烷基化反應器攪拌機轉軸斷裂故障分析

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型反應器，美國杜邦公司專利設備，電機功率306.1kW，葉輪轉速2950r/min，額定電流48A，轉子軸材質S.A.E 4140 相當于國標的42CrMo。具體化學成分如表1。反應器管程的設計壓力為0.69MPa，程的設計壓力為0.82MPa，設計溫度為199℃。材質：ASME SA 516-70(低溫設備用低合金鋼)，與國產16MnR相當。組件：電機輸入軸(材質是SAE 4140 國產42CrMo4 42CD4)、攪拌葉輪(3片，材質是Ni－resist 耐蝕鎳合金)、機械密封及導流板等，是杜邦公司專利設備中技術含量最高的部分。

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

圖1 內部結構及工作原理示意

表1 轉軸化學成份分析

1 故障發生時基本情況

2014年12月25日烷基化裝置攪拌機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，各項參數反映攪拌機功率下降，表明葉輪可能損壞或磨損，葉輪幾乎沒有差壓顯示；現場檢查發現該機沒有葉輪攪拌的轟鳴聲，確認葉輪不在工作狀態，判斷轉軸可能失效，速將該機組電機停運，切換至B機單獨運行，依靠B機維持裝置低負荷運行。A機解體拆修，檢查葉輪和轉軸情況，發現轉軸在葉輪鍵槽根部以上20mm處斷裂，斷口無腐蝕跡象，檢查葉輪無明顯磨損，更換新轉軸回裝。

2 故障原因分析

根據技術人員反饋，調取了在轉軸斷裂前攪拌機運行電流數據，表明攪拌機運行電流未見大幅波動，攪拌機工況良好，無異常振動及雜音,說明轉軸的扭矩都在允許范圍內。拆解后發現，攪拌機葉輪上并沒有纏繞其他異物，排除因此而造成增加轉軸扭矩的可能。故障發生前幾個小時，現場巡檢人員監測到攪拌機振動指標均在標準范圍內，

烷基化裝置操作中影響最大的變量為烯烴進料流量及進料組成。一般來說，這些變量均不在烷基化裝置操作的控制范圍內。因此，有必要了解烯烴進料可能發生的每種變化或者這些變化的組合的影響。烯烴進料中包括的組分輕至C2，重至C6烴(特別是進料中具有相當數量的戊烯時)。當進料由C3、C4及C5烯烴組成時，即出現最復雜的烯烴進料。這些不同的烯烴可生產不同產品質量的化合物，耗酸量也不同，進而將導致烷基化反應器內反應后乳化液的密度也不同。通過調取一周內攪拌機內酸烴乳化液取樣分析，酸烴乳化液密度均在1240kg/m3左右，未見超標現象，排除了由于介質密度過高從而使轉子承受更大的徑向力和軸向力，而造成轉子軸斷裂的可能性。兩臺反應器除由于硫酸流量不同造成的輕微區別外，均是相同的。

反應器攪拌機是烷基化裝置的關鍵設備，日常巡查監測的重要部位，故障前該反應器運轉聲音、電機振動指標、軸承溫度均監測正常，排除電機軸與葉輪轉軸不同心導致增加徑向載荷，加大軸上的彎矩的可能性。

從攪拌機電機電流瞬間下降，直到電機空轉電流(21.8A)，可以推斷轉軸是在瞬間斷裂的。解體發現轉軸表面及斷裂口均無介質腐蝕跡象，見圖2(轉軸表面鈷鉻鎢CoCrW合金鍍層完好)，斷裂面經仔細觀察，未發現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，斷口處未發現氣孔、夾渣、裂紋等內部缺陷。排除轉軸制造材質缺陷(資料顯示轉軸材質為S.A.E 4140 ，相當于國標的42CrMo，與光譜材質鑒定吻合)。

轉軸牌號：S.A.E 4140，S.A.E是(美國)汽車工程師協會(Society of Automotive Engineers)的標準代號，此標準同ASTM 4140 和 AISI 4140 ，4140是材料的牌號，它屬于合金結構鋼，熱處理后有較好的強度和良好的綜合力學性能，最高使用溫度為 427℃。相當于國標的42CrMo，日標的SCM440，德標(歐標)的42CrMo4。

從斷裂的部位產生在鍵槽根部看，斷裂面是應力集中部位，整根轉軸的最薄弱部位(圖2)，判斷是應力疲勞損壞。由于應力集中、疲勞等原因，產生裂紋，當裂紋尺寸達到臨界尺寸時，就會發生低應力脆斷的事故。查閱設備隨機技術資料，材料選擇及熱處理正確，安全系數較高，強度完全滿足要求。從圖片看斷裂屬于在交變應力下金屬的失效現象。

綜合分析，產生應力疲勞斷裂的可能原因有：

轉軸斷裂部位是鍵槽根部，應力集中部位；

(1)鍵槽處加工質量差，應力集中處往往易生成裂紋并發展。

(2)轉軸鍵槽處制造缺陷，鍵槽的過渡圓角設計不合格。

(3)攪拌介質為酸烴，電機啟動的瞬間，轉軸承受的運行力矩大。

(4)工藝上操作變化大，葉輪攪拌負載交變。

(5)攪拌機葉輪及轉子軸的動不平衡不在標準范圍內。

圖2 斷軸整體及斷口形貌

3 整改預防措施

(1)更換備用轉軸，測繪轉軸尺寸，加工備用轉軸，重點控制鍵槽的過渡圓角處理。

結構設計中盡量避免尖角、缺口和截面突變，即把棱角改為過度圓角，適當增大過渡圓弧的半徑，以免產生應力集中而由此產生疲勞裂紋。提高軸表面加工質量，減少疲勞源。

(2)表面強化：對材料表面作噴丸、滾壓、氮化等處理，可以提高材料表面的疲勞強度加強對轉軸的調質處理。熱處理規范(調質處理)：880℃，1h 油淬，560℃，2h回火,空冷。金相組織：回火馬氏體。

(3)在安裝與維修時應仔細調整其位置，保證兩軸同心。裝配時保證裝配精度。

本次葉輪軸在折斷的同時，電機輸入端同樣也會承受來自于葉輪方面的徑向力，如果這個徑向力同時超出了二者所能承受的最大徑向負荷的話，其結果也會使電機輸入端產生變形甚至斷裂。因此，在更換備用新轉軸時保證同心度至關重要。

(4)注B機的運行狀況，做好下一周期檢修計劃，重點檢查轉軸完好狀況。

(5)工藝上平穩操作，盡量避免操作波動，引起反應器內介質密度和粘度的大幅變化對轉子的沖擊，降低對轉軸的負荷影響。

[1]美國杜邦公司.杜邦操作指南研究與分析[M].2008.

[2]王震，陳斌，張華，楊榮群，李帥.潛水攪拌機轉子軸斷裂原因分析[J].機械制造,2012,50(571):90-92.

[3]機械設計手冊編委會編,機械設計手冊.失效分析和故障診斷[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4]化工設備設計全書編輯委員會.攪拌設備[M].北京:化學工業出版社，2003.