宋昌鵬 陳 罡 姜彥鋒

（中國石油遼陽石化公司 遼寧遼陽）

年產(chǎn)22.5萬噸的PTA裝置，從國外全套引進，后經(jīng)擴容年產(chǎn)能增至27萬噸，其中PTA氧化反應器（圖1）的核心部件鈦材攪拌器（簡稱鈦材軸）在生產(chǎn)中發(fā)生幾起攪拌槳葉斷裂脫落事故，造成整個裝置幾次非計劃停車。幾起事故的發(fā)生，說明裝置擴容后原鈦材軸已無法滿足生產(chǎn)需求，其槳葉結(jié)構(gòu)存在不足，有待進一步改進。為滿足生產(chǎn)需求，結(jié)合對原鈦材軸故障原因的分析和改進措施，進行了新軸國產(chǎn)化制造。針對制造過程中出現(xiàn)的難點，給出一套切實可行的制造方法。

一、鈦材軸結(jié)構(gòu)

以對二甲苯（PX）為原料，空氣為氧化劑，醋酸為溶劑，醋酸鈷和醋酸錳為催化劑，氫溴酸為助劑，在一定溫度下PTA裝置氧化反應器中發(fā)生氧化反應生成對苯二甲酸和水，并產(chǎn)生大量的熱。整個反應過程要求物料混合均勻。

圖1 PTA氧化反應器

鈦材軸攪拌介質(zhì)物料主要是對苯二甲酸（固相）+醋酸/PX（液相）+空氣（氣相）。理想攪拌混合狀態(tài)應滿足液體達到全混狀態(tài)，氣體接近全混狀態(tài)，固體顆粒處于懸浮狀態(tài)。

鈦材軸（圖2）由主軸、組合槳組成，鈦材軸材料全部為TA2。

主軸采用直徑357 mm×12 mm的無縫鈦管制造，位于主軸上的組合槳部位焊有連接結(jié)構(gòu)件，端頭連接法蘭采用TA2II鍛件整體制造。

組合槳共分為4層，其中第一層槳葉為輔助部件甩液盤（由8組扇形板組成），作用是將物料“甩至”上端封頭，起沖刷內(nèi)壁作用，防止物料結(jié)晶固化；第二層為斜直槳（由6片槳葉沿圓周均布組成）（圖3），作用是提升物料循環(huán)；第三層為由6片沿圓周均布的U形槳葉（圖4）組成，作用是打散物料，使物料與氣體充分混合；底槳由6片沿圓周均布的斜直槳（圖5）組成，作用是攪動底部物料，防止物料沉積。U形槳和斜直槳與主軸之間、甩液盤與主軸之間均用螺栓連接，底槳焊接于主軸上。鈦材軸全長7350 mm，槳葉最大寬幅2800 mm。

圖2 鈦材軸

圖3 斜直槳實物圖

二、槳葉脫落和斷裂事故分析和改進

1.故障匯總

（1）受產(chǎn)能擴大，并利舊原設備等條件制約，相關(guān)配套系統(tǒng)為保證生產(chǎn)需要，長時間處于超負荷狀態(tài)，容易出現(xiàn)故障而不得不小范圍停車檢修，因此產(chǎn)生操作不穩(wěn)定，運行參數(shù)波動大等現(xiàn)象，造成氧化反應器罐體內(nèi)液位高度波動嚴重的現(xiàn)象。當液面過低時，易造成甩液盤失效而無法沖刷設備內(nèi)壁，在上部空間出現(xiàn)結(jié)晶、凝固現(xiàn)象（圖6），結(jié)晶掉落到設備內(nèi)時，造成罐內(nèi)刮板及鈦材軸槳葉破壞；當液面過高時，攪動物料所需的負荷超過攪拌軸的攪拌能力，裝置長時間運行中槳葉易疲勞破壞，檢修后首次開車時，易出現(xiàn)“帶不動”現(xiàn)象，此時若強行轉(zhuǎn)動攪拌軸，會導致槳葉撕裂（圖7）。

（2）原槳葉固定螺栓材料為TA2，雖有極好的耐腐蝕性，但強度較低，并且隨著溫度的升高，其抗拉強度和殘余伸長應力都急劇下降，如TA2在常溫下的殘余應力為320 MPa，在工作溫度200℃下僅為163 MPa，螺栓過載斷裂后導致槳葉脫落。

圖4 U形槳實物圖

圖5 底槳實物圖

圖6 設備內(nèi)結(jié)晶示意圖

圖7 槳葉斷口示意圖

（3）攪拌軸轉(zhuǎn)動時，斜直槳和U形槳葉最大受力點位于輪轂上連接板的根部，且鈦材軸攪動物料時，所在區(qū)域為氣液固三相混合，槳葉載荷復雜多變，并且由于槳葉與輪轂間采用螺栓連接方式，造成螺栓孔局部應力集中和所在部位強度降低現(xiàn)象，根部及螺栓孔處易引起附加交變應力而產(chǎn)生疲勞破壞；同時當焊接質(zhì)量不好或是超負荷運轉(zhuǎn)時，易造成因根部焊縫區(qū)應力過大而導致槳葉連接根部和輪轂焊縫出現(xiàn)裂紋，致使槳葉脫落而失去攪拌效果。

2.改進措施

鈦材軸出現(xiàn)問題主要是2個方面：一是現(xiàn)場工藝參數(shù)波動，其可通過合理規(guī)范操作規(guī)程可以避免。二是受裝置產(chǎn)能擴容影響，原有的攪拌系統(tǒng)不符合要求，如原有攪拌軸的輪轂連接板強度無法滿足生產(chǎn)需要。必須在新軸制造時就加以改進。

（1）保證液面高度在工藝允許范圍內(nèi)，并結(jié)合工藝操作參數(shù)，確定甩液盤將液體甩至設備內(nèi)壁所要求的攪拌最低轉(zhuǎn)速，以便達到?jīng)_洗效果。

（2）選擇變頻驅(qū)動，降低運行中所受的沖擊載荷，針對不同工況選擇不同的攪拌轉(zhuǎn)速，有物料沉積時不得強行啟動攪拌軸。

（3）更換螺栓材料，選擇高強度且耐腐蝕合金來制造螺栓，如Hastelloy C-22，增加連接板厚度，由原20 mm增厚至24 mm，螺栓數(shù)量增至4個。

（4）優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)。鑒于裝置產(chǎn)能擴容并利用原來的舊氧化反應器，內(nèi)部的液面相應提高至上封頭線附近（高度增加500 mm）。為滿足生產(chǎn)需求，綜合計算和借鑒以往檢修經(jīng)驗，將斜直槳和U形槳相對于原鈦材軸的位置提高300 mm。通過將連接部位加厚，增設加強筋板（圖8）的方式，解決連接板強度不夠的問題。

（5）優(yōu)化鈦焊接工藝，為提高焊縫質(zhì)量，焊接時必須保證：焊接區(qū)的母材在250℃以上，不受活性氣體 N、0、H 及有害雜質(zhì)元 素 C、Fe、Mn的污染；不能形成粗晶組織；不能產(chǎn)生較大的焊接殘余應力和殘余變形。

圖8 斜直槳輪轂連接板背部加筋板圖

三、鈦材軸制造技術(shù)要點

新軸制造時，優(yōu)化了輪轂連接結(jié)構(gòu)，重點對鈦軸的機加工、壓力成型、焊接3方面進行質(zhì)量把關(guān)。

1.主軸及槳葉的機加工

鑒于鈦本身的物理化學特性，如熱導率小、彈性模量小、高溫化學活性等，鈦軸在機加工過程中，很容易造成刀具崩刃和切屑燃燒現(xiàn)象。鈦軸的機加工，主要是如何避免工件和刀具的溫度上升過大，即抑制或控制切削所產(chǎn)生的熱量。為此機加工時應注意3點。

（1）選擇運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的機床，降低因機床本身因素造成刀具崩刃的后果。

（2）刀具伸出長度要小，采用較低的切削速度和大的進刀量（表1、表2）。

（3）加工部位盡量一刀完成，避免中途停止走刀，否則會引起加工硬化、產(chǎn)生燒結(jié)及擠裂現(xiàn)象而損壞刀具，同時使用足量的潤滑切削液。

表1 車削加工參數(shù)

表2 擴孔加工參數(shù)

2.U形槳葉壓力成型

壓力加工時鈦具有4個特性：①由于鈦的屈服強度較高、所需的外載荷較大。②彈性模量小，屈服強度與其比值大，冷壓力加工時彈性回彈大。③對切口及表面缺陷的敏感性高，壓制時易產(chǎn)生裂紋。④熱成型時，鈦易與空氣中的氣體其反應，因被污染而降低力學性能。

鈦的壓力加工特點總結(jié)起來就是“外力大、回彈大、易開裂、易污染”。U形槳葉是整個鈦材軸中的核心槳，其外形尺寸的好壞直接關(guān)系到整個攪拌系統(tǒng)的效率。受槳葉較厚（24 mm）以及外形呈U形特點的原因（圖9），若U形槳葉進行整體壓制成型，不僅所需外載荷大，所需的胎具也大而復雜，冷成型極易出現(xiàn)裂紋，而采用熱成型加工，又易造成污染。

圖9 U形槳葉結(jié)構(gòu)示意圖

綜上分析，最終采用將槳葉對稱分成2片，單獨壓制，壓制成型后焊接在一起的方式。這樣，所需的外壓力小，胎具也小而簡單，可以采用冷成型。

壓力加工時還應注意：整個壓制過程采用“深沖壓”工藝，即考慮到鈦的回彈大，模具設計時將端頭部位的弧度適當加大。為避免出現(xiàn)裂紋，采用緩慢加壓，多次加壓的方式。為保證槳葉端頭的外形尺寸，單片槳葉展開長度在端頭彎曲部位加長100 mm，壓制后機加工去除。

3.焊接

鈦材軸焊接的核心要點是在整個制造過程中有效避免污染。為保證焊縫質(zhì)量，應注意以下事項。

（1）鈦的焊接應在獨立的清潔廠房內(nèi)進行。

（2）盡量采用機械加工方法下料，采用等離子切割時，預留加工量并機械加工去除熱影響區(qū)。

（3）焊前用專用砂輪對鈦的坡口及焊絲表面的油脂、氧化皮等進行清理。

（4）焊接過程中，焊工配發(fā)專用工作服、清潔手套、橡膠鞋或其他軟底鞋，吊裝時吊鉤與鈦表面接觸處應采用鈦墊塊或銅墊塊，嚴禁用鐵器敲打鈦材表面。

（5）焊接時遵守如下規(guī)程，做好保護（背部保護采用專利：一種可變角度氬氣輔助保護裝置），若受到污染必須將污染層全部除掉后才能重新補焊。

焊接時采用鎢級氬弧焊工藝，ERTA2Φ2 mm焊絲，直流負電極（DCEN），電流 100～120 A，電壓 12～14 V，焊速 70～90 mm/min。 氬氣流量，噴嘴 8～10 L/min，輔助保護氬氣流量（正/背），10～16 L/min。

（6）為降低焊接過程產(chǎn)生的熱量，采用小電流多道焊的焊接方式，焊接前檢查前一道焊縫是否受到污染，無誤后方可進行下一道焊接。

（7）每道焊縫應進行外觀檢查。用10倍放大鏡檢查焊縫表面的氣孔、夾渣、焊穿、未焊透、咬邊、裂紋及其他表面缺陷。對于直徑＜0.5 mm的氣孔和夾渣以及深度＜0.5 mm的咬邊，允許用120目鋁粒砂輪打磨圓滑。對于超過上述尺寸的缺陷，則要求將缺陷完全去除后補焊。

（8）每道焊縫應進行顏色檢查。焊縫及熱影響區(qū)表面顏色應呈銀白色。對于呈金黃色部位應用酸洗去除金黃色后可以使用。其余顏色按不合格處理，將缺陷完全去除后補焊。檢測標準見表3。

表3 鈦焊縫和熱影響區(qū)表面顏色的規(guī)定

（9）外觀檢查及顏色檢查合格后對接焊縫進行RT，100%，II級合格檢測，角焊縫進行PT，100%Ⅰ級合格檢測。

（10）無損檢驗合格后酸洗鈍化處理。

四、結(jié)論

結(jié)合舊鈦材軸的故障分析和改進措施，在新鈦材軸的制造過程中，有針對性地進行了改進，并著重對機加工，U形槳葉的壓力成型以及焊接3方面施行質(zhì)量保證措施，對整個制造過程的各個質(zhì)量控制點均有記錄，整個產(chǎn)品的制造過程自始至終處在全面質(zhì)量管理的質(zhì)保體系控制中，保證向用戶提供質(zhì)量合格的產(chǎn)品。