螺杆压缩机阳转子轴断裂及预防措施

陶 涛

(中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司，山东 东营 257000)

火炬气来源于炼油厂的各炼油及辅助装置，间断排放，所含腐蚀性成分和固体杂质多，致使压缩机故障率较高。该厂放火炬气压缩机采用LG-30/8 型湿式水冷双螺杆压缩机，使用过程中曾发生阳转子轴断裂，螺杆压缩机型号为LG-30/8，湿式双螺杆压缩机，转子为整体锻件采用SRM 型线，直径为255 mm，长径比为1.65，材质为2Cr13，壳体材质为HT250(内部涂防腐层)。参数如下:进气压力0.002 MPa，进气温度40 ℃，排气压力0.8 MPa，出口温度 不超过80 ℃，容积流量30 Nm3/min，转速2 970 r/min。

原设计为喷柴油冷却，后改为喷水冷却。该压缩机输送介质为炼油厂放火炬的燃料气，由气柜输送至高压管网。主要成分:氢气、氮气、烷烃、烯烃、一氧化碳、二氧化碳和硫化氢等，硫化氢质量分数有时高达10%。

1 轴断裂情况与腐蚀形貌观察

压缩机端面密封泄漏，振动及声音增大，停机解体检查发现阳转子动力输入端轴与梳齿密封磨损严重，轴的表面存在宏观裂纹。采取轴的磨损部位机加工后镶套的方法修复，组装后检查转子啮合间隙，轴承轴向游隙等均正常。投用后压缩机运转正常，无泄漏。连续运行约175 d，压缩机阳转子突然断裂，位置位于阳转子动力输入端轴镶套部位的根部，断面呈蝶形，凹向镶套。由于主动轴断裂后，电机持续运行了一段时间，断口受到严重磨损，通过端口分析来寻找断裂源比较困难。但在端口的周边上残留有深约2.5 mm、长约50 mm 的月状裂痕，内与深度约2 mm 的凹坑联接，坑内表面凹凸不平，并存有少量腐蚀产物。宏观观察，整个转子表面光亮，无任何一般腐蚀的痕迹(见图1)。因此可以断定，月牙状裂痕为原始裂纹，是造成阳转子轴发生腐蚀疲劳断裂的根源之一［1］。

2 腐蚀产物分析

为找出断裂发生的原因，从残留的断口凹坑处截取微小式样，采用定点测量方式对凹坑表面的腐蚀产物进行多点能谱(EXD)分析，分析结果见表1。

由表1 可见:在式样凹坑表面产物中，除材料的合金元素外，主要含有氧(质量分数最高达34.44%，最低为19.87%)、硫(质量分数最高达7.46%，最低为4.17%)等元素，说明腐蚀产物中主要成分是氧、硫与金属的化合物，因而存在湿硫化氢应力腐蚀的可能性。此外还含有少量的钠、镁、钙、铝、钾等元素，可能主要来自于压缩气体中夹带的少量无机盐类和催化剂粉末等。

图1 螺杆压缩机阳转子轴断裂Fig.1 Rupture picture of the male rotor in one screw compressor

表1 腐蚀产物进行多点能谱(EDX)分析的结果Table 1 Multipoint spectrum(EDX)analysis result of connosion product w，%

为进一步了解凹坑表面的腐蚀情况，用扫描电镜(SME)观察凹坑表面，高倍观察可以看到:腐蚀产物组织疏松(主要是硫化亚铁FeS)，有些地方有空洞，并且腐蚀凹坑底部有明显的龟裂现象。

作为对压缩机转子材质的验证，对转子基体材料的化学成分进行了分析，分析结果见表2。

表2 转子基体材料的化学成分分析结果Table 2 Chemical analysis result of the matrix material of the rotor w，%

表3 2Cr13 锻件标准(GB1220)Table 3 2Cr13 Forgings Standard(GB1220)w，%

由表2、表3 可见，转子基体中Cr 的含量基本符合2Cr13 的成分范围。

3 转子轴断裂的影响因素分析

根据以上分析和端口形貌，可以认为螺杆压缩机阳转子轴的断裂始于原始裂纹，在湿硫化氢环境下发生的腐蚀疲劳破坏，并存在有应力腐蚀开裂倾向。

3.1 磨损的影响

阳转子轴的断裂处位于梳齿密封与轴的磨损部位。梳齿密封与轴的磨损产生局部高温，该螺杆压缩机为喷水冷却，高温部位受到激冷，由于局部产生较大的热应力以及因不同时发生马氏体转变所形成的组织应力，故2Cr13 材料易产生裂纹。

3.2 应力集中的影响

断裂处位于阳转子与轴的变径处，截面变化大，退刀槽底部几乎无过度圆角，应力集中倾向很大，由于截面变化大和冷却(或传热)不均匀，更易形成较大的温差热应力。而且压缩机运行过程中，上述状况是不断变化的，因此形成了交变应力状态，很可能达到疲劳破坏的条件，产生疲劳裂纹。

3.3 介质腐蚀的影响

火炬气由炼油厂各装置放出，成分复杂，有时硫化氢质量分数高达10%。为节约新鲜水，压缩机出口分液罐中的水注入压缩机循环使用(少量补充新鲜水)，水质很差(由操作人员目测)时才大量置换，喷入压缩机的水中会含有含量较高的H2S 和Cl-等。压缩机转子处于化学腐蚀和应力腐蚀的环境，而且轴的断裂处受到各种应力作用，因此能达到应力腐蚀条件，产生应力腐蚀裂纹。

3.4 交变应力的影响

在承受弯矩旋转弯曲的情况下，转轴上的各个截面将受正弦规律连续交替作用的拉应力和压应力，周边上的各点的应力幅度最大。所以，一旦转轴上出现疲劳源，疲劳源两侧会交替出现比内部应力大的拉应力，疲劳裂纹在两侧的扩展速度比向中心部位快。另外，由于旋转，相当于弯曲载荷的作用面逆旋转方向而动，致使疲劳裂纹的前沿顺着载荷移动方向扩展的速度快，所以旋转疲劳断口的瞬断区不在疲劳源的正对面，而是旋转一个角度，通常可达15°。疲劳源有些情况是多点。图2 为另一台螺杆压缩机阳转子轴断裂的情况。

图2 另一台螺杆压缩机阳转子轴断裂Fig.2 Rupture picture of the male rotor in another screw compressor

3.5 马氏体不锈钢耐蚀性影响

马氏体不锈钢因其对钝化膜破坏的自修复能力不足，在各类潮湿大气和湿硫化氢介质中，均能发生点蚀和应力腐蚀。如1Cr13 钢U 型式样(热处理制度:982 ℃，15 min 空冷至371 ℃回火，空冷;屈服强度1 000 MPa)，在实验介质3%Na +H2S 溶液中，当载荷应力为750 MPa 时，断裂时间仅需2 h。马氏体不锈钢随含C 量的提高，钢的强度、硬度提高但耐蚀性下降，耐硫化氢应力腐蚀敏感性提高。

3.6 热处理的影响

由于压缩机转子为整体锻件，而断裂处正处于螺杆与轴的变截面处，此处是热处理的薄弱处。由于截面变化大，加工余量的预留量，淬火与回火参数的确定及控制等因素，该处组织的均匀及性能可能不稳定。新转子亦有在该处发生断裂的实例。

4 防止转子断裂的措施

4.1 改进制造工艺或改变材质

采用2Cr13 整体锻件转子，要采用更合理的锻制工艺，适当加大锻造比，粗加工后留合适的加工余量进行调质处理，制定调质工艺时，要着重保证变截面处轴的组织和性能稳定。

用35CrMo 整体锻件转子，轴的强度提高，承载能力提高，实际运行中未出现阳转子轴的断裂，但35CrMo 整体锻件转子螺杆外表面及密封线的耐腐蚀能力比2Cr13 整体锻件转子差。

为保证螺杆的耐腐性能和轴的强度，可采用2Cr13 螺杆镶35CrMo 或25CrMoV 轴的方法。在修复该螺杆压缩机断轴的阳转子时，采取过只镶动力输入端半轴和镶整轴的两种方法，过盈配合加键传扭，运行情况比较好，可连续运行一年半以上。

4.2 降低应力集中

阳转子为主动轴，该截面传递了螺杆压缩机的全部载荷，同时受到横向弯矩的作用，受力最大。由于该截面变化大，螺杆与轴的根部过度圆角小，形成了较大的应力集中。因此，断裂皆发生于该截面的根部。由于该截面紧靠梳齿密封，轴向空间很小。若采用整体转子方案，可采取向螺杆内部加工过度圆槽的方法，亦可再在螺杆的端面加工消除应力环槽。若采用镶轴的方案，可在靠近螺杆断面处加工锥孔，逐步减小过盈量，或在螺杆的端面加工消除应力环槽。在镶轴修复阳转子时，在靠近螺杆断面处加工锥孔，逐步减小过盈量降低应力集中效果较好。

4.3 保证装配质量

螺杆压缩机的装配质量，尤其是转子的平行度、端面间隙、顶间隙、啮合间隙、与壳体的同轴度、同步齿轮啮合间隙等，对压缩机的平稳运行和转子的受力影响很大。有过仅运行3 d 就发生阳转子轴此处断裂的情况。要避免密封梳齿与轴的摩擦，摩擦会使轴产生裂纹或金相组织发生变化降低性能。压缩机振动大、轴承有问题应及时检查修理。

4.4 控制介质对轴的腐蚀

该压缩机原设计为喷柴油冷却，使用柴油循环冷却运行时，阳转子和阴转子表面都结一层胶质，需要间断清洗，致使该螺杆压缩机不能长期连续运行。喷柴油冷却的成本亦太高，因此，改为水冷却。由于放火炬气中成分复杂，硫化氢质量分数有时大于10%，并含有氯离子等。冷却水循环使用，逐步浓缩，腐蚀成分浓度逐步升高，对压缩机产生腐蚀，并形成应力腐蚀环境。控制放火炬气的腐蚀性困难，现无有效手段。为降低冷却水的腐蚀性，可以加强分析监控，筛选添加缓蚀剂，适当进行置换。另有设想方案，在阳转子的螺杆与轴的变截面处，注入清洁的新鲜水，改善该处的腐蚀环境，避免该处产生应力腐蚀。

5 结语

由于炼厂放火炬气含有硫化氢、氯离子等腐蚀成分和固体杂质等，螺杆压缩机的转子在化学腐蚀和应力腐蚀的环境中工作，并且承受交变动载荷的作用。螺杆压缩机阳转子轴的动力输入端螺杆端面处的交变应力较大，应力集中倾向较大，阳转子轴断裂的主要原因是硫化氢应力腐蚀和疲劳断裂。对于2Cr13 整体转子，可通过采取改进热处理工艺提高轴的材料的机械性能，减小断裂处的应力集中，控制冷却水的腐蚀性等措施，防止螺杆压缩机阳转子轴的动力输入端螺杆端面处发生断裂。若采取2Cr13 螺杆与35CrMo(或25Cr2MoVA)轴组合的镶嵌结构转子，耐腐蚀和抗断裂性能较好，可用于新制转子和旧转子的修复。

［1］何德芳.李力.虞和济.失效分析与故障预防〔M〕.北京:冶金工业出版社，1989:57-70.