付海曦，李 鋒，張韶偉，許春偉，辛宏亮

（1.中國(guó)海油惠州石化有限公司儲(chǔ)運(yùn)部，廣東 惠州 516086；2.中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516086）

濕式螺桿火炬氣壓縮機(jī)工作原理是在壓縮機(jī)腔內(nèi)噴入霧狀柴油冷卻液，對(duì)被壓縮的氣體進(jìn)行內(nèi)冷卻，氣液混合經(jīng)過冷卻器降溫，再經(jīng)過氣液分離器分離，火炬氣進(jìn)入燃料氣管網(wǎng)，而柴油繼續(xù)回到壓縮機(jī)進(jìn)氣口，不間斷地對(duì)進(jìn)入壓縮機(jī)的火炬氣循環(huán)冷卻［1~3］。

螺桿轉(zhuǎn)子是螺桿壓縮機(jī)的核心部件，壓縮機(jī)工作時(shí)，1 對(duì)相互嚙合的轉(zhuǎn)子為氣體提供1 個(gè)密閉的壓縮空間，其要有良好的密封性，但是作為核心部件有時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷裂的嚴(yán)重故障，不僅影響螺桿壓縮機(jī)的正常工作，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事故［4~6］。劉冰等［7］通過分析火炬氣回收壓縮運(yùn)行狀況提出火炬氣壓縮機(jī)改造方案。陶濤［8］分析了螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸斷裂的影響因素和預(yù)防措施。吳世奇［9］提出了螺桿壓縮機(jī)檢修的關(guān)鍵點(diǎn)。

以上研究為解決火炬氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子斷裂問題提供了良好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。但在斷裂的機(jī)理方面尚需深入研究。

文中利用光譜儀、金相顯微鏡、掃描電鏡等手段對(duì)斷裂轉(zhuǎn)子的材質(zhì)、陰轉(zhuǎn)子斷口微觀形貌觀察和元素成分等進(jìn)行了表征，從轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)選型、材料分析、轉(zhuǎn)子受力、系統(tǒng)工況等多個(gè)維度分析其斷裂的機(jī)理并找出斷裂的原因，并提出解決方案。

1 故障情況

某煉油廠的火炬氣壓縮機(jī)采用LG60/0.85 型無(wú)油濕式雙螺桿壓縮機(jī)，使用過程中進(jìn)氣端徑向軸瓦水平位置曾出現(xiàn)振動(dòng)速度超過10 mm/s 的情況，需要對(duì)其開展預(yù)防性維修。

檢查中發(fā)現(xiàn)陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子表面有嚴(yán)重的磨損，其中2根轉(zhuǎn)子在迷宮密封梳齒位置磨出溝槽，正常情況下迷宮密封的梳齒與轉(zhuǎn)子之間有一定間隙，但通過肉眼觀察，梳齒密封表面有較多的雜質(zhì)，該間隙完全被堵塞，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中與梳齒密封產(chǎn)生持續(xù)摩擦，導(dǎo)致陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子都在此位置出現(xiàn)了多條環(huán)形規(guī)則的凹槽。

初步分析，該煉油廠的火炬氣長(zhǎng)期存在較多的雜質(zhì)顆粒，很多細(xì)小的雜質(zhì)可以穿過過濾器進(jìn)入機(jī)體，在機(jī)體內(nèi)不斷累積，直到充滿迷宮密封與轉(zhuǎn)子之間的間隙。

為修復(fù)轉(zhuǎn)子磨損問題，有針對(duì)性地進(jìn)行了激光熔覆維修，但維修后投用2 d 便出現(xiàn)同位置水平振速超過11 mm/s 并伴有嚴(yán)重嘯叫的情況，解體后發(fā)現(xiàn)排氣端陰轉(zhuǎn)子軸斷裂，陰轉(zhuǎn)子斷裂位置在陰轉(zhuǎn)子排氣端迷宮密封與干氣密封的變徑處，斷裂具體位置見圖1。

圖1 壓縮機(jī)陰轉(zhuǎn)子的斷裂位置及斷口形貌（梳齒側(cè)）

2 斷面的檢測(cè)分析

螺桿壓縮機(jī)工作時(shí)，陽(yáng)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)陰轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)陰轉(zhuǎn)子完全斷開時(shí)，由于陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子之間的嚙合，斷裂的陰轉(zhuǎn)子不會(huì)馬上停止轉(zhuǎn)動(dòng)，2 個(gè)匹配的陰轉(zhuǎn)子斷口上的凹起處會(huì)發(fā)生磨損。整體來(lái)看，陰轉(zhuǎn)子斷口平齊，無(wú)明顯的腐蝕痕跡和塑性變形，呈脆性斷裂特征。

裂紋起源于陰轉(zhuǎn)子軸的圓周表面，有許多個(gè)裂紋源，裂紋由陰轉(zhuǎn)子軸表面向陰轉(zhuǎn)子中心擴(kuò)展，斷口上可見“貝殼狀”條紋，最后瞬斷區(qū)在陰轉(zhuǎn)子軸的中心處，陰轉(zhuǎn)子斷口不是1 個(gè)平面，而是像“皿”的曲面，即皿狀斷口。

將陰轉(zhuǎn)子斷口按鐘表盤時(shí)針位置劃分，在陰轉(zhuǎn)子斷口整個(gè)圓周的任何邊緣處，均有裂紋源存在，裂紋均起源于陰轉(zhuǎn)子軸肩處，向陰轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部擴(kuò)展，匯集在陰轉(zhuǎn)子中心處，最終造成陰轉(zhuǎn)子的完全斷裂。因此初步判斷，陰轉(zhuǎn)子斷裂失效性質(zhì)為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。

2.1 陰轉(zhuǎn)子的材質(zhì)分析

在陰轉(zhuǎn)子上取塊狀樣品，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用光譜儀對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見表1。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，陰轉(zhuǎn)子的材質(zhì)符合2Cr13不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)［10］。

表1 陰轉(zhuǎn)子材質(zhì)的化學(xué)成分/%

2.2 陰轉(zhuǎn)子的金相分析

在陰轉(zhuǎn)子上切取金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察，使用顯微硬度計(jì)測(cè)試其硬度。斷裂的陰轉(zhuǎn)子軸表面有激光熔覆層，但緊靠變徑處有約3 mm 寬的無(wú)激光熔覆層的環(huán)形區(qū)域，此環(huán)形區(qū)域形成了1 個(gè)下凹溝槽，裂紋起源于該處。而且，此環(huán)形區(qū)域的軸表面十分粗糙且伴有坑的存在，造成陰轉(zhuǎn)子軸處嚴(yán)重的應(yīng)力集中。

陰轉(zhuǎn)子表面有0.5~2.0 mm 厚度不等的激光熔覆層，其金相組織為很細(xì)的鑄態(tài)柱狀晶；熔覆層下有0.6~0.7 mm 厚的淬硬熱影響區(qū)，其金相組織為馬氏體［11］，陰轉(zhuǎn)子的金相組織為回火索氏體。同時(shí)對(duì)陰轉(zhuǎn)子的硬度進(jìn)行檢測(cè)，陰轉(zhuǎn)子基體硬度為HV0.2284.9。陰轉(zhuǎn)子表面有0.5~2.0 mm 的鈷基合金激光熔覆層，硬度為HV0.2352.7，激光熔覆層下的熱影響區(qū)硬度較高，為HV0.2477.9［12］，見表2。

表2 陰轉(zhuǎn)子的硬度（HV0.2/10 s）

2.3 陰轉(zhuǎn)子斷口等的電鏡分析

利用掃描電鏡，對(duì)陰轉(zhuǎn)子斷口等進(jìn)行微觀形貌觀察和元素成分能譜分析。

2.3.1 陰轉(zhuǎn)子斷口裂紋起源于陰轉(zhuǎn)子表面處，有多個(gè)裂紋源，形成了多個(gè)臺(tái)階。能譜分析表明，陰轉(zhuǎn)子斷口裂紋源區(qū)由Fe、Cr、O元素構(gòu)成，還有少量的C、Si、S、Ca、Mn、等元素，見表3。

表3 陰轉(zhuǎn)子斷口裂紋源區(qū)的EDS

陰轉(zhuǎn)子斷口未發(fā)生明顯的腐蝕破壞。在陰轉(zhuǎn)子斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)出現(xiàn)的深色印跡，則是陰轉(zhuǎn)子斷裂過程中，裂紋擴(kuò)展到此處時(shí)，斷口反復(fù)互相擠壓磕碰形成的。

在陰轉(zhuǎn)子斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)，斷口表面受到了一定程度的磕碰，但在局部區(qū)域仍可看到疲勞裂紋擴(kuò)展的“輝紋線”。

在陰轉(zhuǎn)子斷口的最后瞬斷區(qū)（在軸的中心處），可見存在有大量的細(xì)小韌窩存在，見表4。

表4 陰轉(zhuǎn)子斷口瞬斷區(qū)的EDS

電鏡分析的結(jié)果表明，陰轉(zhuǎn)子斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

2.3.2 激光熔覆層分析對(duì)陰轉(zhuǎn)子表面激光熔覆層的能譜分析表明，該層是以Co 為主，含有Cr、Fe、Mn、Mo、Ni等元素的鈷基合金，經(jīng)激光熔覆而成。

在陰轉(zhuǎn)子斷口處軸肩3 mm 寬的沒有激光熔覆層區(qū)域上，圓球形顆粒物是激光熔覆時(shí)噴濺的鈷基合金，其它處則為陰轉(zhuǎn)子軸表面，見表5。

表5 陰轉(zhuǎn)子斷口軸肩處表面的EDS

2.4 斷面分析

對(duì)斷裂的陰轉(zhuǎn)子進(jìn)行了多項(xiàng)理化分析，確認(rèn)陰轉(zhuǎn)子斷裂失效性質(zhì)為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂，其主要影響因素為局部應(yīng)力集中和交變載荷作用。

2.4.1 局部應(yīng)力集中陰轉(zhuǎn)子斷裂在排氣端軸承座與機(jī)械密封的變徑處，該部位陰轉(zhuǎn)子截面尺寸發(fā)生變化，本身會(huì)存在一定程度的應(yīng)力集中。不僅如此，在軸肩根部還有大約3 mm 寬的環(huán)向沒有激光熔覆層的區(qū)域，表面粗糙，有坑存在。對(duì)于陰轉(zhuǎn)子軸來(lái)說(shuō)，3 mm 寬的環(huán)向區(qū)域相當(dāng)于沿其圓周出現(xiàn)了1個(gè)環(huán)形溝槽，使得陰轉(zhuǎn)子變徑處的應(yīng)力集中程度更加嚴(yán)重。研究表明［13，14］，旋轉(zhuǎn)彎曲時(shí)，試樣圓周上各點(diǎn)所受最大應(yīng)力的幾率相同，雖然某處薄弱點(diǎn)早萌生裂紋，但當(dāng)環(huán)形刻槽在受壓狀態(tài)時(shí)，其它點(diǎn)相繼轉(zhuǎn)到受最大拉應(yīng)力位置，使環(huán)形刻槽在最大拉應(yīng)力狀態(tài)下相繼萌生疲勞裂紋，從四周同時(shí)向心部擴(kuò)展，形成封閉式的瞬斷區(qū)，隨著名義應(yīng)力增大，瞬斷區(qū)移向心部。陰轉(zhuǎn)子的斷裂形式正是發(fā)生旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂的典型特征。

2.4.2 外部交變載荷螺桿壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)，利用機(jī)腔內(nèi)1 對(duì)相互嚙合的陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子在機(jī)體內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)行，周期性地改變轉(zhuǎn)子每對(duì)齒槽間的容積來(lái)完成氣體的吸入、壓縮和排出3 個(gè)過程［15］。因此，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子均會(huì)受到交變載荷的作用，在陰轉(zhuǎn)子軸的驅(qū)動(dòng)端，其承受的交變載荷會(huì)更大一些。

綜上，陰轉(zhuǎn)子斷裂失效性質(zhì)為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。陰轉(zhuǎn)子變徑處存在著嚴(yán)重的應(yīng)力集中，在壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的交變載荷作用下，在陰轉(zhuǎn)子軸肩處圓周上產(chǎn)生了多個(gè)疲勞裂紋源，這些疲勞裂紋由陰轉(zhuǎn)子表面向其芯部不斷地?cái)U(kuò)展，導(dǎo)致陰轉(zhuǎn)子的有效承載截面不斷地減小，當(dāng)其減小到1個(gè)臨界尺寸時(shí)，即陰轉(zhuǎn)子的有效承載截面不足以承受外部應(yīng)力載荷時(shí)，就在陰轉(zhuǎn)子軸的中心處發(fā)生瞬斷，造成螺桿壓縮機(jī)陰轉(zhuǎn)子的失效。

3 防止斷裂發(fā)生方法

由于該煉油廠火炬氣的介質(zhì)含量復(fù)雜，含有大量瓦斯氣、硫化氫等易燃易爆和有毒氣體且混合空氣成分，易形成爆炸氣。

一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷裂會(huì)發(fā)生陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子與殼體碰撞，極易引發(fā)爆燃事故。此次故障出現(xiàn)，為某煉油廠不良的關(guān)鍵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)敲響警鐘，一些不容易被重視的操作問題、運(yùn)行環(huán)境問題和不當(dāng)?shù)木S修維護(hù)措施均可能導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生。通過上述檢測(cè)分析，找到了故障產(chǎn)生的原因和機(jī)理。因此，為避免事故再次發(fā)生，該廠對(duì)機(jī)組的選型、操作和維修策略做了如下調(diào)整，經(jīng)過改善后機(jī)組的運(yùn)行平穩(wěn)可靠，問題得到解決。

（1）由于煉油廠火炬氣介質(zhì)成分復(fù)雜，因此機(jī)組前端過濾尤為重要，除了在壓縮機(jī)入口設(shè)置過濾器外，有必要加入前端過濾、水洗的措施，保證進(jìn)入壓縮機(jī)組的介質(zhì)氣無(wú)雜質(zhì)、結(jié)晶物等，避免過多的雜質(zhì)堵塞迷宮密封，磨損轉(zhuǎn)子。

（2）為了保證轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及正常使用，需要對(duì)轉(zhuǎn)子嚴(yán)重磨損的表面進(jìn)行激光熔覆，激光熔覆熔池溫度在1 400 ℃以上，轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生淬硬層，內(nèi)部產(chǎn)生了一定深度的淬硬熱影響區(qū)，該區(qū)域表面硬度大幅提高，但抗剪力性能卻大幅減弱，當(dāng)承受較大瞬間扭矩時(shí)易產(chǎn)生脆性斷裂。因此，在轉(zhuǎn)子修復(fù)中應(yīng)盡可能避免使用激光熔覆的辦法修復(fù)轉(zhuǎn)子，如必須使用，需使用避免產(chǎn)生淬硬組織的加工工藝。

（3）在轉(zhuǎn)子的迷宮密封位置和干氣密封位置之間的軸肩有1條環(huán)形的退刀槽，而退刀槽未圓滑過渡，易產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。該煉油廠的轉(zhuǎn)子斷裂源全部在該槽內(nèi)的應(yīng)力集中處。在陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的選型和設(shè)計(jì)時(shí)，避免出現(xiàn)退刀槽，軸肩臺(tái)階圓滑過渡，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）針對(duì)某煉油廠火炬壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子斷裂的情況，對(duì)斷裂轉(zhuǎn)子的材質(zhì)、陰轉(zhuǎn)子斷口微觀形貌觀察和元素成分等進(jìn)行了表征，研究其斷裂的機(jī)理并找出斷裂的主要原因：由于在從動(dòng)軸表面進(jìn)行激光熔覆且熱處理不當(dāng)，在熔覆表面和相鄰軸肩處產(chǎn)生一定厚度的淬硬組織，在軸肩產(chǎn)生應(yīng)力集中，機(jī)組啟動(dòng)過程中瞬間加載扭矩產(chǎn)生轉(zhuǎn)子扭斷。

（2）提出了針對(duì)性解決方案，并在某煉油廠開展實(shí)施。如在煉油廠尾氣進(jìn)入氣柜前增加大流量過濾器，以此來(lái)徹底過濾掉煉油廠尾氣的固體雜質(zhì)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磨損時(shí)，避免使用激光熔覆方式來(lái)修復(fù)，可以改用電鍍鉻等低溫修復(fù)工藝替代；對(duì)現(xiàn)有陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子重新選型改造，消除軸肩“退刀槽”情況，改用圓滑過渡等措施。

（3）為行業(yè)內(nèi)提供案例參考和方案借鑒，其中在尾氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子選型、尾氣回收工藝包設(shè)計(jì)以及維修維護(hù)策略有重要參考價(jià)值。