降低膨脹烘干機故障率及改造應用

趙 新，李世財，王立峰，肖光宇，鄧聯新

（中國石油獨山子石化分公司設備檢修公司，新疆獨山子 833699）

0 引言

膨脹烘干機是某裝置后處理生產橡膠產品的關鍵設備，膠料通過擠壓、剪切、摩擦沿軸向輸送推進，直到從模板擠出，以達到使膠料進一步膨脹干燥的目的，這對橡膠產品的質量有著重要作用。膨脹烘干機的頻發故障制約著產品的正常生產，給公司造成極大的經濟損失。

1 膨脹烘干機的結構及工作原理

膨脹烘干機主要由主電機、液力耦合器、減速箱、螺桿軸、螺套、筒體等組成，螺桿軸右端插入減速箱的傳動軸套內，左端由24 節螺套用鍵連接套裝在軸上。長4.0 m、重1.0 t 的螺桿在筒體內呈懸臂狀態，各段螺距不同，螺距由低壓側向高壓側逐漸縮小到，利用螺距縮小制造壓力，增加摩擦生熱，以達到將膠料內水分擠出，提高烘干能力的目的。沿筒體每隔一段距離的四周，由外向內壁伸出4 個凸起的剪切螺釘，共22 圈，與螺套的插槽相對應，其作用是剪切螺桿上的膠料，使膠料不隨螺桿同軸轉動，促使其沿軸向受擠壓而向前推進。螺桿頭為有利于螺桿主軸調心定位的圓錐形結構。

脫水機工作時輸出的膠料，通過膨脹式烘干機進料斗將膠料源源不斷地喂入進料段，再將膠料通過剪切螺釘、旋轉螺桿等方式進行剪切，使膠料擠壓后沿軸向輸送；同時，在筒體夾套內通過熱蒸汽加熱以軟化膠料而利于擠壓和干燥，膠料在筒內受到剪切、擠壓和摩擦作用，至擠出段膠料壓力已升至5～7 MPa，溫度達100～175 ℃，當處于受壓狀態的膠料從模板噴嘴高速噴出時，由于模板外側空間突然增大，膠料壓力由7 MPa 左右驟降至0，使膠條突然膨脹松弛，膠條內所含水分迅速閃氣化，從膠料中逸出，將膠料含水率由8%～12%降至1.5%，以達到膨脹干燥的目的。

2 膨脹烘干機的故障現象

（1）螺桿軸斷裂。從所有斷軸的情況來看，斷軸部位基本上是在螺桿軸直徑的變徑部位，也是在膠料入口的第一級螺套（圖1）。

圖1 螺桿軸的斷裂面

（2）螺套及筒體襯套磨損。螺套和筒體襯套在高壓段磨損嚴重（圖2）。

圖2 磨損的螺套及筒體襯套

（3）剪切螺釘損壞，在高壓段剪切螺釘損壞最嚴重（圖3）

圖3 剪切螺釘螺紋損壞及端部磨損

3 故障原因分析

設備在運行過程中，通過旋轉的螺桿將橡膠從進料段推進到模頭，螺桿軸一方面受到螺旋擠壓過程中產生的扭轉剪切應力，另一方面也受到自重產生的彎曲應力，同時受到介質的腐蝕應力，因此螺桿軸在運行過程中受到的壓力較大。另外，在外部負荷變化的作用下，剪切應力產生交變應力，呈周期性變化。在交變應力作用下，螺桿軸極易出現疲勞斷裂、縮短使用壽命。

3.1 工藝原因

3.1.1 開、停車過于頻繁

為了開發新產品，設備要經常進行新產品試機試驗，由于工藝操作不成熟，需要不斷摸索經驗，設備運行不能達到穩定的狀態，有時一天開停車數次。另外，為了適應市場需求，需要經常轉換不同系列的橡膠產品進行生產，造成開停機頻繁。每次開停機使螺桿軸的扭轉應力在零和最大值之間變化，螺桿軸承受了巨大的交變應力，對螺桿軸的斷裂產生重大影響。

3.1.2 下料不均

當膨脹烘干機正常運轉時，應根據進料負荷適當調整轉速。凝聚釜到后處理的物料，由于工藝的影響，有時會出現負荷波動過大，嚴重時甚至會出現斷料的現象。螺桿轉速不可能在物料負載波動時及時作出相應的調整，因此螺桿軸受交變應力的影響比較頻繁，特別是當進入烘干機內的物料較少時，機體內會出現間歇空腔，使螺桿軸無法正常托起，從而引起螺桿與機筒的摩擦，使其壽命大大降低。

3.1.3 頻繁堵料

堵料原因主要有兩個：①由于原來的料斗設計不合理，容易引起加料堵塞；②由于烘干機的螺套有不同程度的磨損，使螺桿與筒體之間的間隙增大，導致烘干機吃料不暢，在烘干機進料段發生堵料。物料在進料斗內積存，不再進入機體內，操作人員不能及時發現并立即停機，此時螺桿軸在機體內無物料的情況下繼續運行，導致螺桿與筒體摩擦，加劇了螺套與筒體襯套之間的磨損。

3.1.4 模板開孔率不合適

開孔率一方面影響產品的揮發分，另一方面對螺桿頭部產生背壓，使物料包裹螺桿，讓螺桿與筒體不發生碰撞。當開孔率不合適時，形成不了足夠的背壓，就無法托起螺桿，造成螺桿與筒體碰撞。

3.2 螺套、筒體襯套耐磨性差

膨脹烘干機在高溫、高壓、腐蝕、沖擊大的環境下工作，交變負荷變化頻繁，再加上螺桿在機筒內處于懸臂狀態，所以在運行過程中難免會出現螺套與機筒襯套接觸磨擦的現象。所以在這種復雜多變的環境中工作，選材尤其重要，不能單從某方面考慮，還應從實際出發綜合考量。并選擇合適的熱處理工藝，以達到滿足生產實際需要的最佳性能，來保證設備運轉的使用周期。

3.3 設備選型不對

膨脹烘干機原設計產能為4 t/h，實際產能為2 t/h；模板前設計壓力不大于7 MPa，實際操作模壓有時低于4 MPa，使機組在運行過程中不能滿負荷運轉，橡膠介質不能完全充滿整個腔體，螺桿在轉動中不能很好的支撐，產生很大的撓度，末端螺套與筒體磨擦，造成筒體內表面及螺套磨損，特別是對螺桿根部產生疲勞應力，最終會導致螺桿斷裂、縮短螺桿軸壽命。

4 改進措施

4.1 穩定凝聚單元和聚合單元的操作

凝聚設備運行正常，生產負荷平穩，確保下料均勻進入膨脹烘干機；聚合單元運行穩定，橡膠門尼值恒定，凝膠含量低，橡膠各項性能指標優良，所以橡膠到后處理單元不會出現堵膠和掛膠現象；使螺桿在交變過程中受到較小的應力。

4.2 進料斗改造

原廠進料斗是以傾斜的方式沿著螺桿的切線進行進料的設計，很容易產生窩料的現象。現在料斗改成圓錐形結構，這一段的壓縮比將會增加，進料量也會增加；為增加膠料與料斗的摩擦，提高投料效率，在料斗錐形內壁上加工幾條溝槽；同時加大了料斗錐形內壁面粗糙度的要求，使膠料不會產生粘滯感；使物料順利入筒，不會出現進斗堵料的現象。

4.3 模板開孔率調整

通過調整開孔率來控制產品的揮發分和螺桿頭部的背壓，來保證螺套與筒體不發生碰撞，生產合格的產品。

其中，N 為模孔個數，d 為模孔直徑，D 為筒體內徑。

根據不同牌號、不同的螺套來設計不同開孔率，以滿足生產工藝需求。根據此次改造情況，模板模孔設計了2.5 mm（開孔率0.67%）、3.0 mm（開孔率0.91%）、3.5 mm（開孔率1.38%）3 種規格。分別采用不同規格模孔進行負荷測試，根據產品揮發份逐步提升工作負荷，當工作負荷達到2.0 t/h，觀察產品質量和設備運行情況，來最終確定模孔規格。改造后的模板采用316L 材料，該材料耐腐蝕性、耐高溫性好，同時模板內設有蒸汽夾套，可以對模板進行加熱。

4.4 螺套及筒體襯套的表面處理

螺桿在筒體中呈懸臂狀態，旋轉時如果不能得到很好的支撐就會產生很大撓度，末端螺套與筒體襯套就會產生磨擦，筒體內表面和螺套將嚴重磨損。為此在末端螺套、筒體襯套上堆焊司太立硬質合金材料，提高耐磨性、耐高溫性、耐腐蝕性，并增加襯套厚度，同時末端螺套采用雙頭螺套，增強物料的混煉能力，提高螺桿旋轉穩定性，延長螺桿使用壽命。

4.5 螺套及筒體尺寸重新設計

為了匹配生產實際產能，需要將產能由4 t/h 降低至2 t/h。

綜合考慮各方面因素，經計算和實際結合，螺套外徑由255 mm 減小至225 mm；底徑保持不變；外徑減小，吃料空間減小，產量、負荷合理地降低和減少；部分螺套螺距按規律增大；部分螺套長度減小；總長保持不變。螺距增大導致擠壓作用減小，減少發熱同時產量、負荷合理降低和減少；相應減小與螺套配合錐筒體內孔尺寸和直筒體襯套尺寸，同時改變直筒體上與螺套配合的剪切螺釘孔位置。

4.6 剪切螺釘改造

剪切螺釘形式由螺紋連接改為光孔，設有4 個安裝螺釘及兩個拆卸螺紋孔，并且端面銑扁，安裝拆卸更方便，節省時間。材料選用3Cr13 調質處理，強度高耐腐蝕。另外剪切螺釘采用端面密封，由于緊固密封的螺栓不與介質接觸，就不會造成螺紋損壞失效引起泄漏，所以改造后密封效果好。

5 結束語

膨脹烘干機經降能改造后，設備運行正常，滿足生產實際負荷，產品質量達標；現已運行一年，沒有發生一次設備原因而停機的故障，確保了設備的長周期運行。