)子的齒間容積相通并容積減小，氣體被壓縮，如圖 1(b)，直至齒間容積與排氣口相通，排氣過程開始，圖1(c)，直至該容積對(duì)達(dá)到最小值，如圖1(d)。陽轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)360°，完成一個(gè)循環(huán)。

2 螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子故障分析

2.1 故障描述

機(jī)組2012年度檢修時(shí)，除正常檢查、調(diào)整了轉(zhuǎn)子上一些零件并作了動(dòng)平衡，對(duì)軸系的轉(zhuǎn)子對(duì)中情況進(jìn)行了調(diào)整等。

檢修后啟動(dòng)機(jī)組時(shí), 壓縮機(jī)運(yùn)行正常。機(jī)組運(yùn)行1周后，巡檢人員在例行檢查過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)組出口溫度驟然升高,在12 min內(nèi)已達(dá)102 ℃, 手動(dòng)緊急停機(jī)，停轉(zhuǎn)后盤車發(fā)現(xiàn)1段已經(jīng)盤車不動(dòng)，拆卸一段發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子已經(jīng)抱死，解體檢修。拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn) 1段轉(zhuǎn)子已經(jīng)發(fā)生了螺桿接觸碰磨的現(xiàn)象，因當(dāng)時(shí)停車及時(shí)而使故障沒有進(jìn)一步發(fā)展變成事故。

2.2 螺桿壓縮機(jī)損壞的特征

（1）螺桿損壞類似于齒輪的膠合，從螺桿齒頂部開始，沿齒面均有擠壓和片狀拉傷、剝落痕跡[1]。

（2）螺桿損壞部位主要發(fā)生在螺桿排氣端，由高壓端到吸入端逐漸減少。

（3）汽缸出口段的相應(yīng)位置也損壞。

（4）機(jī)組其他部件：軸承、同步齒輪、碳環(huán)密封、機(jī)械密封均沒有損壞，檢測后可以使用。

圖1 螺桿壓縮機(jī)的工作過程Fig.1 The working process of screw compressor

（5）螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生了接觸碰磨，轉(zhuǎn)子的材料是13Cr, 抗膠合的能力非常弱。當(dāng)兩螺桿齒面接觸瞬間產(chǎn)生高溫，使相嚙合的齒面的金屬融化，發(fā)生粘焊現(xiàn)象，兩齒面相對(duì)滑動(dòng)，粘焊處即被撕脫，在齒面上就形成沿相對(duì)滑動(dòng)方向的劃痕。從螺桿齒面損壞由出口端到入口端逐漸減小直至沒有，說明螺桿發(fā)生接觸時(shí)以高壓端為主，越往低壓端，螺桿接觸的可能性越小[2]。汽缸發(fā)生損壞但情況相對(duì)來說較為輕微，部位只是集中在轉(zhuǎn)子發(fā)生膠合的對(duì)應(yīng)位置，其他部位沒有接觸。螺桿壓縮機(jī)損壞的轉(zhuǎn)子如圖2。

2.3 轉(zhuǎn)子碰磨故障原因分析

2.3.1 安裝精度不符合要求造成轉(zhuǎn)子的碰磨

圖2 損壞的螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子Fig.2 The damaged rotor of screw compressor

在螺桿壓縮機(jī)中，轉(zhuǎn)子嚙合間隙是重要指標(biāo)，因嚙合間隙兩側(cè)的壓差較大，氣體隨這通道泄露，占據(jù)了壓縮機(jī)泄露損失的很大部分。無油螺桿機(jī)工作時(shí)陰陽轉(zhuǎn)子是不接觸的，在不影響安全運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，嚙合間隙設(shè)計(jì)越小效率越高。當(dāng)各種原因使陰陽轉(zhuǎn)子發(fā)生接觸碰磨時(shí)，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生膠合甚至抱死的故障，因此，轉(zhuǎn)子的嚙合間隙調(diào)整精度直接影響到螺桿機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。在陰，陽螺桿齒面上，如圖3是陰陽轉(zhuǎn)子嚙合間隙變化的過程，當(dāng)陰陽轉(zhuǎn)子處于嚙合狀態(tài)時(shí)，螺桿齒面上沿接觸線的齒間間隙a和b最小，其比值要求a：b = 0.8～1.2。

圖3 陰陽轉(zhuǎn)子最小嚙合間隙測量位置示意圖Fig.3 The minimum mesh clearance measuring position of positive and negative rotors

（1）在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子在受熱膨脹、受力變形等原因會(huì)導(dǎo)致齒間間隙進(jìn)一步減少，因此，安裝的精度顯得非常重要，表2是該機(jī)組1段轉(zhuǎn)子嚙合間隙的安裝數(shù)據(jù)。

表中可以看出，轉(zhuǎn)子的間隙符合要求。

（2）螺桿壓縮機(jī)損壞的部位主要集中在轉(zhuǎn)子上，拆檢徑向及止推軸承均未發(fā)現(xiàn)異常，軸承間隙、同步齒輪也符合技術(shù)要求。

從上兩點(diǎn)可以判斷，安裝精度不符合要求不是造成轉(zhuǎn)子接觸碰磨故障的主要原因。

表2 轉(zhuǎn)子嚙合間隙Table 2 The mesh clearance of rotors

2.3.2 出口溫升速度過快造成轉(zhuǎn)子接觸碰磨

從損壞的部位和現(xiàn)象來看，轉(zhuǎn)子的損壞是由于熱不均勻造成的。當(dāng)排氣壓力、溫度上升，轉(zhuǎn)子受熱膨脹，汽缸、軸承座有冷卻系統(tǒng)冷卻而膨脹量相對(duì)較小，因而使轉(zhuǎn)子的最小間隙a和b會(huì)減小，這些間隙的減小屬于正常的范圍，是不可避免的。但是當(dāng)出口溫升速度過快時(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)子進(jìn)口到出口溫差較大，受熱不均勻，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也不均勻，轉(zhuǎn)子因而發(fā)生彎曲變形，當(dāng)一對(duì)嚙合的轉(zhuǎn)子彎曲變形達(dá)到一定程度時(shí)，首先在轉(zhuǎn)子間的最小間隙a和b處發(fā)生接觸碰撞，轉(zhuǎn)子接觸碰磨產(chǎn)生高溫進(jìn)一步使出口溫度升高，機(jī)組振動(dòng)噪音加劇，若不及時(shí)停車，轉(zhuǎn)子就會(huì)抱死[3]。

從以分析可以判斷，出口溫升速度過快、轉(zhuǎn)子齒間間隙變化是造成轉(zhuǎn)子接觸碰磨故障的主要原因。

檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)入口過濾器完好，管線異物不會(huì)進(jìn)入壓縮機(jī)造成轉(zhuǎn)子接觸碰磨。

設(shè)備進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行了整體安裝并順利通過了機(jī)械試運(yùn)轉(zhuǎn)試車,可以排除安裝不當(dāng)引起轉(zhuǎn)子碰磨的因素。

3 故障處理措施

螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的損壞主要發(fā)生在接觸線上和高壓端的齒面上，損壞齒面的熔焊物嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性能。因沒有現(xiàn)成的備用轉(zhuǎn)子，更換新轉(zhuǎn)子價(jià)格昂貴, 俢通過分析后決定用 磨方法修復(fù)損壞轉(zhuǎn)子,同時(shí)限制入口溫度。

3.1 轉(zhuǎn)子的修復(fù)

（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)子彎曲度校正，要求最大彎曲度不大于0.02 mm。

（2）把陰陽轉(zhuǎn)子安裝在工裝上，調(diào)整轉(zhuǎn)子兩端軸套調(diào)整螺釘使陰陽轉(zhuǎn)子出口端面處于同一平面上，盤動(dòng)轉(zhuǎn)子時(shí)不發(fā)生軸向竄動(dòng)[4]。

（3）齒面的處理。在陽轉(zhuǎn)子上涂紅丹，正反盤動(dòng)陽轉(zhuǎn)子，使陰、陽轉(zhuǎn)子相互嚙合，對(duì)于齒面凸點(diǎn)、毛刺去除拋光，低點(diǎn)只進(jìn)行拋光處理。

（4）轉(zhuǎn)子接觸線的處理。檢查接觸線的接觸情況，接觸斑點(diǎn)應(yīng)該均勻成有一定寬度的線狀，有亮點(diǎn)、高點(diǎn)用整形銼刀進(jìn)行修整，修整后用油石、砂紙拋光。

（5）用打表法測量轉(zhuǎn)子的嚙合總間隙。固定陰轉(zhuǎn)子，前后盤動(dòng)陽轉(zhuǎn)子，用杠桿表檢查兩螺桿的總間隙，每轉(zhuǎn)動(dòng)90°測量1次，以實(shí)際工作時(shí)轉(zhuǎn)子嚙合情況測量，如：1-1，2-2，……，4-6共 12組48個(gè)數(shù)據(jù)，此步驟主要是測出轉(zhuǎn)子總間隙的最小值，以檢查是否符合要求。

（6）用塞尺檢查每對(duì)嚙合齒的總間隙并記錄。經(jīng)測量，轉(zhuǎn)子入口端間隙與上次檢修數(shù)值基本相同，出口端經(jīng)過俢磨部位的總間隙增大了 0.02～0.04 mm。

（7）進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的校正，達(dá)到G2.5的精度。

3.2 轉(zhuǎn)子齒間間隙的調(diào)整

轉(zhuǎn)子嚙合間隙的調(diào)整首先在工裝上進(jìn)行。在螺桿機(jī)檢修其他步驟完成后，再對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行嚙合間隙的修正。

（1）組裝同步齒輪前，測量同步齒輪輪轂鍵槽與鍵、鍵與軸鍵槽的配合都必須有0.02 mm的過盈量，齒輪輪轂與軸的配合有0.01～0.02 mm的過盈[5]。

（2）在入口端以完好的齒為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整其兩邊最小間隙a與b的比值，按轉(zhuǎn)子實(shí)際嚙合的情況如1-1，2-2，3-3…，4-6配對(duì)，反復(fù)調(diào)整直至符合要求。

（3）在出口端測量每對(duì)齒的嚙合間隙，因出口端部分接觸線經(jīng)過俢磨，損壞部位間隙有偏大的可能，記錄數(shù)據(jù)和做好測量部位的標(biāo)記，測量的部位必須是在轉(zhuǎn)子安裝在機(jī)體后可以在壓縮機(jī)出口處進(jìn)行測量。

（4）調(diào)整完成后，上緊定時(shí)齒輪、游隙齒輪的螺栓，精鉸定位銷孔，并把銷釘打進(jìn)銷釘孔，并再次確認(rèn)轉(zhuǎn)子間隙正確。轉(zhuǎn)子校驗(yàn)完畢[6]。

（5）轉(zhuǎn)子組裝在機(jī)體的測量。在壓縮機(jī)出口用塞尺測量轉(zhuǎn)子標(biāo)記部位的間隙，反復(fù)調(diào)整使其與第3點(diǎn)數(shù)值符合。調(diào)整完成后精鉸定位銷，最終定位轉(zhuǎn)子。

嚴(yán)格控制壓縮機(jī)入口氣體的溫度, 避免因排氣段溫度過高而加劇轉(zhuǎn)子的熱膨脹。

3.3 效果檢查

通過對(duì)轉(zhuǎn)子修復(fù)完成后試車，取得了一次開車成功，壓縮機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)：振動(dòng)、軸承溫度、壓縮機(jī)出口溫度、排氣壓力、流量符合要求。通過操作調(diào)節(jié)壓縮機(jī)完全能夠滿足生產(chǎn)需要，已順利運(yùn)行了200多天都沒有發(fā)生故障。由于避免了引進(jìn)新轉(zhuǎn)子,節(jié)約了資金。

4 結(jié)束語

通過這次檢修，對(duì)于接觸碰磨損壞不嚴(yán)重的無油螺桿機(jī)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，俢磨轉(zhuǎn)子這種修復(fù)方法是可行的。對(duì)于高線速度的轉(zhuǎn)子，嚙合間隙適當(dāng)?shù)脑龃髮?duì)壓縮機(jī)的效率影響不明顯。

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Fault Analysis and Repairing Measures of Screw Compressors Rotor for Butadiene

MO Cai-song1，WANG Gang-gang2，LIN Rong-xiong3
（1. College of Mechinery and Electronic Engineering,Guangdong University of Petrochemical Technology，Guangdong Maoming 525000，China；2. PLA Military Delegate Chamber Stationed in Factory 211, Beijing 100076, China；3. Maoming Southwest Petrochemical Engineering Construction Co.,Ltd., Guangdong Maoming 525000, China)

The abnormal phenomena of the working diene screw compressor unit in a refinery after annual maintenance was analyzed. It’s pointed out that the rub-impact fault during the compressor working was caused by the rotor bending deformation that was resulted by non-uniform thermal environment formed by big temperature difference between inlet and outlet, the processing method and grinding measures were put forward to repair the damaged rotor.

Oil free screw compressor；Rotor rub；Fault analysis；Repair

TQ 051

A

1671-0460（2014）11-2319-04

廣東高校石化過程裝備故障診斷與信息化控制工程中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：2011A060901023。

2014-05-06

莫才頌（1973-），男，廣東化州人，副教授，工程碩士，1997年畢業(yè)于西安工業(yè)學(xué)院機(jī)械制造工藝與設(shè)備專業(yè),獲學(xué)士學(xué)位，2005年獲華南理工大學(xué)控制工程專業(yè)工程碩士學(xué)位，研究方向?yàn)榛C(jī)械設(shè)備、機(jī)電工程等，從事化工機(jī)械設(shè)備、機(jī)電工程等教學(xué)與研究技術(shù)工作。E-mail：mcs2000@126.com。