高速齒輪傳動離心式壓縮機轉(zhuǎn)子制造關(guān)鍵技術(shù)

張慶祥

（中國石油化工股份有限公司巴陵分公司，湖南 岳陽 414007）

GT032TIG2型離心式壓縮機轉(zhuǎn)子部件大都依靠進(jìn)口，如設(shè)備出現(xiàn)故障，需要國外的公司來修理，而且設(shè)備的維修和維護(hù)費用全部由購買方提供。另外，相關(guān)配件也需要從國外的制造商處進(jìn)口，不僅成本較高，維護(hù)周期長后，有時會造成停工，嚴(yán)重影響整個生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行，造成的經(jīng)濟(jì)損失無法估量的。因此，國內(nèi)自主生產(chǎn)研究離心式壓縮機的轉(zhuǎn)子是一種必然趨勢，不但能滿足生產(chǎn)需要，還可以從中學(xué)習(xí)生產(chǎn)工藝和技術(shù)經(jīng)驗，不僅節(jié)省成本，縮短核心設(shè)備檢修周期，并在技術(shù)升級起到了積極的作用，具有十分重要的研究價值和實用意義。

對于GT032TIG2型離心式壓縮機轉(zhuǎn)子而言，影響生產(chǎn)可行性的因素有葉輪軸向力、齒輪工作強度，但其關(guān)鍵在于弄清楚進(jìn)口轉(zhuǎn)子的材料。文章在研究轉(zhuǎn)子化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，確定轉(zhuǎn)子材料，并對該材料下葉輪軸向力和齒輪工作強度進(jìn)行驗算，并提出相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)計方案，生產(chǎn)出來的壓縮機轉(zhuǎn)子就能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

1 壓縮機轉(zhuǎn)子失效特點

壓縮機轉(zhuǎn)子部件主要起到對渦輪傳遞動力的作用，故稱作壓縮機轉(zhuǎn)子軸。為了實現(xiàn)該壓縮機轉(zhuǎn)子部件的國產(chǎn)化，首先弄清楚進(jìn)口壓縮機轉(zhuǎn)子的材料。為此，選取長時間工作后，出現(xiàn)裂紋的一段轉(zhuǎn)子材料進(jìn)行分析。

從裂紋處，以轉(zhuǎn)子軸中心線呈45°，發(fā)現(xiàn)裂紋有如下特征：①終斷區(qū)呈現(xiàn)白亮金屬顏色，斷口其余部分顏色呈銀灰色；②微觀觀察時，裂紋源區(qū)比較平坦且存在大量黑色區(qū)域，可能為源區(qū)的夾雜物引起或零件在使用過程中腐蝕造成的孔洞。

對源區(qū)材料進(jìn)行化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)含有較高的碳、氧，有鋁、鉀存在。去除斷裂轉(zhuǎn)子軸表面涂層，取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，可以判斷材料為31CrM0V9。斷裂轉(zhuǎn)子結(jié)果分析

（1）轉(zhuǎn)子軸在工作過程中主要承受扭力，從轉(zhuǎn)子軸裂紋宏觀特征看，裂紋是在正應(yīng)力作用下擴(kuò)展的。從打開后的斷口看，斷口無明顯塑性變形，斷口存在明顯的貝紋花樣，說明轉(zhuǎn)子軸是疲勞開裂。在貝紋區(qū)中心部位有黑褐色氧化物存在，可推測該處是經(jīng)過高溫氧化產(chǎn)生的，可能在淬火前己經(jīng)存在，即在轉(zhuǎn)子軸安裝使用前已存在缺陷。因此，從宏觀分析可以得出，轉(zhuǎn)子軸是由于使用前存在表面缺陷而引起的疲勞開裂。

（2）對裂紋源區(qū)的微觀形貌觀察及微區(qū)成分分析表明，裂紋源區(qū)存在大量氧化物和含有K，Al的夾雜物。擴(kuò)展區(qū)的形貌表明，開裂的金屬表面已受到腐蝕，可能與服役環(huán)境條件有關(guān)。

（3）對轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行的化學(xué)成分分析表明，制造材料為31CrM0V9，為中碳合金鋼，符合軸類零件的選材要求。

（4）零件心部硬度為29HRC，硬度略低，但仍符合軸類零件28~45HRC的要求。零件表面采用噴涂處理。

2 葉輪氣流軸向力計算

在此選用31CrM0V9作為轉(zhuǎn)子制造材料，進(jìn)行軸向力校核。離心壓縮機葉輪做功使氣體獲得能量，氣體壓力升高。這樣葉輪產(chǎn)生一個軸向力，氣流軸向力主要由兩部分組成，一是葉輪兩側(cè)的氣體壓力不等，另一部分由氣體動力產(chǎn)生。

（1）氣體壓力不等所引起的軸向力，所受軸向力為：

31CrM0V9所能承受的壓力極限為5×106N。顯然，當(dāng)轉(zhuǎn)子材料選擇31CrM0V9時，是滿足上述軸向力要求，不會發(fā)生明顯變形情況。

3 齒輪強度驗算

根據(jù)GB/T3840-1997，對齒輪齒輪齒面接觸強度、齒根彎曲強度進(jìn)行校核，若轉(zhuǎn)子制造材料為31CrM0V9，齒根應(yīng)力為160.6206N/mm2，接觸應(yīng)力為 524.326N/mm2，因此，接觸強度計算安全系數(shù)為2.00，彎曲強度計算安全系數(shù)為4.33。轉(zhuǎn)子制造材料選擇為31CrM0V9中碳合金鋼，是合適的。

4 國產(chǎn)化設(shè)計方案

在確定了轉(zhuǎn)子制造材料，確保該材料滿足轉(zhuǎn)子工作條件，即滿足軸向應(yīng)力要求和齒輪強度要求的基礎(chǔ)上，改造按照以下技術(shù)方案進(jìn)行:

首先，提供必要圖紙。對進(jìn)口原裝壓縮機轉(zhuǎn)子進(jìn)行高、低速動平衡試驗，檢查進(jìn)口轉(zhuǎn)子組件的狀況，并做好詳細(xì)記錄。收集原裝轉(zhuǎn)子各零件的材質(zhì)、機械性能等各項技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行力學(xué)分析和腐蝕性分析，對比篩選替代材料，進(jìn)行論證和決策。

然后，按測繪圖編制GT032TIG2型壓縮機轉(zhuǎn)子試制工序，備料，試制加工和熱處理。

其次，將加工好的GT032TIG2型壓縮機轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動平衡試驗和超轉(zhuǎn)試驗，進(jìn)行最后檢查、驗收，并油封。

最后，利用裝置大檢修的機會將國產(chǎn)化轉(zhuǎn)子安裝投用，機組通過空載運行，半負(fù)荷運行，滿負(fù)荷48h運行，機組排氣量、壓力、轉(zhuǎn)子振動值和軸承溫度等關(guān)鍵運行技術(shù)指標(biāo)符合原機設(shè)計值。

通過與國內(nèi)航空發(fā)動機企業(yè)的合作，利用裝置大檢修的機會我們將國產(chǎn)化轉(zhuǎn)子安裝投用，機組通過空載運行，半負(fù)荷運行，滿負(fù)荷48h運行，機組排氣量、壓力、轉(zhuǎn)子振動值和軸承溫度等關(guān)鍵運行技術(shù)指標(biāo)符合原機設(shè)計值。

GT032TIG2型循環(huán)氣體壓縮機檢修后，機組通過空載運行，半負(fù)荷運行，滿負(fù)荷48h運行，以及半年運行考核，機組排氣量、壓力、轉(zhuǎn)子振動值和軸承溫度等關(guān)鍵運行技術(shù)指標(biāo)符合原機設(shè)計值，該機組國產(chǎn)轉(zhuǎn)子性能基本和原裝轉(zhuǎn)子相當(dāng)，能夠完全替代進(jìn)口備件，說明本次轉(zhuǎn)子國產(chǎn)化改造非常成功。

5 結(jié)語

經(jīng)過積極地準(zhǔn)備，按照計劃逐步的推進(jìn)，GT032TIG2型離心式壓縮機轉(zhuǎn)子國產(chǎn)化的探索很順利，不僅學(xué)習(xí)了國外最新技術(shù)，還通過使用最新的國產(chǎn)材料、測量側(cè)邊、加工設(shè)備以及檢測設(shè)備，GT032TIG2型離心式壓縮機轉(zhuǎn)子國產(chǎn)化的改造成本不到原有的一半，具有相當(dāng)高的經(jīng)濟(jì)成本。國產(chǎn)的壓縮機轉(zhuǎn)子投入使用實際運行的測試結(jié)果表明，國產(chǎn)的壓縮機轉(zhuǎn)子性能完全滿足機組安全運行的需要。通過探索GT032TIG2型離心式壓縮機轉(zhuǎn)子國產(chǎn)化改造，提高設(shè)備管理的積極性，為進(jìn)口單位備件管理提供有效的輔助手段和有效的管理辦法，以確保機器運行穩(wěn)定，提高機器的利用率，探索GT032TIG2型離心式壓縮機轉(zhuǎn)子國產(chǎn)化改造的方法對其它的進(jìn)口設(shè)備技術(shù)改進(jìn)具有借鑒意義。