煉油廠火炬壓縮機轉子斷裂機理分析

付海曦，李 鋒，張韶偉，許春偉，辛宏亮

（1.中國海油惠州石化有限公司儲運部，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工作原理是在壓縮機腔內噴入霧狀柴油冷卻液，對被壓縮的氣體進行內冷卻，氣液混合經過冷卻器降溫，再經過氣液分離器分離，火炬氣進入燃料氣管網，而柴油繼續回到壓縮機進氣口，不間斷地對進入壓縮機的火炬氣循環冷卻［1~3］。

螺桿轉子是螺桿壓縮機的核心部件，壓縮機工作時，1 對相互嚙合的轉子為氣體提供1 個密閉的壓縮空間，其要有良好的密封性，但是作為核心部件有時會出現斷裂的嚴重故障，不僅影響螺桿壓縮機的正常工作，嚴重時更會引發火災、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行狀況提出火炬氣壓縮機改造方案。陶濤［8］分析了螺桿壓縮機轉子軸斷裂的影響因素和預防措施。吳世奇［9］提出了螺桿壓縮機檢修的關鍵點。

以上研究為解決火炬氣壓縮機轉子斷裂問題提供了良好的理論和實踐基礎。但在斷裂的機理方面尚需深入研究。

文中利用光譜儀、金相顯微鏡、掃描電鏡等手段對斷裂轉子的材質、陰轉子斷口微觀形貌觀察和元素成分等進行了表征，從轉子的設計選型、材料分析、轉子受力、系統工況等多個維度分析其斷裂的機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采用LG60/0.85 型無油濕式雙螺桿壓縮機，使用過程中進氣端徑向軸瓦水平位置曾出現振動速度超過10 mm/s 的情況，需要對其開展預防性維修。

檢查中發現陰、陽轉子表面有嚴重的磨損，其中2根轉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，該間隙完全被堵塞，轉子在轉動過程中與梳齒密封產生持續摩擦，導致陰、陽轉子都在此位置出現了多條環形規則的凹槽。

初步分析，該煉油廠的火炬氣長期存在較多的雜質顆粒，很多細小的雜質可以穿過過濾器進入機體，在機體內不斷累積，直到充滿迷宮密封與轉子之間的間隙。

為修復轉子磨損問題，有針對性地進行了激光熔覆維修，但維修后投用2 d 便出現同位置水平振速超過11 mm/s 并伴有嚴重嘯叫的情況，解體后發現排氣端陰轉子軸斷裂，陰轉子斷裂位置在陰轉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 壓縮機陰轉子的斷裂位置及斷口形貌（梳齒側）

2 斷面的檢測分析

螺桿壓縮機工作時，陽轉子驅動陰轉子高速旋轉，當陰轉子完全斷開時，由于陰、陽轉子之間的嚙合，斷裂的陰轉子不會馬上停止轉動，2 個匹配的陰轉子斷口上的凹起處會發生磨損。整體來看，陰轉子斷口平齊，無明顯的腐蝕痕跡和塑性變形，呈脆性斷裂特征。

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

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

2.1 陰轉子的材質分析

在陰轉子上取塊狀樣品，依據相關標準，使用光譜儀對其材質進行化學分析，結果見表1。經對比發現，陰轉子的材質符合2Cr13不銹鋼標準［10］。

表1 陰轉子材質的化學成分/%

2.2 陰轉子的金相分析

在陰轉子上切取金相樣品，經預磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察，使用顯微硬度計測試其硬度。斷裂的陰轉子軸表面有激光熔覆層，但緊靠變徑處有約3 mm 寬的無激光熔覆層的環形區域，此環形區域形成了1 個下凹溝槽，裂紋起源于該處。而且，此環形區域的軸表面十分粗糙且伴有坑的存在，造成陰轉子軸處嚴重的應力集中。

陰轉子表面有0.5~2.0 mm 厚度不等的激光熔覆層，其金相組織為很細的鑄態柱狀晶；熔覆層下有0.6~0.7 mm 厚的淬硬熱影響區，其金相組織為馬氏體［11］，陰轉子的金相組織為回火索氏體。同時對陰轉子的硬度進行檢測，陰轉子基體硬度為HV0.2284.9。陰轉子表面有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硬度較高，為HV0.2477.9［12］，見表2。

表2 陰轉子的硬度（HV0.2/10 s）

2.3 陰轉子斷口等的電鏡分析

利用掃描電鏡，對陰轉子斷口等進行微觀形貌觀察和元素成分能譜分析。

2.3.1 陰轉子斷口裂紋起源于陰轉子表面處，有多個裂紋源，形成了多個臺階。能譜分析表明，陰轉子斷口裂紋源區由Fe、Cr、O元素構成，還有少量的C、Si、S、Ca、Mn、等元素，見表3。

表3 陰轉子斷口裂紋源區的EDS

陰轉子斷口未發生明顯的腐蝕破壞。在陰轉子斷口裂紋擴展區出現的深色印跡，則是陰轉子斷裂過程中，裂紋擴展到此處時，斷口反復互相擠壓磕碰形成的。

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

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

表4 陰轉子斷口瞬斷區的EDS

電鏡分析的結果表明，陰轉子斷裂性質為疲勞斷裂。

2.3.2 激光熔覆層分析對陰轉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，經激光熔覆而成。

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

表5 陰轉子斷口軸肩處表面的EDS

2.4 斷面分析

對斷裂的陰轉子進行了多項理化分析，確認陰轉子斷裂失效性質為旋轉彎曲疲勞斷裂，其主要影響因素為局部應力集中和交變載荷作用。

2.4.1 局部應力集中陰轉子斷裂在排氣端軸承座與機械密封的變徑處，該部位陰轉子截面尺寸發生變化，本身會存在一定程度的應力集中。不僅如此，在軸肩根部還有大約3 mm 寬的環向沒有激光熔覆層的區域，表面粗糙，有坑存在。對于陰轉子軸來說，3 mm 寬的環向區域相當于沿其圓周出現了1個環形溝槽，使得陰轉子變徑處的應力集中程度更加嚴重。研究表明［13，14］，旋轉彎曲時，試樣圓周上各點所受最大應力的幾率相同，雖然某處薄弱點早萌生裂紋，但當環形刻槽在受壓狀態時，其它點相繼轉到受最大拉應力位置，使環形刻槽在最大拉應力狀態下相繼萌生疲勞裂紋，從四周同時向心部擴展，形成封閉式的瞬斷區，隨著名義應力增大，瞬斷區移向心部。陰轉子的斷裂形式正是發生旋轉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屬于容積式壓縮機，利用機腔內1 對相互嚙合的陰、陽轉子在機體內作回轉運行，周期性地改變轉子每對齒槽間的容積來完成氣體的吸入、壓縮和排出3 個過程［15］。因此，當壓縮機運行時，陰、陽轉子均會受到交變載荷的作用，在陰轉子軸的驅動端，其承受的交變載荷會更大一些。

綜上，陰轉子斷裂失效性質為旋轉彎曲疲勞斷裂。陰轉子變徑處存在著嚴重的應力集中，在壓縮機運行時產生的交變載荷作用下，在陰轉子軸肩處圓周上產生了多個疲勞裂紋源，這些疲勞裂紋由陰轉子表面向其芯部不斷地擴展，導致陰轉子的有效承載截面不斷地減小，當其減小到1個臨界尺寸時，即陰轉子的有效承載截面不足以承受外部應力載荷時，就在陰轉子軸的中心處發生瞬斷，造成螺桿壓縮機陰轉子的失效。

3 防止斷裂發生方法

由于該煉油廠火炬氣的介質含量復雜，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。

一旦出現轉子斷裂會發生陰、陽轉子與殼體碰撞，極易引發爆燃事故。此次故障出現，為某煉油廠不良的關鍵機組運行狀態敲響警鐘，一些不容易被重視的操作問題、運行環境問題和不當的維修維護措施均可能導致惡性事故的發生。通過上述檢測分析，找到了故障產生的原因和機理。因此，為避免事故再次發生，該廠對機組的選型、操作和維修策略做了如下調整，經過改善后機組的運行平穩可靠，問題得到解決。

（1）由于煉油廠火炬氣介質成分復雜，因此機組前端過濾尤為重要，除了在壓縮機入口設置過濾器外，有必要加入前端過濾、水洗的措施，保證進入壓縮機組的介質氣無雜質、結晶物等，避免過多的雜質堵塞迷宮密封，磨損轉子。

（2）為了保證轉子結構強度及正常使用，需要對轉子嚴重磨損的表面進行激光熔覆，激光熔覆熔池溫度在1 400 ℃以上，轉子表面產生淬硬層，內部產生了一定深度的淬硬熱影響區，該區域表面硬度大幅提高，但抗剪力性能卻大幅減弱，當承受較大瞬間扭矩時易產生脆性斷裂。因此，在轉子修復中應盡可能避免使用激光熔覆的辦法修復轉子，如必須使用，需使用避免產生淬硬組織的加工工藝。

（3）在轉子的迷宮密封位置和干氣密封位置之間的軸肩有1條環形的退刀槽，而退刀槽未圓滑過渡，易產生嚴重的應力集中。該煉油廠的轉子斷裂源全部在該槽內的應力集中處。在陰陽轉子的選型和設計時，避免出現退刀槽，軸肩臺階圓滑過渡，避免產生應力集中。

4 結束語

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

（2）提出了針對性解決方案，并在某煉油廠開展實施。如在煉油廠尾氣進入氣柜前增加大流量過濾器，以此來徹底過濾掉煉油廠尾氣的固體雜質；當發現轉子磨損時，避免使用激光熔覆方式來修復，可以改用電鍍鉻等低溫修復工藝替代；對現有陰陽轉子重新選型改造，消除軸肩“退刀槽”情況，改用圓滑過渡等措施。

（3）為行業內提供案例參考和方案借鑒，其中在尾氣壓縮機轉子選型、尾氣回收工藝包設計以及維修維護策略有重要參考價值。