董海波(中海煉化惠州煉化分公司煉油一部， 廣東 惠州 516086)

0 引言

某硫酸法烷基化裝置HUE 63-11500-10070型反應(yīng)器，美國(guó)杜邦公司專利設(shè)備，電機(jī)功率306.1kW，葉輪轉(zhuǎn)速2950r/min，額定電流48A，轉(zhuǎn)子軸材質(zhì)S.A.E 4140 相當(dāng)于國(guó)標(biāo)的42CrMo。具體化學(xué)成分如表1。反應(yīng)器管程的設(shè)計(jì)壓力為0.69MPa，程的設(shè)計(jì)壓力為0.82MPa，設(shè)計(jì)溫度為199℃。材質(zhì)：ASME SA 516-70(低溫設(shè)備用低合金鋼)，與國(guó)產(chǎn)16MnR相當(dāng)。組件：電機(jī)輸入軸(材質(zhì)是SAE 4140 國(guó)產(chǎn)42CrMo4 42CD4)、攪拌葉輪(3片，材質(zhì)是Ni－resist 耐蝕鎳合金)、機(jī)械密封及導(dǎo)流板等，是杜邦公司專利設(shè)備中技術(shù)含量最高的部分。

本烷基化裝置采用STRATCO硫酸法烷基化工藝，同時(shí)運(yùn)行兩2臺(tái)反應(yīng)器及兩2臺(tái)酸沉降器。硫酸先流入第一級(jí)反應(yīng)器A，第一級(jí)酸沉降器的中等濃度酸將流入第二級(jí)反應(yīng)器B。烷基化反應(yīng)器是烯烴與異丁烷在硫酸作催化劑的情況下反應(yīng)的主要場(chǎng)所，是烷基化反應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備。烷基化反應(yīng)器可視為一臺(tái)連接有泵的換熱器，反應(yīng)器為烷基化過(guò)程提供最佳條件。工作原理示意圖如圖1。STRATCO接觸反應(yīng)器是一個(gè)臥式壓力容器，內(nèi)有混合葉輪、內(nèi)循環(huán)管、以及用以帶走烷基化反應(yīng)熱的換熱管束。烴進(jìn)料進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)管混合葉輪的吸入側(cè)，葉輪將烴迅速分散在硫酸催化劑內(nèi)，形成一種酸烴乳化液。乳化液在葉輪的推動(dòng)下在反應(yīng)器內(nèi)高速循環(huán)。一部分乳化液從葉輪排出側(cè)離開(kāi)反應(yīng)器進(jìn)入酸沉降罐，在重力作用下烴相從乳化液中分離出來(lái)。較重的富酸乳化液沉淀到容器低部并返回到反應(yīng)器混合葉輪的吸入側(cè)。為達(dá)充分反應(yīng)，必須進(jìn)行液力攪拌。取出反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量。U型管束內(nèi)通入大量冷劑取走烷基化反應(yīng)所產(chǎn)生的大量熱量，冷劑來(lái)自于流出物致冷系統(tǒng)，它利用未反應(yīng)的液相丙烷、異丁烷、丁烯，降壓閃蒸進(jìn)入反應(yīng)器管束吸熱，使反應(yīng)溫度降低，效率提高。這樣，葉輪在接觸反應(yīng)器與酸沉降器之間起到了一個(gè)乳化液循環(huán)泵的作用。烴和硫酸在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)多次循環(huán), 達(dá)到充分接觸, 完成烷基化反應(yīng)。

圖1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理示意

表1 轉(zhuǎn)軸化學(xué)成份分析

1 故障發(fā)生時(shí)基本情況

2014年12月25日烷基化裝置攪拌機(jī)A電流驟降，由37.6A降至21.8A；攪拌葉輪差壓由68.46kPa降至0.54kPa；酸烴重度上升，由1240.31kg/m3升至1766.54kg/m3；密封沖洗油差壓由2.78kPa升至37.33kPa，各項(xiàng)參數(shù)反映攪拌機(jī)功率下降，表明葉輪可能損壞或磨損，葉輪幾乎沒(méi)有差壓顯示；現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)該機(jī)沒(méi)有葉輪攪拌的轟鳴聲，確認(rèn)葉輪不在工作狀態(tài)，判斷轉(zhuǎn)軸可能失效，速將該機(jī)組電機(jī)停運(yùn)，切換至B機(jī)單獨(dú)運(yùn)行，依靠B機(jī)維持裝置低負(fù)荷運(yùn)行。A機(jī)解體拆修，檢查葉輪和轉(zhuǎn)軸情況，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸在葉輪鍵槽根部以上20mm處斷裂，斷口無(wú)腐蝕跡象，檢查葉輪無(wú)明顯磨損，更換新轉(zhuǎn)軸回裝。

2 故障原因分析

根據(jù)技術(shù)人員反饋，調(diào)取了在轉(zhuǎn)軸斷裂前攪拌機(jī)運(yùn)行電流數(shù)據(jù)，表明攪拌機(jī)運(yùn)行電流未見(jiàn)大幅波動(dòng)，攪拌機(jī)工況良好，無(wú)異常振動(dòng)及雜音,說(shuō)明轉(zhuǎn)軸的扭矩都在允許范圍內(nèi)。拆解后發(fā)現(xiàn)，攪拌機(jī)葉輪上并沒(méi)有纏繞其他異物，排除因此而造成增加轉(zhuǎn)軸扭矩的可能。故障發(fā)生前幾個(gè)小時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員監(jiān)測(cè)到攪拌機(jī)振動(dòng)指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，

烷基化裝置操作中影響最大的變量為烯烴進(jìn)料流量及進(jìn)料組成。一般來(lái)說(shuō)，這些變量均不在烷基化裝置操作的控制范圍內(nèi)。因此，有必要了解烯烴進(jìn)料可能發(fā)生的每種變化或者這些變化的組合的影響。烯烴進(jìn)料中包括的組分輕至C2，重至C6烴(特別是進(jìn)料中具有相當(dāng)數(shù)量的戊烯時(shí))。當(dāng)進(jìn)料由C3、C4及C5烯烴組成時(shí)，即出現(xiàn)最復(fù)雜的烯烴進(jìn)料。這些不同的烯烴可生產(chǎn)不同產(chǎn)品質(zhì)量的化合物，耗酸量也不同，進(jìn)而將導(dǎo)致烷基化反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)后乳化液的密度也不同。通過(guò)調(diào)取一周內(nèi)攪拌機(jī)內(nèi)酸烴乳化液取樣分析，酸烴乳化液密度均在1240kg/m3左右，未見(jiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，排除了由于介質(zhì)密度過(guò)高從而使轉(zhuǎn)子承受更大的徑向力和軸向力，而造成轉(zhuǎn)子軸斷裂的可能性。兩臺(tái)反應(yīng)器除由于硫酸流量不同造成的輕微區(qū)別外，均是相同的。

反應(yīng)器攪拌機(jī)是烷基化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，日常巡查監(jiān)測(cè)的重要部位，故障前該反應(yīng)器運(yùn)轉(zhuǎn)聲音、電機(jī)振動(dòng)指標(biāo)、軸承溫度均監(jiān)測(cè)正常，排除電機(jī)軸與葉輪轉(zhuǎn)軸不同心導(dǎo)致增加徑向載荷，加大軸上的彎矩的可能性。

從攪拌機(jī)電機(jī)電流瞬間下降，直到電機(jī)空轉(zhuǎn)電流(21.8A)，可以推斷轉(zhuǎn)軸是在瞬間斷裂的。解體發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸表面及斷裂口均無(wú)介質(zhì)腐蝕跡象，見(jiàn)圖2(轉(zhuǎn)軸表面鈷鉻鎢CoCrW合金鍍層完好)，斷裂面經(jīng)仔細(xì)觀察，未發(fā)現(xiàn)橫向表面或近表面裂紋類缺陷。斷口表面較光滑，為脆性斷口，斷口處未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等內(nèi)部缺陷。排除轉(zhuǎn)軸制造材質(zhì)缺陷(資料顯示轉(zhuǎn)軸材質(zhì)為S.A.E 4140 ，相當(dāng)于國(guó)標(biāo)的42CrMo，與光譜材質(zhì)鑒定吻合)。

轉(zhuǎn)軸牌號(hào)：S.A.E 4140，S.A.E是(美國(guó))汽車工程師協(xié)會(huì)(Society of Automotive Engineers)的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)，此標(biāo)準(zhǔn)同ASTM 4140 和 AISI 4140 ，4140是材料的牌號(hào)，它屬于合金結(jié)構(gòu)鋼，熱處理后有較好的強(qiáng)度和良好的綜合力學(xué)性能，最高使用溫度為 427℃。相當(dāng)于國(guó)標(biāo)的42CrMo，日標(biāo)的SCM440，德標(biāo)(歐標(biāo))的42CrMo4。

從斷裂的部位產(chǎn)生在鍵槽根部看，斷裂面是應(yīng)力集中部位，整根轉(zhuǎn)軸的最薄弱部位(圖2)，判斷是應(yīng)力疲勞損壞。由于應(yīng)力集中、疲勞等原因，產(chǎn)生裂紋，當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界尺寸時(shí)，就會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆斷的事故。查閱設(shè)備隨機(jī)技術(shù)資料，材料選擇及熱處理正確，安全系數(shù)較高，強(qiáng)度完全滿足要求。從圖片看斷裂屬于在交變應(yīng)力下金屬的失效現(xiàn)象。

綜合分析，產(chǎn)生應(yīng)力疲勞斷裂的可能原因有：

轉(zhuǎn)軸斷裂部位是鍵槽根部，應(yīng)力集中部位；

(1)鍵槽處加工質(zhì)量差，應(yīng)力集中處往往易生成裂紋并發(fā)展。

(2)轉(zhuǎn)軸鍵槽處制造缺陷，鍵槽的過(guò)渡圓角設(shè)計(jì)不合格。

(3)攪拌介質(zhì)為酸烴，電機(jī)啟動(dòng)的瞬間，轉(zhuǎn)軸承受的運(yùn)行力矩大。

(4)工藝上操作變化大，葉輪攪拌負(fù)載交變。

(5)攪拌機(jī)葉輪及轉(zhuǎn)子軸的動(dòng)不平衡不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

圖2 斷軸整體及斷口形貌

3 整改預(yù)防措施

(1)更換備用轉(zhuǎn)軸，測(cè)繪轉(zhuǎn)軸尺寸，加工備用轉(zhuǎn)軸，重點(diǎn)控制鍵槽的過(guò)渡圓角處理。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避免尖角、缺口和截面突變，即把棱角改為過(guò)度圓角，適當(dāng)增大過(guò)渡圓弧的半徑，以免產(chǎn)生應(yīng)力集中而由此產(chǎn)生疲勞裂紋。提高軸表面加工質(zhì)量，減少疲勞源。

(2)表面強(qiáng)化：對(duì)材料表面作噴丸、滾壓、氮化等處理，可以提高材料表面的疲勞強(qiáng)度加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)軸的調(diào)質(zhì)處理。熱處理規(guī)范(調(diào)質(zhì)處理)：880℃，1h 油淬，560℃，2h回火,空冷。金相組織：回火馬氏體。

(3)在安裝與維修時(shí)應(yīng)仔細(xì)調(diào)整其位置，保證兩軸同心。裝配時(shí)保證裝配精度。

本次葉輪軸在折斷的同時(shí)，電機(jī)輸入端同樣也會(huì)承受來(lái)自于葉輪方面的徑向力，如果這個(gè)徑向力同時(shí)超出了二者所能承受的最大徑向負(fù)荷的話，其結(jié)果也會(huì)使電機(jī)輸入端產(chǎn)生變形甚至斷裂。因此，在更換備用新轉(zhuǎn)軸時(shí)保證同心度至關(guān)重要。

(4)注B機(jī)的運(yùn)行狀況，做好下一周期檢修計(jì)劃，重點(diǎn)檢查轉(zhuǎn)軸完好狀況。

(5)工藝上平穩(wěn)操作，盡量避免操作波動(dòng)，引起反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)密度和粘度的大幅變化對(duì)轉(zhuǎn)子的沖擊，降低對(duì)轉(zhuǎn)軸的負(fù)荷影響。

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