螺桿壓縮機陽轉子軸斷裂及預防措施

陶 濤

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司，山東 東營 257000)

火炬氣來源于煉油廠的各煉油及輔助裝置，間斷排放，所含腐蝕性成分和固體雜質多，致使壓縮機故障率較高。該廠放火炬氣壓縮機采用LG-30/8 型濕式水冷雙螺桿壓縮機，使用過程中曾發生陽轉子軸斷裂，螺桿壓縮機型號為LG-30/8，濕式雙螺桿壓縮機，轉子為整體鍛件采用SRM 型線，直徑為255 mm，長徑比為1.65，材質為2Cr13，殼體材質為HT250(內部涂防腐層)。參數如下:進氣壓力0.002 MPa，進氣溫度40 ℃，排氣壓力0.8 MPa，出口溫度 不超過80 ℃，容積流量30 Nm3/min，轉速2 970 r/min。

原設計為噴柴油冷卻，后改為噴水冷卻。該壓縮機輸送介質為煉油廠放火炬的燃料氣，由氣柜輸送至高壓管網。主要成分:氫氣、氮氣、烷烴、烯烴、一氧化碳、二氧化碳和硫化氫等，硫化氫質量分數有時高達10%。

1 軸斷裂情況與腐蝕形貌觀察

壓縮機端面密封泄漏，振動及聲音增大，停機解體檢查發現陽轉子動力輸入端軸與梳齒密封磨損嚴重，軸的表面存在宏觀裂紋。采取軸的磨損部位機加工后鑲套的方法修復，組裝后檢查轉子嚙合間隙，軸承軸向游隙等均正常。投用后壓縮機運轉正常，無泄漏。連續運行約175 d，壓縮機陽轉子突然斷裂，位置位于陽轉子動力輸入端軸鑲套部位的根部，斷面呈蝶形，凹向鑲套。由于主動軸斷裂后，電機持續運行了一段時間，斷口受到嚴重磨損，通過端口分析來尋找斷裂源比較困難。但在端口的周邊上殘留有深約2.5 mm、長約50 mm 的月狀裂痕，內與深度約2 mm 的凹坑聯接，坑內表面凹凸不平，并存有少量腐蝕產物。宏觀觀察，整個轉子表面光亮，無任何一般腐蝕的痕跡(見圖1)。因此可以斷定，月牙狀裂痕為原始裂紋，是造成陽轉子軸發生腐蝕疲勞斷裂的根源之一［1］。

2 腐蝕產物分析

為找出斷裂發生的原因，從殘留的斷口凹坑處截取微小式樣，采用定點測量方式對凹坑表面的腐蝕產物進行多點能譜(EXD)分析，分析結果見表1。

由表1 可見:在式樣凹坑表面產物中，除材料的合金元素外，主要含有氧(質量分數最高達34.44%，最低為19.87%)、硫(質量分數最高達7.46%，最低為4.17%)等元素，說明腐蝕產物中主要成分是氧、硫與金屬的化合物，因而存在濕硫化氫應力腐蝕的可能性。此外還含有少量的鈉、鎂、鈣、鋁、鉀等元素，可能主要來自于壓縮氣體中夾帶的少量無機鹽類和催化劑粉末等。

圖1 螺桿壓縮機陽轉子軸斷裂Fig.1 Rupture picture of the male rotor in one screw compressor

表1 腐蝕產物進行多點能譜(EDX)分析的結果Table 1 Multipoint spectrum(EDX)analysis result of connosion product w，%

為進一步了解凹坑表面的腐蝕情況，用掃描電鏡(SME)觀察凹坑表面，高倍觀察可以看到:腐蝕產物組織疏松(主要是硫化亞鐵FeS)，有些地方有空洞，并且腐蝕凹坑底部有明顯的龜裂現象。

作為對壓縮機轉子材質的驗證，對轉子基體材料的化學成分進行了分析，分析結果見表2。

表2 轉子基體材料的化學成分分析結果Table 2 Chemical analysis result of the matrix material of the rotor w，%

表3 2Cr13 鍛件標準(GB1220)Table 3 2Cr13 Forgings Standard(GB1220)w，%

由表2、表3 可見，轉子基體中Cr 的含量基本符合2Cr13 的成分范圍。

3 轉子軸斷裂的影響因素分析

根據以上分析和端口形貌，可以認為螺桿壓縮機陽轉子軸的斷裂始于原始裂紋，在濕硫化氫環境下發生的腐蝕疲勞破壞，并存在有應力腐蝕開裂傾向。

3.1 磨損的影響

陽轉子軸的斷裂處位于梳齒密封與軸的磨損部位。梳齒密封與軸的磨損產生局部高溫，該螺桿壓縮機為噴水冷卻，高溫部位受到激冷，由于局部產生較大的熱應力以及因不同時發生馬氏體轉變所形成的組織應力，故2Cr13 材料易產生裂紋。

3.2 應力集中的影響

斷裂處位于陽轉子與軸的變徑處，截面變化大，退刀槽底部幾乎無過度圓角，應力集中傾向很大，由于截面變化大和冷卻(或傳熱)不均勻，更易形成較大的溫差熱應力。而且壓縮機運行過程中，上述狀況是不斷變化的，因此形成了交變應力狀態，很可能達到疲勞破壞的條件，產生疲勞裂紋。

3.3 介質腐蝕的影響

火炬氣由煉油廠各裝置放出，成分復雜，有時硫化氫質量分數高達10%。為節約新鮮水，壓縮機出口分液罐中的水注入壓縮機循環使用(少量補充新鮮水)，水質很差(由操作人員目測)時才大量置換，噴入壓縮機的水中會含有含量較高的H2S 和Cl-等。壓縮機轉子處于化學腐蝕和應力腐蝕的環境，而且軸的斷裂處受到各種應力作用，因此能達到應力腐蝕條件，產生應力腐蝕裂紋。

3.4 交變應力的影響

在承受彎矩旋轉彎曲的情況下，轉軸上的各個截面將受正弦規律連續交替作用的拉應力和壓應力，周邊上的各點的應力幅度最大。所以，一旦轉軸上出現疲勞源，疲勞源兩側會交替出現比內部應力大的拉應力，疲勞裂紋在兩側的擴展速度比向中心部位快。另外，由于旋轉，相當于彎曲載荷的作用面逆旋轉方向而動，致使疲勞裂紋的前沿順著載荷移動方向擴展的速度快，所以旋轉疲勞斷口的瞬斷區不在疲勞源的正對面，而是旋轉一個角度，通常可達15°。疲勞源有些情況是多點。圖2 為另一臺螺桿壓縮機陽轉子軸斷裂的情況。

圖2 另一臺螺桿壓縮機陽轉子軸斷裂Fig.2 Rupture picture of the male rotor in another screw compressor

3.5 馬氏體不銹鋼耐蝕性影響

馬氏體不銹鋼因其對鈍化膜破壞的自修復能力不足，在各類潮濕大氣和濕硫化氫介質中，均能發生點蝕和應力腐蝕。如1Cr13 鋼U 型式樣(熱處理制度:982 ℃，15 min 空冷至371 ℃回火，空冷;屈服強度1 000 MPa)，在實驗介質3%Na +H2S 溶液中，當載荷應力為750 MPa 時，斷裂時間僅需2 h。馬氏體不銹鋼隨含C 量的提高，鋼的強度、硬度提高但耐蝕性下降，耐硫化氫應力腐蝕敏感性提高。

3.6 熱處理的影響

由于壓縮機轉子為整體鍛件，而斷裂處正處于螺桿與軸的變截面處，此處是熱處理的薄弱處。由于截面變化大，加工余量的預留量，淬火與回火參數的確定及控制等因素，該處組織的均勻及性能可能不穩定。新轉子亦有在該處發生斷裂的實例。

4 防止轉子斷裂的措施

4.1 改進制造工藝或改變材質

采用2Cr13 整體鍛件轉子，要采用更合理的鍛制工藝，適當加大鍛造比，粗加工后留合適的加工余量進行調質處理，制定調質工藝時，要著重保證變截面處軸的組織和性能穩定。

用35CrMo 整體鍛件轉子，軸的強度提高，承載能力提高，實際運行中未出現陽轉子軸的斷裂，但35CrMo 整體鍛件轉子螺桿外表面及密封線的耐腐蝕能力比2Cr13 整體鍛件轉子差。

為保證螺桿的耐腐性能和軸的強度，可采用2Cr13 螺桿鑲35CrMo 或25CrMoV 軸的方法。在修復該螺桿壓縮機斷軸的陽轉子時，采取過只鑲動力輸入端半軸和鑲整軸的兩種方法，過盈配合加鍵傳扭，運行情況比較好，可連續運行一年半以上。

4.2 降低應力集中

陽轉子為主動軸，該截面傳遞了螺桿壓縮機的全部載荷，同時受到橫向彎矩的作用，受力最大。由于該截面變化大，螺桿與軸的根部過度圓角小，形成了較大的應力集中。因此，斷裂皆發生于該截面的根部。由于該截面緊靠梳齒密封，軸向空間很小。若采用整體轉子方案，可采取向螺桿內部加工過度圓槽的方法，亦可再在螺桿的端面加工消除應力環槽。若采用鑲軸的方案，可在靠近螺桿斷面處加工錐孔，逐步減小過盈量，或在螺桿的端面加工消除應力環槽。在鑲軸修復陽轉子時，在靠近螺桿斷面處加工錐孔，逐步減小過盈量降低應力集中效果較好。

4.3 保證裝配質量

螺桿壓縮機的裝配質量，尤其是轉子的平行度、端面間隙、頂間隙、嚙合間隙、與殼體的同軸度、同步齒輪嚙合間隙等，對壓縮機的平穩運行和轉子的受力影響很大。有過僅運行3 d 就發生陽轉子軸此處斷裂的情況。要避免密封梳齒與軸的摩擦，摩擦會使軸產生裂紋或金相組織發生變化降低性能。壓縮機振動大、軸承有問題應及時檢查修理。

4.4 控制介質對軸的腐蝕

該壓縮機原設計為噴柴油冷卻，使用柴油循環冷卻運行時，陽轉子和陰轉子表面都結一層膠質，需要間斷清洗，致使該螺桿壓縮機不能長期連續運行。噴柴油冷卻的成本亦太高，因此，改為水冷卻。由于放火炬氣中成分復雜，硫化氫質量分數有時大于10%，并含有氯離子等。冷卻水循環使用，逐步濃縮，腐蝕成分濃度逐步升高，對壓縮機產生腐蝕，并形成應力腐蝕環境。控制放火炬氣的腐蝕性困難，現無有效手段。為降低冷卻水的腐蝕性，可以加強分析監控，篩選添加緩蝕劑，適當進行置換。另有設想方案，在陽轉子的螺桿與軸的變截面處，注入清潔的新鮮水，改善該處的腐蝕環境，避免該處產生應力腐蝕。

5 結語

由于煉廠放火炬氣含有硫化氫、氯離子等腐蝕成分和固體雜質等，螺桿壓縮機的轉子在化學腐蝕和應力腐蝕的環境中工作，并且承受交變動載荷的作用。螺桿壓縮機陽轉子軸的動力輸入端螺桿端面處的交變應力較大，應力集中傾向較大，陽轉子軸斷裂的主要原因是硫化氫應力腐蝕和疲勞斷裂。對于2Cr13 整體轉子，可通過采取改進熱處理工藝提高軸的材料的機械性能，減小斷裂處的應力集中，控制冷卻水的腐蝕性等措施，防止螺桿壓縮機陽轉子軸的動力輸入端螺桿端面處發生斷裂。若采取2Cr13 螺桿與35CrMo(或25Cr2MoVA)軸組合的鑲嵌結構轉子，耐腐蝕和抗斷裂性能較好，可用于新制轉子和舊轉子的修復。

［1］何德芳.李力.虞和濟.失效分析與故障預防〔M〕.北京:冶金工業出版社，1989:57-70.