搅拌器非驱动端短轴断裂的分析与对策

苏权辉

（中国石化茂名石化公司化工分部，广东茂名 525021）

0 引言

某石化企业20 万吨/年的聚丙烯装置采用INEOS 两釜式反应的气相法工艺，产品包括均聚、无归共聚、高抗冲共聚、抵抗冲共聚物等牌号。首釜反应器和末釜反应器的搅拌器的长度均为15.638 m，重量约19 t，由两端的实心支撑半轴和中间的空心轴组成，其中空心轴长度为13.583 m，与两端实心支撑半轴使用螺栓联接。搅拌器主电机功率为450 kW，转速为15 r/min，搅拌器主要由驱动端和非驱动端的滚动轴承来支撑。

搅拌器于2014 年8 月投入运行，首釜搅拌器的非驱动端短轴于2019 年9 月拆下来修复轴承安装部位，2020 年4 月换上使用，2020 年7 月检修发现搅拌器非驱动端短轴断裂。

1 搅拌器非驱动端短轴断裂的基本情况

首釜反应器在2020 年6 月13 日出现明显的块料敲击声，7月26 日装置停车检修，按照计划对该反应器开罐清理块料，检查发现搅拌器非驱动端的支撑半轴断裂。设备解体后发现，非驱动端短轴在密封阶梯轴到轴承支撑轴的变径转角处断裂，距离轴端约280 mm（图1）。

图1 断裂部位

2 搅拌器非驱动端短轴断裂原因的分析

2.1 搅拌器运行参数的分析

查询首釜反应器搅拌器6 月到停车前的运行参数，主要是搅拌器运行功率、搅拌器运行电流、搅拌器非驱动端轴承温度和反应器1 区靠近浮动端挡板的温度，各参数的趋势平稳，未有明显突升或突降趋势（图2）。特别是搅拌器非驱动端轴承温度基本保持在正常温度范围60～65 ℃，运行平稳。

图2 反应器各运行参数

2.2 非驱动端短轴断口的宏观分析

非驱动端短轴断口的宏观形貌，断口总体平整，没有明显的塑性变形和剪切唇，局部存在刮擦和碰磨痕迹，可观察到碾压痕和疲劳辉纹，且断口上可观察到的裂纹源区、扩展区和瞬断区。该断口的形貌属于典型的疲劳断裂断口形貌（图3）。

图3 断口宏观形貌

进一步观察，裂纹起源于非驱动端短轴在密封阶梯轴到轴承支撑轴的变径转角过渡处的外表面，可观察到以裂纹源为原点的放射纹，且断口上有多个裂纹源。裂纹在外表面启裂后，在交变载荷的作用下，向中心方向扩展，当相邻两个裂纹源的裂纹扩展重合时，就形成了1 个棘轮标记，断口上可观察到多个明显的棘轮标记，这说明开裂属于多源启裂。裂纹源主要分布在轴的上下两侧。根据裂纹起源于外表面、位于转角过渡处、多裂纹源、环向裂纹、裂纹源分布于轴的圆周等特征，判断为短轴在机加工修复过程中在短轴变径转角过渡处表面留下了应力集中的痕迹。搅拌器在运行过程中在某段时间受到了较大的弯曲作用力，搅拌器在短轴变径转角过渡处所受到的作用力超过了材料的疲劳强度，在轴外表面产生了皱褶和裂纹，成为疲劳裂纹源。在重载荷的不断作用下，搅拌器在非驱动端短轴转角过渡处发生疲劳断裂。

瞬断区断口的宏观形貌较为粗糙、面积较小，说明非驱动端短轴在断裂时所受的应力不大。

综上所述，搅拌器非驱动端短轴在机加工修复过程中在短轴转角过渡处表面留下了应力集中的痕迹，在运行过程中在某段时间受到了较大的弯曲作用力，在短轴变径转角过渡处所承受的应力超过了材料的疲劳强度，从而萌生了疲劳裂纹。疲劳裂纹萌生后，在交变载荷的作用下不断扩展直至断裂。

2.3 非驱动端短轴断口电镜扫描分析

为了进一步分析断裂的过程和特征，对断口进行了电镜扫描分析（图4）。

图4 电镜扫描区域

（1）观察裂纹源区（区域1）的微观形貌。裂纹起源于断轴外表面，存在以裂纹源为原点的放射纹（图5a））。裂纹自裂纹源点启裂后，呈沿晶解理向轴中心扩展（图5b）），可观察到碾压痕和疲劳辉纹（图5c）、图5d））。

图5 裂纹源区微观形貌（区域1）

（2）观察裂纹扩展区的微观形貌。从多个裂纹扩展区域的微观形貌可以看出，断面整体较平整，高倍下可观察到碾压痕和疲劳辉纹，进一步说明非驱动端短轴断裂属于疲劳断裂（图6）。

图6 裂纹扩展区微观形貌

（3）观察瞬断区的微观形貌。局部可观察到韧窝，非驱动端短轴断裂的瞬间存在一定的塑性变形（图7）。

图7 瞬断区微观形貌

（4）观察断口能谱分析结果。断口上主要物质为金属和金属氧化物，没有发现其他腐蚀物质（图8，表1）。这排除非驱动端短轴受到腐蚀所致的断裂。

表1 断口化学成分%

图8 断口能谱截图

2.4 非驱动端短轴断口的金相分析

分别在断轴近表面和中心部位取样进行金相观察，近表面和中心部位材料金相组织均为铁素体+回火索氏体，为45#钢正火或回火组织（图9、图10）。

图9 近表面材料金相组织

图10 中心部位材料金相组织

2.5 非驱动端短轴的化学成分分析

对断轴进行了全定量光谱分析，分析结果表明，断轴材料与我国45#钢相符（表2）。

表2 化学成分分析结果（质量分数） %

2.6 非驱动端短轴的性能分析

对断轴取样进行常温拉伸、冲击和硬度测试，测试结果表明，非驱动端短轴材料的屈服强度、抗拉强度、冲击功和硬度均符合GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》对45#钢的要求（表3～表5）。

表3 常温力学性能

2.7 非驱动端端板密封和轴承的情况

非驱动端端板密封的结构为反应釜侧和轴承侧均使用2个唇封的密封结构，中间通过丙烯吹扫气来避免聚丙烯细粉进入轴承侧（图11）。唇封是线接触密封，容易出现磨损和密封效果不好的情况。本次检修拆开非驱动端的封头后发现，唇封已经磨损，并且非驱动端轴承座堆积有聚丙烯细粉，说明端板密封已经失效（图12、图13）。

图11 端板密封结构

图12 端板密封磨损

图13 非驱动端轴承座积粉

轴承座的密封是填料密封加迷宫密封的结构，其密封效果比较差（图14）。搅拌器正常运行时该封头的压力为2.15 MPa，当该轴承座被聚丙烯细粉盖住时，聚丙烯细粉容易进入轴承箱内部，污染润滑脂造成轴承的润滑效果变差，会导致轴承的异常磨损。本次检修拆开轴承座的外壳后，发现已经有聚丙烯细粉污染润滑脂，在一定程度上造成搅拌轴异常受力（图15）。

图14 轴承座封结构

图15 轴承座的润滑情况

表4 常温冲击功Akv J

表5 硬度测试结果 HB

2.8 搅拌轴的有限元分析

将该搅拌轴建模导入ANSYS10.0 进行有限元分析，其边界约束条件为2 个轴承的支撑部位，加载转速为15 r/min（1.57 rad/s），计算中考虑速度对其影响，重力加速度产生的惯性加速度设置为9.8 m/s2。

根据以上约束、加载，在ANSYS 中对模型进行计算，从整体应力分布图可以看出，支撑轴的主要应力集中部位处于轴两端阶梯轴的变径结合处，这与实际断轴部位比较接近（图16）。

图16 搅拌轴的整体应力图

进一步放大非驱动端短轴的应力分布图，可以看出非驱动端短轴的较大应力部位处于密封阶梯轴到轴承支轴的变径结合处，比较接近实际断裂位置（图17）。

图17 非驱动端短轴的整体应力图

3 采取的改善策略

3.1 非驱动端端板密封的改造

非驱动端端板的密封改用注气式碳环密封结构，反应釜侧和轴承侧均采用2 个带有拉紧弹簧的聚苯酯碳环密封，轴套为表面硬化处理的304#不锈钢，轴套通过定位螺栓固定在非驱动端短轴的原密封阶梯轴上（图18）。

图18 注气式碳环密封结构

该注气式碳环密封是通过在端板上注入干净的丙烯气对碳环进行冷却和吹扫，吹扫密封腔的内外压差为0.05～0.1 MPa。聚苯酯碳环密封为面接触，可以有效隔离聚丙烯细粉并减少密封气的耗量。另外，聚苯酯碳环密封采用拉簧拉紧的抱紧环结构，当聚苯酯碳环密封内孔磨损后仍有一定的补偿效果，可以保证使用寿命，达到隔离聚丙烯细粉进入非驱动端封头的目的。

该结构采用了表面硬化处理的轴套，可以取消原设计非驱动端短轴在密封阶梯轴表面硬化处理的要求，消除非驱动端短轴由于表面硬化处理带来的应力集中问题，有效提高非驱动端短轴的使用寿命。

3.2 轴承座密封的改造

轴承座的密封采取轴承保护器的密封结构，也就是在轴承的密封端设计一个专用的轴承隔离器。该轴承隔离器由动环和静环两部分组成。带有氟橡胶O 形密封圈的动环与轴配合同步转动，动环内部设计有迷宫沟槽和回油槽，动环内侧O 形圈与轴表面形成密封。静环通过法兰盖固定在轴承座的端盖上，静环内部设计有迷宫沟槽和排污槽，结合盖与端盖之间采用密封胶和O 形圈形成密封（图19）。

图19 轴承保护器结构

轴承保护器设计有动静环密封，能起到隔离聚丙烯细粉的作用，确保聚丙烯细粉不进入轴承内部。轴承保护器形成了内部防止润滑油泄漏、外部防止水汽和聚丙烯细粉进入的保护作用。

3.3 非驱动端短轴的改进

对于非驱动端短轴的修复，严格控制机加工的质量。机加工完成后，在倒角的位置必须进行抛光，同时使用超声波检查是否有缺陷。

由于非驱动端短轴断裂发生在明显的应力集中部位，新短轴采取对阶梯轴根部加大过渡圆角的办法，将倒角半径由35 mm 加大到45 mm，提高其机械性能。另外，由于端板密封采用的注气式碳环密封结构已经设计有表面硬化处理的轴套，新制作的短轴取消在阶梯轴位置处的表面硬化处理，避免应力集中的问题（图20）。

图20 新短轴的改进设计

4 结束语

反应器搅拌器是聚丙烯装置的关键机组之一，非驱动端短轴的断裂，对生产造成严重影响。本文通过对短轴断裂原因的分析，得出了非驱动端短轴在机加工修复过程中在短轴变径转角过渡处表面留下了应力集中的痕迹，在非驱动端短轴端板密封效果变差的情况下，聚丙烯细粉进入非驱动端封头，在封头压力2.15 MPa 的作用下，聚丙烯细粉进入轴承座内部，影响轴承润滑状况，使搅拌轴异常受力。搅拌器在某段时间受到了较大的弯曲作用力，短轴在变径转角过渡处所承受的应力超过了材料的疲劳强度，从而萌生了疲劳裂纹；疲劳裂纹萌生后，在重载荷的作用下不断扩展，直至断裂。

目前采取了非驱动端端板密封使用注气式碳环密封结构和轴承座的密封使用轴承保护器的密封结构等措施，已使用1 年多，搅拌器运行的情况良好。今后对短轴的修复，要求在倒角位置机加工后必须抛光，同时使用超声波检查确认不存在缺陷。对于新轴，在阶梯轴根部加大过渡圆角和取消在阶梯轴处的表面硬化处理，避免应力集中问题，从而确保搅拌器的长周期运行。