熔融泵在聚丙烯裝置擠壓造粒中的應(yīng)用

譚 鵬，許 普，方鎮(zhèn)子

（中國石油廣西石化公司，廣西欽州 503008）

1 擠壓機(jī)工作原理

聚丙烯擠壓造粒主要由主電機(jī)、主電機(jī)齒輪箱、喂料斗、筒體、雙螺桿、節(jié)流閥、開車閥、熔融泵、換網(wǎng)器、模板、水下切粒機(jī)等組成。其工作原理是：聚丙烯粉末在喂料斗中依靠自身重力持續(xù)為筒體供料，在筒體中被同向嚙合旋轉(zhuǎn)的雙螺桿輸送和混煉熔融，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流再進(jìn)入熔融泵進(jìn)行加壓；加壓后的聚丙烯樹脂經(jīng)過換網(wǎng)器進(jìn)行雜質(zhì)過濾后，從模板擠出，經(jīng)過水下切粒機(jī)進(jìn)行切粒后由顆粒水輸送到后續(xù)加工單元。在聚丙烯擠壓造粒機(jī)組中，熔融泵的作用是將來自筒體混煉的熱熔聚丙烯樹脂通過兩齒輪旋轉(zhuǎn)形成的容積變化進(jìn)行加壓。它主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過一個(gè)帶外部潤滑油和冷卻系統(tǒng)的螺旋錐齒輪減速箱帶動(dòng)熔融泵工作。作為擠壓造粒步驟中的關(guān)鍵設(shè)備，熔融泵對(duì)裝置的長穩(wěn)運(yùn)行起到重要作用。

2 熔融泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及作用

該熔融泵型號(hào)為MP360-1 SBC，包括變頻電機(jī)、滑移離合器、齒輪箱、準(zhǔn)雙曲面齒輪耦合和卡登軸、齒輪泵以及4 個(gè)螺紋軸密封，并帶有振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)和撬裝的熱油油溫控制系統(tǒng)（圖1）。其中，變頻電機(jī)主要提供熔融泵系統(tǒng)所需動(dòng)力；過載離合器主要實(shí)現(xiàn)變頻電機(jī)與齒輪箱中的力矩傳送，同時(shí)防止傳動(dòng)裝置過載；潤滑油系統(tǒng)配備了2 臺(tái)油泵、1 個(gè)油冷器、2 個(gè)互為備用的油過濾器；撬裝的油溫控制系統(tǒng)，用于泵體加熱和密封冷卻。

圖1 熔融泵結(jié)構(gòu)

該熔融泵與德國Coperion 公司生產(chǎn)的ZSK320 系列擠壓造粒機(jī)配套使用。

2.1 螺旋錐齒輪減速箱

齒輪箱是一個(gè)二級(jí)變速的減速箱，作用是傳輸來自電機(jī)的動(dòng)力（圖2）。其輸入功率為725 kW，電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速150～2000 r/min，經(jīng)二級(jí)減速后齒輪箱輸出的速度為20～40 r/min，以滿足熔融泵正常工作所需的轉(zhuǎn)速要求，可以滿足每年8760 h 的不間斷工作要求。在維護(hù)保養(yǎng)方面，必須每天檢查一次齒輪箱的油位，此檢查齒輪箱的漏油情況。在大約500 h 后進(jìn)行首次換油，之后每經(jīng)過3000 h 更換一次潤滑油，但最長換油間隔不能超過18 個(gè)月。此外，每天必須通過振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)箱體振動(dòng)情況，并記錄相應(yīng)振動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖2 齒輪箱結(jié)構(gòu)

2.2 螺紋軸密封

螺紋軸密封也叫金屬軸襯，在熔融泵體上共配備有4 個(gè)，每個(gè)螺紋軸密封都單獨(dú)設(shè)有冷卻通道和內(nèi)部螺紋，即退料管螺紋（圖3）。它通過外部冷卻水與熔融樹脂的作用形成軸端密封，將熔體泵滑動(dòng)軸承后方的螺母群區(qū)域與外界環(huán)境進(jìn)行隔開：一方面防止熔融樹脂沿軸向向外部環(huán)境泄漏，另一方面防止泵軸或泵體軸承溫度受外界環(huán)境溫度的影響。

圖3 螺紋軸密封

2.3 齒輪泵

本產(chǎn)品為KF 型傳輸齒輪泵，用來抽送各種流體（圖4）。其標(biāo)準(zhǔn)外殼由灰鑄鐵制成，齒輪裝置由高強(qiáng)度表面硬化鋼制成，經(jīng)過適當(dāng)硬化后安裝到特殊多成分滑動(dòng)軸承套內(nèi)。此類泵適用于低潤滑性的介質(zhì)。

圖4 齒輪泵結(jié)構(gòu)

2.4 撬裝熱油系統(tǒng)

在工作過程中，熔融泵的泵軸和泵軸承會(huì)形成粘性的摩擦熱量，為了避免過熱產(chǎn)生抱軸現(xiàn)象或?qū)θ廴诒皿w造成實(shí)際性損壞，必須轉(zhuǎn)移消除摩擦熱，所以熔融泵本體配備有一套熱油油溫控制系統(tǒng)，具有油加熱與油冷卻作用。該油溫控制系統(tǒng)對(duì)泵軸和泵軸承溫度進(jìn)行控制，在降溫時(shí)軸先冷卻，軸承后冷卻；升溫時(shí)軸承先加熱、泵軸后加熱，保證軸承溫度與泵軸溫度形成一定的溫度差，有效避免熱脹冷縮情況下軸承與軸出現(xiàn)的咬合抱死情況，防止泵軸和軸承遭受實(shí)際性損壞，延長軸和軸承的使用壽命。

3 熔融泵操作要點(diǎn)

3.1 啟動(dòng)前灌泵

在安裝后第一次開車前，由于熔融泵體內(nèi)處于空的狀態(tài)，而熔融泵齒輪和泵軸承需要靠熔融的物料實(shí)現(xiàn)自潤滑，所以運(yùn)行前的灌泵是必不可少的。在開車前應(yīng)先停掉螺紋軸封的冷卻水，然后通過盤車方式將熔融態(tài)樹脂引入熔融泵，直到螺紋軸封處流出樹脂則灌泵完成。如果灌泵不充分，則會(huì)導(dǎo)致熔融泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中因干摩擦而損壞齒輪和軸承。

3.2 電流變化

熔融泵為容積式齒輪泵，從擠壓機(jī)螺桿出來的聚丙烯樹脂熔體直接進(jìn)入熔融泵，其排出體積固定。在熔融泵充滿的情況下，轉(zhuǎn)速與負(fù)荷成正比關(guān)系，即負(fù)荷越高轉(zhuǎn)速越大。電流與樹脂的熔融指數(shù)有關(guān)，隨著樹脂熔融指數(shù)變化，其電流也會(huì)相應(yīng)改變，即隨著熔融指數(shù)上升熔融泵的電流是下降的，這在切換牌號(hào)的過程中尤其需要注意。因此，在切換牌號(hào)過程中可以通過監(jiān)測(cè)熔融泵的填充率，幫助判斷聚丙烯樹脂產(chǎn)品的切換進(jìn)度，方便操作員及時(shí)作出準(zhǔn)確調(diào)整。

3.3 啟動(dòng)速度控制

熔融泵的驅(qū)動(dòng)速度通過一個(gè)PID 控制器控制。PID 控制器是根據(jù)熔融泵入口的吸料壓力來工作的，因此熔融泵的速度會(huì)隨著雙螺桿擠壓造粒機(jī)的產(chǎn)量變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)。但是在啟動(dòng)階段，當(dāng)熔體泵開始進(jìn)料的瞬間，熔體壓力急劇上升，所以必須使用固定的啟動(dòng)速度，以避免熔體泵的初始轉(zhuǎn)速差過大。當(dāng)啟動(dòng)速度滿足后，會(huì)自動(dòng)切換為由熔融泵吸入壓力控制的速度調(diào)節(jié)模式。

熔融泵的入口壓力波動(dòng)過大會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量及機(jī)組安全，因此保證入口壓力穩(wěn)定是維持平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。當(dāng)擠壓機(jī)負(fù)荷變化時(shí)，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可以保證入口壓力穩(wěn)定，因此在操作中要優(yōu)化控制器參數(shù)。

4 存在的問題及解決措施

4.1 旋轉(zhuǎn)接頭漏油

（1）原因分析：旋轉(zhuǎn)接頭是將流體介質(zhì)從靜止的管道輸入到旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備中，再從旋轉(zhuǎn)接頭中排出的連接密封裝置。旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)有球面環(huán)（又稱密封環(huán)）、支撐環(huán)、彈簧、內(nèi)轉(zhuǎn)子、端蓋和殼體，其中，球面環(huán)主要起密封作用，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)球面和端蓋的球面組成密封面，也叫動(dòng)密封；支撐環(huán)主要起支撐作用、支撐著轉(zhuǎn)子，彈簧裝在支撐環(huán)的后面，在球面環(huán)磨損的情況下依靠彈簧補(bǔ)償推動(dòng)力。從拆檢情況來分析，球面環(huán)磨損嚴(yán)重，端面磨損超過4.5 mm，軸向長度變短，彈簧補(bǔ)償力達(dá)到極限最終導(dǎo)致密封面失效。彈簧補(bǔ)償失效后，轉(zhuǎn)子與彈簧墊片失去平衡力從而相互竄動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與石墨支撐環(huán)相互摩擦，磨損的間隙越磨越大，端蓋的密封點(diǎn)也失去效應(yīng)，導(dǎo)熱油大量泄漏。

（2）處理辦法：①從往年的運(yùn)行情況來看，球面密封環(huán)的使用壽命為2 年比較合適，應(yīng)做好合理評(píng)估球面密封環(huán)的使用壽命，做到計(jì)劃性更換，根據(jù)目前的使用情況，2 年更換一次比較合理；②避免頻繁啟停，設(shè)備的頻繁啟停會(huì)造成旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)轉(zhuǎn)子的竄動(dòng)、損傷密封面，從而加快密封面的磨損速度，因此應(yīng)減少開停車次數(shù)、降低密封面的損壞速度；③高溫導(dǎo)熱油容易結(jié)焦，在密封面形成高點(diǎn)、導(dǎo)致密封環(huán)偏磨；④應(yīng)保證導(dǎo)熱油系統(tǒng)清潔，升降溫速度均衡，避免快速的升降溫操作。

4.2 離合器星形梅花墊破損引起驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)增大且異響

（1）原因分析：星形梅花墊主要是用于離合器中間連接，起到減振、絕緣、緩沖、傳遞扭矩的作用。星形梅花墊的使用壽命受其材料、硬度、現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境以及安裝方式等影響，材料、硬度決定其傳遞扭矩的大小。當(dāng)長時(shí)間使用后，易出現(xiàn)老化變硬并脆化破裂的現(xiàn)象。某公司聚丙烯裝置維護(hù)人員在巡檢過程中就曾發(fā)現(xiàn)，熔融泵離合器異響及電機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)有明顯上升的情況，但離合器外觀并未有異常。經(jīng)過對(duì)離合器結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行綜合分析判斷，初步判斷為離合器撓性星形梅花墊磨損后出現(xiàn)空隙導(dǎo)致對(duì)輪碰撞產(chǎn)生異響，并使驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)增大。后手動(dòng)將擠壓造粒機(jī)組停下檢查，發(fā)現(xiàn)離合器防護(hù)罩上有碎片。拆開防護(hù)罩，驗(yàn)證了初始的故障判斷，異響及振動(dòng)增大是離合器星形梅花墊破碎導(dǎo)致的。

（2）處理辦法：①清理離合器梅花墊碎片，打磨對(duì)輪碰撞磨損部位，更換回裝新的星形梅花墊，并進(jìn)行重新找正；②加強(qiáng)相關(guān)人員專業(yè)技術(shù)培養(yǎng)，在檢修更換或購買配件時(shí)嚴(yán)格把關(guān)，確保產(chǎn)品質(zhì)量合格。在日常機(jī)組運(yùn)行中，加強(qiáng)操作人員的專業(yè)技術(shù)提升，嚴(yán)格監(jiān)控各點(diǎn)振動(dòng)及溫度，對(duì)異常情況做出準(zhǔn)確判斷和評(píng)估；③完善熔融泵齒輪箱振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控；④深入了解設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，便于故障分析。

4.3 過載離合器轉(zhuǎn)速差報(bào)警

（1）原因分析：過載離合器安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和熔融泵齒輪箱之間，防止齒輪泵傳動(dòng)裝置的過載。驅(qū)動(dòng)電機(jī)側(cè)和齒輪箱側(cè)的離合器防護(hù)裝置內(nèi)各裝有一個(gè)接近傳感器，該傳感器的信號(hào)傳給安裝在控制柜內(nèi)的電子控制離合器監(jiān)控裝置，其作用是當(dāng)離合器開始運(yùn)行或者運(yùn)行期間，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)端電機(jī)與齒輪箱側(cè)的速度差情況，當(dāng)速度差大于允許速度差時(shí)熔融泵離合器會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差報(bào)警并且自動(dòng)聯(lián)鎖停車。轉(zhuǎn)速差報(bào)警的主要原因見表1。

表1 轉(zhuǎn)速差報(bào)警原因

（2）處理辦法：①檢查接近傳感器的檢測(cè)距離，如果位置、距離已發(fā)生變化，重新設(shè)定距離，并檢查觸點(diǎn)松動(dòng)情況，如有松動(dòng)則需要進(jìn)行擰緊處理；②檢查輸送電纜是否有破損情況，有破損的則應(yīng)更換新電纜；③檢查離合器摩擦面，找出污染的原因并更換新的摩擦件，這一點(diǎn)在離合器安裝時(shí)尤為重要，因此必須在無油的環(huán)境下拆卸或安裝離合器。

5 結(jié)束語

本文對(duì)熔融泵的操作要點(diǎn)及常見問題處理進(jìn)行剖析，目的是在今后熔融泵的相關(guān)運(yùn)行中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在操作中通過現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試和監(jiān)測(cè)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障原因，并進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。通過對(duì)故障原因的分析、查找根源，以徹底解決故障，保證擠壓造粒機(jī)組設(shè)備能夠長周期、穩(wěn)定運(yùn)行。