陶軍，米孜拉夫·麥麥提，馬斌良，馬彪

（中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司，新疆 獨山子 833699）

聚丙烯裝置反應(yīng)器攪拌軸故障的原因分析及處理

陶軍，米孜拉夫·麥麥提，馬斌良，馬彪

（中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司，新疆 獨山子 833699）

針對聚丙烯裝置攪拌器輸入短軸多次在鍵槽位置處開裂的問題，首先通過有限元分析發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中是造成攪拌器輸入短軸鍵槽位置發(fā)生開裂的重要原因。本文對比不同材料的化學組分，選用力學性能更好的34NiCrMo16作為輸入軸的材料；采用盤銑刀加工鍵槽尾部，改進鍵槽尾部加工工藝，降低鍵槽尾部應(yīng)力集中，修訂操作卡，優(yōu)化操作。現(xiàn)場實際使用效果證明，采取改進措施后，該輸入端軸的綜合使用性能大大提高。

鍵傳動；斷裂；鍵槽加工工藝；應(yīng)力集中

鍵傳動是機械傳動中最常見的傳動方式，一旦在工作中發(fā)生失效現(xiàn)象，輕則造成設(shè)備故障，重則造成裝置停工，往往會造成很大的安全事故和經(jīng)濟損失。某聚丙烯裝置一反應(yīng)器攪拌器34-M-2001輸入短軸采用雙C型平鍵與電機輸出軸聯(lián)軸器相連接，另一端與攪拌器相連接，帶動攪拌器工作（圖1）。該攪拌器輸入軸的額定轉(zhuǎn)速15r/min，額定功率299kW，最大功率388kW，在使用過程中，輸入短軸鍵槽處多次產(chǎn)生裂紋（圖2），為了檢修，整條生產(chǎn)線不得不停產(chǎn)，給乙烯廠造成了很大的經(jīng)濟損失。

圖1 攪拌器傳動結(jié)構(gòu)圖

圖2 輸入短軸斷裂位置圖

1 原因分析

為了能夠準確分析鍵槽開裂失效的原因，通過三維軟件建立攪拌器輸入短軸的三維模型，利用有限元分析軟件對輸入短軸進行應(yīng)力分析，按照該短軸軸實際承受的額定扭矩載荷加載，所得到的輸入端軸應(yīng)力分布情況如圖3所示。由圖3可知，該軸在鍵槽尾部出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達到275．5MPa；該應(yīng)力集中位置與實際裂紋出現(xiàn)位置基本一致，說明出現(xiàn)裂紋的原因為該軸鍵槽尾部應(yīng)力超過了材料的剪切強度。結(jié)合生產(chǎn)實際情況，分析認為有三種原因造成應(yīng)力超過許用應(yīng)力強度。

圖3 輸入端軸有限元應(yīng)力分布云圖

1.1 工藝波動，攪拌器中粉料結(jié)塊

由于生產(chǎn)工藝波動，攪拌器內(nèi)部存在硬質(zhì)塊料（圖4 ），攪拌器扭矩不穩(wěn)定，經(jīng)常性的出現(xiàn)高負荷高扭矩的現(xiàn)象，嚴重時造成攪拌器槳葉損壞（圖5）。這種攪拌器交變扭矩變化和瞬間超負荷，在軸鍵槽尾部應(yīng)力集中處產(chǎn)生較高的應(yīng)力，超過許用強度，出現(xiàn)疲勞裂紋，最后斷裂。

圖4 攪拌器葉片掛料

圖5 攪拌器槳葉斷裂破損

1.2 選材不合適，材料力學性能低

攪拌器輸入短軸材質(zhì)選用的是34CrNi3Mo，這種材料為中碳鉻鎳鉬合金調(diào)質(zhì)炮管鋼，主要用于重型機械中承受高負荷及大尺寸的部件，如高負荷傳動件、緊固件、曲軸等，查閱相關(guān)技術(shù)手冊，34CrNi3Mo中Cr含量為0．70%～1．10%，Ni含量為2．75%～3．25%。眾所周知，Cr元素可以提高鋼的淬透性，并有二次硬化作用；Ni元素可以提高材料的塑性及韌性，此次輸入短軸鍵槽產(chǎn)生裂紋，一是因為強度不夠，二是因為韌性不好，需要選擇Cr、Ni含量更高的材料作為輸出短軸的原材料。

1.3 材料幾何結(jié)構(gòu)的不連續(xù)是造成應(yīng)力集中的重要因素

現(xiàn)場輸入短軸鍵槽幾何外形不連續(xù)，造成此處應(yīng)力集中，使輸入軸產(chǎn)生疲勞裂紋。有限元分析也證實了應(yīng)力集中這個問題。為避免應(yīng)力集中造成的輸入短軸破壞，必須采取有效措施來改善軸件外形。

2 優(yōu)化改進方案

根據(jù)輸入短軸鍵槽開裂的原因，有針對性的采取以下改進優(yōu)化方案。

2.1 優(yōu)化工藝操作，保證設(shè)備平穩(wěn)運行

反應(yīng)器34R2501會根據(jù)市場情況生產(chǎn)不同牌號的產(chǎn)品，主要產(chǎn)品牌號為K9928、T4401、K8003、K9928H和K9930H，不同產(chǎn)品所用的催化劑不同，反應(yīng)所要求控制的溫度不同，因為降本增效，生產(chǎn)用的進口催化劑改用國產(chǎn)催化劑，國產(chǎn)催化劑性能不穩(wěn)定，員工操作經(jīng)驗少，在連續(xù)轉(zhuǎn)產(chǎn)過程中，會由于操作不當造成反應(yīng)器達到粉料暴聚溫度（圖6 ），形成粉料結(jié)塊。不同牌號轉(zhuǎn)產(chǎn)過程中，反應(yīng)器34R2501注氧抑制反應(yīng)，34R2501負荷快速下降，造成34R2501乙烯丙烯比升高（圖7），反應(yīng)器結(jié)塊。在生產(chǎn)過程中，反應(yīng)器產(chǎn)率比居高不下，會因為高產(chǎn)率比導(dǎo)致反應(yīng)器產(chǎn)生大量高乙烯含量塊料。因此車間重新修訂操作卡，加強培訓(xùn)，嚴格控制反應(yīng)器反應(yīng)溫度；牌號轉(zhuǎn)產(chǎn)時，嚴格控制注氧量，通過控制反應(yīng)器負荷下降速度來調(diào)控乙烯丙烯比；控制合適的產(chǎn)率比，避免長時間的高產(chǎn)率比。

圖6 11月30日34R2501溫度波動曲線

圖7 11月30日34R2501乙烯丙烯比波動曲線

2.2 選用力學性能更好的材料

雖然34CrNi3Mo是力學性能比較好的中碳合金調(diào)質(zhì)鋼，目前國內(nèi)還有一種合金鋼材料34NiCrMo16適合用于軸零件制作，對比兩種材料化學元素含量（表1），34NiCrMo16的Cr含量和Ni含量比34CrNi3Mo高，Mn含量低。錳元素雖然能夠細化珠光體組織以改善鋼的力學性能，但其有增加晶粒粗化和回火脆性的不利傾向。根據(jù)工件的實際尺寸，通過實驗檢測兩種材料的力學性能（表2），發(fā)現(xiàn)34NiCrMo16的綜合力學性能要優(yōu)于34CrNi3Mo的綜合力學性能。因此通過選用34NiCrMo16來盡可能的提高輸入短軸的綜合力學性能。

2.3 改進鍵槽尾部加工工藝

幾何形狀的不連續(xù)是導(dǎo)致應(yīng)力集中重要的原因，因此通過改進加工工藝，選用盤銑刀代替面銑刀，鍵槽寬度為50．8mm，采用標準R25的盤銑刀加工鍵槽。通過有限元軟件進行分析，發(fā)現(xiàn)用盤銑刀加工的鍵槽尾部應(yīng)力集中情況明顯優(yōu)于面銑刀加工的鍵槽尾部情況；應(yīng)力最大值為224．24MPa，應(yīng)力最大值降低了18．7%。

表1 34CrNi3Mo和34NiCrMo16化學成分對比

表2 34CrNi3Mo和34NiCrMo16機械性能對比

2.4 將鍵傳動改造成錐套傳動

經(jīng)過有限元分析，可以發(fā)現(xiàn)不論是改變鍵槽結(jié)構(gòu)還是改進鍵槽加工工藝，都不可避免的在鍵槽處產(chǎn)生應(yīng)力集中，為了徹底消除輸入短軸鍵槽處的應(yīng)力集中，必須改變傳動結(jié)構(gòu)。

圖8 改造前的鍵傳動

圖9 改造后的錐套傳動

圖8所示為改造前的鍵傳動方式，圖9為改造后的傳動方式，我們將聯(lián)軸器輸出端法蘭套管部分消薄，設(shè)計一個配套的錐形套，通過鎖緊環(huán)、錐套使得聯(lián)軸器輸出端法蘭套管部分變形，抱緊輸入短軸，通過周向摩擦力進行傳動（圖9）。這種錐套傳動結(jié)構(gòu)克服了軸幾何不連續(xù)造成的應(yīng)力集中，提高輸入短軸的使用壽命。

3 結(jié)語

該輸入短軸鍵槽處出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象主要原因是原設(shè)計不合理造成的，通過材質(zhì)、鍵槽加工工藝、生產(chǎn)操作、傳動結(jié)構(gòu)等4個方面的改進，可以提高輸入短軸的使用壽命，目前通過對舊軸采用新的加工工藝進行鍵槽修復(fù)，根據(jù)優(yōu)化后的操作卡進行生產(chǎn)操作，取得了良好的使用效果，使用壽命從3個月延長到10個月，新購傳動軸采用新的材質(zhì)和錐套傳動結(jié)構(gòu)。

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