聚合釜機(jī)架凸緣底盤螺栓斷裂的分析與改進(jìn)

王國強(qiáng)，吳 冰，凌 析

（1.大慶石化公司建設(shè)公司，黑龍江大慶163714；2.大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶163711；3.大慶石化公司化工三廠，黑龍江大慶163714）

機(jī)械與設(shè)備

聚合釜機(jī)架凸緣底盤螺栓斷裂的分析與改進(jìn)

王國強(qiáng)1，吳 冰2，凌 析3

（1.大慶石化公司建設(shè)公司，黑龍江大慶163714；2.大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶163711；3.大慶石化公司化工三廠，黑龍江大慶163714）

通過對聚合釜機(jī)械密封與機(jī)架凸緣底盤聯(lián)接斷裂的螺栓進(jìn)行理化、應(yīng)力分析，確定了其相關(guān)的安裝精度、螺栓強(qiáng)度、機(jī)架剛度與螺栓斷裂的關(guān)系，實(shí)施了相應(yīng)的改進(jìn)措施。經(jīng)過多年的實(shí)際運(yùn)行，驗(yàn)證了改進(jìn)措施完全滿足設(shè)備運(yùn)行的安全要求。

聚合釜；聯(lián)接螺栓；斷裂；應(yīng)力分析

BR-101是某石化裝置改擴(kuò)建新增設(shè)的聚合釜，2005年8月開始運(yùn)行，2006年2月6日，發(fā)現(xiàn)BR-101聚合釜晃動(dòng)嚴(yán)重，隨后機(jī)械密封泄漏檢測孔開始漏出介質(zhì)（膠液）；緊急停工并檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封與凸緣底盤聯(lián)接的M16螺栓斷裂4條，其它螺栓也已經(jīng)松動(dòng)，解體檢查機(jī)械密封，機(jī)封上軸承未發(fā)現(xiàn)損壞，機(jī)械密封上、下靜環(huán)面均已掉碴，下靜環(huán)面出現(xiàn)徑向貫通性損壞，動(dòng)環(huán)未出現(xiàn)損壞，拆檢攪拌器底軸瓦，未出現(xiàn)偏磨和過度磨損現(xiàn)象。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，另1臺同類設(shè)備AR-103聚合釜也存在釜體晃動(dòng)的，隨后對該設(shè)備進(jìn)行了檢查［1］。

1 栓斷裂的故障分析

根據(jù)設(shè)備初發(fā)的故障現(xiàn)象，初步排除了單個(gè)設(shè)備的缺陷。在共性缺陷問題上對2臺聚合釜進(jìn)行具體分析，2臺聚合釜的設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1。

1.1 設(shè)備安裝存在的缺陷

BR-101聚合釜使用初期就存在同類缺陷，是造成這次設(shè)備損壞的初始原因。設(shè)備單機(jī)試運(yùn)時(shí)，出現(xiàn)釜體劇烈晃動(dòng)的現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)，對釜體進(jìn)行對稱加固及反復(fù)調(diào)整、3次更換釜體墊片及機(jī)架轉(zhuǎn)位后，有所改善，但設(shè)備仍有輕微晃動(dòng)。在懷疑螺帶制造因素可能引起靜平衡缺陷，導(dǎo)致攪拌系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定而檢查處理后，釜體晃動(dòng)現(xiàn)象未能徹底排除；2臺聚合釜仍有不同程度的晃動(dòng)。

表1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

1.2 設(shè)備運(yùn)行時(shí)存在的問題

機(jī)械密封損壞是由于攪拌器及機(jī)架整體晃動(dòng)造成，由于凸緣底盤螺栓松動(dòng)、斷裂，造成攪拌器晃動(dòng)，致使機(jī)械密封損壞泄漏，凸緣底盤螺栓松動(dòng)和斷裂原因主要有3個(gè)。

（1）安裝精度的影響

減速機(jī)與攪拌器對中不好，減速機(jī)與攪拌器軸將不在同一軸線上，將使攪拌器產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的扭力，使攪拌器受到的扭轉(zhuǎn)力矩加大，由于機(jī)架采用無支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)力矩主要作用在機(jī)械密封和凸緣底盤螺栓上，造成螺栓剪切斷裂和松動(dòng)。

（2）螺栓強(qiáng)度的影響

經(jīng)某檢驗(yàn)技術(shù)有限公司對送檢的螺栓樣品進(jìn)行光譜檢驗(yàn)并確認(rèn)，緊固螺栓材質(zhì)為普通碳鋼，材質(zhì)為Q235A[2～5]。

從斷裂螺栓斷口分析，螺栓是因?yàn)槭艿郊羟辛ψ饔脭嗔选β菟ㄟM(jìn)行光譜分析，螺栓未檢出合金元素，為普通碳鋼螺栓。但攪拌器與減速機(jī)不同心時(shí)，機(jī)械密封底座受到的扭轉(zhuǎn)力矩將增大，螺栓受到的剪切力也將變大。

（3）機(jī)架剛度的影響

原機(jī)架為焊接形式無支點(diǎn)機(jī)架，機(jī)架橫截面呈簡單的雙U結(jié)構(gòu)，架體無加強(qiáng)筋。該機(jī)架承載電機(jī)、減速機(jī)傳遞給聚合釜攪拌器的轉(zhuǎn)距。與現(xiàn)場其它釜類設(shè)備直觀比較，有剛度分析及加強(qiáng)的必要。

2 螺栓斷裂的解決方案

2.1 安裝精度的保證

為了保證電機(jī)、減速機(jī)、機(jī)架與攪拌器的對中、水平的安裝精度，使相關(guān)設(shè)備、部件達(dá)到良好的工作狀態(tài)，在安裝時(shí)采取了3項(xiàng)措施:

（1）機(jī)架上端接口與減速機(jī)連接，下端接口與釜體凸緣底盤法蘭連接。釜體凸緣底盤法蘭在安裝機(jī)械密封處的支撐平面，對機(jī)架軸心線的端面圓跳動(dòng)不大于0.1 mm，水平度保證在0.2/1 000 mm以下，以確保軸封的安裝精度［6～10］。

（2）減速機(jī)輸出軸在機(jī)架中通過JQ型夾殼式聯(lián)軸器連接；應(yīng)先校正至兩軸線對中，同軸度公差保證0.1 mm以下。

（3）攪拌軸安裝軸封部位徑向跳動(dòng)公差保證0.6 mm以下。

設(shè)備部件調(diào)整及機(jī)械密封的安裝過程中，選派有經(jīng)驗(yàn)的鉗工技師進(jìn)行安裝調(diào)整，確保了設(shè)備整體的安裝精度。同時(shí)，設(shè)備整體調(diào)整安裝完成后，減速機(jī)與機(jī)架之間、機(jī)架與釜體凸緣底盤法蘭之間增設(shè)Φ10 mm定位銷定位［11～14］。

2.2 螺栓強(qiáng)度的校核

根據(jù)螺栓樣品分析結(jié)果，認(rèn)為有必要對機(jī)械密封與釜體凸緣底盤法蘭緊固螺栓進(jìn)行校核。

（1）螺栓受力分析

對凸緣底盤及螺栓進(jìn)行受力分析［4］。螺栓材料按原裝Q235A鋼,許用拉應(yīng)力[σ]=105 MPa；因16條螺栓以孔心距400 mm的圓周均布，每個(gè)螺栓受力相同，螺栓在機(jī)械密封及凸緣底盤的受力平衡，M=80 000 N·m,由∑M=0得：

則螺栓受剪面的剪切力：

所以凸緣底盤傳給螺栓的作用力:

式中M—螺栓扭矩，N·m；Q—螺栓的作用力，D—孔心距，m。

（2）計(jì)算螺栓直徑

式中 [τ]—剪切許用應(yīng)力，MPa；[σ]—許用拉應(yīng)力，MPa；τ—剪切應(yīng)力，MPa；A—螺栓截面積，m2；d—螺栓直徑，cm。

螺栓承受的擠壓力Pjy=P=25 000 N，擠壓面面積Ajy=3×32×10-4cm2，根據(jù)擠壓許用應(yīng)力［σjy］= (1.7～1.8)［σ］,選取［σjy］=200 MPa，于是:

應(yīng)根據(jù)較大的值選擇螺栓直徑，按標(biāo)準(zhǔn)選M20的螺栓即可［5］。

綜上所述，由于緊固螺栓選擇不當(dāng)，在變載荷作用下，螺栓在機(jī)械密封及凸緣底盤接合面處受剪，導(dǎo)致螺栓被剪斷。將緊固螺栓材質(zhì)由普通碳鋼改為35CrMoA，螺栓抗剪切能力大幅提高［15，16］。

2.3 機(jī)架剛度的補(bǔ)強(qiáng)

原機(jī)架結(jié)構(gòu)采用焊接形式無支點(diǎn)機(jī)架。攪拌軸以減速機(jī)輸出軸的2個(gè)支承為受力支點(diǎn)；攪拌軸與減速機(jī)采用JQ型夾殼式聯(lián)軸器連接。機(jī)架橫截面呈簡單的雙U結(jié)構(gòu)，架體無加強(qiáng)筋；且電機(jī)全部、減速機(jī)部分重心在機(jī)架重心邊緣，而該機(jī)架承載電機(jī)、減速機(jī)傳遞給聚合釜攪拌器的轉(zhuǎn)距。因此，與現(xiàn)場其它釜類設(shè)備整體鑄造機(jī)架比較，有必要對該機(jī)架給予補(bǔ)強(qiáng)。

經(jīng)過核算，對機(jī)架對稱焊接了2個(gè)橫向、2個(gè)縱向，厚度為20 mm的加強(qiáng)筋，對其剛度補(bǔ)強(qiáng)。聚合釜補(bǔ)強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 聚合釜機(jī)架補(bǔ)強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

聚合釜機(jī)械密封與凸緣底盤聯(lián)接螺栓斷裂故障的原因進(jìn)行了分析后，提出了提高安裝精度，更換材料為35CrMoA、直徑為M20的螺栓及對機(jī)架增加筋板分布、提高機(jī)架剛度的技術(shù)改進(jìn)措施。實(shí)現(xiàn)了聚合釜整體的穩(wěn)定性和良好的載荷性能。該聚合釜除年度常規(guī)計(jì)劃檢修外，已經(jīng)正常運(yùn)行了6年，未再發(fā)生同類設(shè)備故障，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，機(jī)械密封壽命明顯提高，保證了聚合釜的安全可靠運(yùn)行。

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Analysis of polymerizer rack's flanged chassis bolt fracture and improvement

Wang Guoqiang1，Wu Bing2，Ling Xi3
（1.Construction Company of Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China；2.Oil Refinery of Daqing Petrochemical Company，Daqing 163711，China；3.No.3 Chemical Plant of Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China）

By physicochemical and stress analysis to the polymerizer's mechanical seal and its rack's flanged chassis bolt fracture，it was determined the relation of its installation accuracy，bolt strength，rack rigidness，and the relevant improvement measures were implemented.Several years of actual operation verified that the improvement measures totally met the safety requirement of the equipment.

polymerizer；joint bolt；fracture；stress analysis

TQ325.3

B

1671-4962（2017）02-0041-03

2016-12-29

王國強(qiáng)，男，工程師，2004年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事工程項(xiàng)目施工管理工作。