雙螺桿擠壓機螺桿芯軸斷裂的分析與對策

蘇權輝

（中國石化茂名石化分公司化工分部，廣東茂名 525011）

0 引言

某石化20萬噸/年的聚丙烯裝置采用INEOS氣相法工藝，生產的產品包括均聚、無歸共聚、高抗沖共聚、抵抗沖共聚物等牌號，粉料熔指范圍為0.025～10.5 g/min。該裝置擠壓造粒機的主電機功率為8000 kW，螺桿直徑為320 mm，9段筒體，同向雙螺桿單支撐擠壓機。該擠壓造粒機機組2014年8月投入運行，螺桿軸于2018年12月拆下、2019年12月再次安裝使用，2020年3月20日軸芯斷裂。

1 螺桿軸斷裂的基本情況

2020年3月20日14:51，擠壓機在運行負荷穩定和各參數平穩的情況下，機組現場發生異響，摩擦離合器打滑停機。現場檢修解體發現擠壓造粒機右螺桿芯軸斷裂，斷裂位于輸送段與混煉端交接處（R10/R11交接處）（圖1）。

圖1 斷裂部位示意

2 螺桿芯軸斷裂的原因分析

2.1 螺桿芯軸斷面的分析

2.1.1 宏觀分析

從螺桿芯軸斷面的宏觀形貌來看，斷口平齊光滑，有明顯的疲勞輝紋，可觀察到明顯的裂紋源區、疲勞擴展區和瞬斷區，這是典型的疲勞斷裂（圖2）。

圖2 螺桿芯軸斷口宏觀形貌和裂紋源區微觀形貌

2.1.2 電鏡掃描分析

從斷面的電鏡掃描分析來看，裂紋起源于芯軸齒面的碾壓痕處，且每個齒面上都有多個裂紋源點，可觀察到明顯的以裂紋源為原點的放射紋；裂紋自裂紋源點啟裂后，在長期交變力的作用下芯軸齒面產生了疲勞裂紋并不斷發展擴大，最終導致芯軸的疲勞斷裂。

2.2 螺桿芯軸性能的分析

對斷裂芯軸進行了全定量光譜分析：碳含量為0.374%，符合要求的0.30%～0.40%；硫含量為0.2%，符合要求的0.10%～0.35%；錳含量為0.415%，符合要求的0.30%～0.80%；磷含量為0.010%，符合要求的＜0.012%；磷含量為0.011%，符合要求的＜0.012%；鉻含量為0.966%，符合要求的0.80%～1.20%；鎳含量為2.94%，符合要求的2.50%～3.30%.鉬含量為0.548%，符合要求的0.40%～0.70%；釩含量為0.238%，符合要求的0.15%～0.25%。通過對比，斷裂芯軸材料與技術要求相符。

常溫下，斷裂芯軸的屈服強度為1248～1255 MPa，符合大于1000 MPa的標準；抗拉強度1292～1293 MPa，符合大于1200～1300 MPa的標準；斷后伸長率13.6%～14.4%，符合大于12%的標準；橫向沖擊功70～74 Akv/J，橫向沖擊功63～65 Akv/J，均符合大于50 Akv/J的標準；表面硬度360～370 HB，符合340～380 HB的標準。對斷裂芯軸取樣進行金相觀察，為正常回火索氏體組織，其機械性能符合要求。

2.3 螺桿裝配方面的分析

2.3.1 螺桿預緊力的比對

經確認，國外320 mm螺桿的預緊力為57 t，國外350 mm螺桿的預緊力為65 t，國外380 mm螺桿的預緊力為75 t，而國產320 mm螺桿的預緊力為75.6 t。通過比對可知，國產320螺桿的裝配預緊力足夠大，不會出現熱態松動的現象。

2.3.2 螺套與芯軸熱態線脹的對比

對螺套38CrMoAlA和芯軸G4335V兩種材料的熱膨脹進行了研究，每種材料取3個試樣，測試溫度為40～300℃。將兩種材料3個試樣的測試結果分別取平均值，然后再作圖進行對比分析（圖3）。

圖3 螺套和芯軸材料的熱膨脹對比

在熱態下，螺套材料的線脹系數大于芯軸材料的線脹系數，螺桿在工作狀態下運轉不會因為兩種材質的熱脹差異問題而產生松動。

2.4 螺桿和筒體磨損情況的分析

2.4.1 螺桿和筒體磨損情況的檢測結果趨勢分析（圖4）

圖4 螺桿和筒體磨損曲線

從檢測的結果可見，左右螺桿均有不同程度的磨損，螺桿從第三段筒體的中部開始（螺桿發生斷裂處）左右螺桿出現大幅度磨損，在第四段筒體與第五段筒體之間達到峰值。筒體的內孔也有不同程度磨損，筒體的內孔從第三段開始磨損加大，至第六、七段達到磨損峰值。

通過筒體內孔及螺桿磨損量的檢測，可判斷螺桿在腰鼓形的筒體內高速轉動（類似螺桿在筒體內跳繩），左右螺桿之間以及螺桿與筒體之間產生碰磨，螺桿在筒體內壁“掃膛”，產生了具有破壞力的彎矩。在長期交變載荷的作用下，螺桿疲勞斷裂。

2.4.2 螺桿掃膛筒體的變形仿真分析

采用有限元建模，選取斷裂位置附近的一段輸送螺套（200）和兩段嚙合元件（3×300）與芯軸的組合體，將第一個嚙合元件的第四個螺棱頂部小塊面積施加向上的位移5 mm，將該點兩側相距600 mm的兩處棱頂小面積約束Y向位移，并施加邊界條件。同理將跨距擴大為1100 mm，按上述施加邊界條件。

圖5 寬400 mm跨距Y向變形

圖6 寬900 mm跨距Y向變形

通過計算可知，產生5 mm的掃膛量，螺桿所受的徑向力在跨距為600 mm、1100 mm的位置分別達到15 434 000 N和3 541 500 N，且產生局部應力集中現象。在掃膛時，螺桿受的徑向力極大，對螺桿芯軸產生彎矩。在運轉過程中螺桿受到交變載荷，在螺桿的彎曲變形及螺桿與筒體內壁產生“掃膛”下，個別螺套發生了端面微動，從而導致芯軸齒面發生損傷。

2.5 擠壓機運行負荷的影響

擠壓機設計負荷為19.8～33 g/h，正常負荷為24.2～26.8 g/h。據統計，2017—2020年該擠壓機長期運行于20 g/h到23 g/h。擠壓機長期處于低負荷的“卡邊”狀態運行，筒體和螺桿的填充度偏低，容易造成螺桿和筒體的異常磨損和碰磨。

2.6 筒體水平度的檢查和分析

在正常工作溫度下，第一個支撐左側的間隙為0 mm，右側的間隙為0.5 mm；第二個支撐左側的間隙為0 mm，右側的間隙為1.5 mm；第三個支撐左側的間隙為1 mm，右側的間隙為1.5 mm。在室溫下，第一個支撐左側的間隙為0.15 mm，右側的間隙為0.2 mm；第二個支撐左側的間隙為0 mm，右側的間隙為0.3 mm；第三個支撐左側的間隙為0.5 mm，右側的間隙為1 mm。

筒體從支撐吊走后，在室溫下，以第一個支撐的右側為基準點，檢測其他5個支撐的高度偏差值（負值表示低，正值表示高），第一個支撐左側的高度偏差為0.5 mm；第二個支撐左側的高度偏差為0.2 mm，右側的高度偏差為-0.2 mm；第三個支撐左側的高度偏差為-0.1 mm，右側的高度偏差為-0.8 mm。

由以上數據分析可看出，在運行過程中筒體受熱不均衡而變形，存在左高右低、中間段和輸出段上翹的問題，這造成了螺桿與筒體的同心度偏離，也是螺套干涉、筒體磨損的原因之一。

2.7 螺桿組合的分析

斷裂螺桿的組合采用1個較長的剪切段，由于物料由輸送段的固態粉料經過剪切段后須變成完全熔融的狀態，這使得物料由輸送段向剪切段輸送的過程需要巨大的扭矩。這使螺桿芯軸在輸送段與剪切段位置承受巨大的扭矩，兩根螺桿在相互擠壓的過程會產生巨大的彎矩，使其成為整根芯軸最薄弱的部位。

2.8 螺桿軸斷裂小結

（1）擠壓機長期在“卡邊”低產量的工況下生產低融指的產品，低融指的固態粉料至熔融態物料間的輸送需要巨大的扭矩。該螺桿組合采用1個較長的剪切段，容易產生應力集中的問題。在該段螺桿的某些特定區域和特定方向會受到一個較大的徑向擠壓力，同時筒體與螺桿的物料填充度偏低，造成螺套與筒體在這一區域的特定方向上剛性接觸。

（2）筒體基礎水平度超標，在運行過程中筒體受熱不均衡而變形，存在左高右低、中間段和輸出段上翹的問題。螺桿跟筒體的同心度變差，造成螺桿與筒體的磨損和碰磨，加劇螺桿產生巨大的徑向力，導致螺套齒端面發生微動，螺套齒端面對芯軸齒面造成碾壓而產生應力集中。

（3）螺桿跟筒體磨損到一定程度，螺桿在筒體內出現“跳繩”的現象，加劇螺套端面對芯軸的齒面的碾壓而促使芯軸萌生裂紋。在長期交變載荷的作用下，螺桿芯軸疲勞開裂。

3 采取的應對策略及效果

（1）在室溫下，確保筒體的水平≤0.06 mm/m，重新調整支座與筒體的間隙≤0.08 mm，消除筒體支撐的影響（表1）。

表1 擠壓機筒體與支座調整后的間隙mm

（2）優化螺桿結構設計。螺桿組合采用雙混煉段的結構，總螺套數量及種類不變，嚙合元件數量及長度尺寸不變。對螺套的組合順序進行優化，將6節嚙合元件一分為二，在期間增加一段輸送螺套，這樣可以適當降低一次性混煉強度峰值，合理分布螺桿芯軸的受力，但總體混煉效果沒有改變。

圖7 螺桿嚙合元件的組合

（3）采用堆焊硬質合金表面硬化。第8、第9節筒體和對應的螺套，采用鈷基合金表面硬化處理，合金層厚度不低于3 mm，硬度30～35 HRC。這可增加硬化層的厚度，提高螺桿的支撐度。

機組運行一年后，對第9節筒體進行測量，D左為318.91～318.96 mm，D右為318.90～318.96 mm，僅比標準值318.8 mm減少約0.1 mm，符合標準要求的“磨損量不大于0.5 mm”。

（4）生產低熔指產品時，保持穩定產量，適當提高筒體的溫度和使用高速檔。

在生產融指為0.025 g/min的產品時，擠壓機的運行負荷維持在23～24 t/h，筒體的溫度由原來的250℃提高到260℃，同時將螺桿轉速由185 r/min提高到224 r/min，增加熔體的熔融流動性。

經過統計，在生產融指為0.025 g/min的產品時，在參數調整前低速檔運行產生的金屬料為平均的1380顆/批次，減少到參數調整后高速檔的133顆/批次。另外，高速檔產生的金屬料粒徑（0.2～0.5 mm）明顯比低速檔（1～3 mm）的小。這明顯減輕螺桿跟筒體的異常磨損和碰磨，有利于機組的長周期運行。

已采取策略的小結：①在確保筒體的水平≤0.06 mm/m的情況下，重新調整支座與筒體的間隙≤0.08 mm；②螺桿組合采用雙混煉段的結構；③第8、9節筒體和對應螺套，采用鈷基合金表面硬化處理；④適當提高運行負荷和筒體的運行溫度，并采取高速檔運行。實踐驗證，這些措施能有效減少筒體和螺套的磨損，延長設備的使用壽命。

4 擬采取的策略

為進一步提高筒體對螺桿的支撐度，擬將第8、第9兩節筒體的內徑規格由原來的320 mm改為300 mm，對應位置的螺套規格也從320 mm改為300 mm，兩節新筒體內孔以及對應螺套均采用鈷基合金表面硬化處理處理，以增強耐磨性。