丁二烯螺杆压缩机转子故障分析与修复措施

莫才颂, 王岗罡, 林荣雄

（1. 广东石油化工学院机电工程学院， 广东 茂名 525000；2. 中国人民解放军驻211厂军事代表室, 北京 100076； 3. 茂名西南石化工程建设有限责任公司，广东 茂名 525000）

丁二烯螺杆压缩机转子故障分析与修复措施

莫才颂1, 王岗罡2, 林荣雄3

（1. 广东石油化工学院机电工程学院， 广东 茂名 525000；2. 中国人民解放军驻211厂军事代表室, 北京 100076； 3. 茂名西南石化工程建设有限责任公司，广东 茂名 525000）

就某炼油厂丁二烯螺杆压缩机组经过年度检修后运行是时出现的异常现象进行分析, 指出压缩机运行时整个转子进口到出口温差较大，受热不均匀，产生的热应力也不均匀，转子发生弯曲变形进而引起转子接触碰磨故障，提出处理方法与修磨措施对损坏转子进行修复。

无油螺杆压缩机；转子碰磨；故障分析；修复

螺杆压缩机在石油化工行业中，很多工艺气体多使用无油螺杆压缩机进行压缩。在丁二烯装置生产中，无油螺杆压缩机是实现从常压塔到带压塔进料，提供动力的两段压缩的关键性设备。其主要性能参数如表1。

装置主要工艺气体流程：工艺气体由压缩，旁路、消声系统，排泄系统和对应的安全和控制系统组成。通过入口的消音器吸入气体经1段压缩机压缩后，经过中冷器和排污分离器输送到2段压缩达到工艺要求，在压缩机每级的出口管线上各装有一台安全阀和出口止回阀。

1 螺杆压缩机的结构工作原理

1.1 螺杆压缩机的结构

螺杆压缩机的结构里，两螺杆齿面留有较小的间隙，阳螺杆通过对轮与增速箱连接，阴螺杆由阳螺杆通过同步齿轮驱动，同步齿轮保持两螺杆的间隙，阴同步齿轮设有游隙调节齿盘，用于保持同步齿轮的啮合侧间隙。阳螺杆齿数4个，阴螺杆齿数为6个，齿型为为非对称型。

表1 螺杆压缩机的参数Table 1 The performance of screw compressor

1.2 螺杆压缩机的工作原理

双螺杆机由阴、阳转子叶片、汽缸、进出口侧板组成一个工作容积。在入口端，阴阳螺杆偏离啮合点时，空间容积变大，气体被吸入阴阳转子叶片的空间，随着转子的回转，容积不断扩大，当这两个容积达最大时，齿间容积与吸气口断开，吸气过程结束，如图 1(a)。吸气过程结束后，该齿槽前后端分别被前后盖板封闭，齿槽容积不变，只是带着气体旋转，随着转子的旋转，阴阳转子进入啮合使阴阳转子的齿间容积相通并容积减小，气体被压缩，如图 1(b)，直至齿间容积与排气口相通，排气过程开始，图1(c)，直至该容积对达到最小值，如图1(d)。阳转子旋转360°，完成一个循环。

2 螺杆压缩机转子故障分析

2.1 故障描述

机组2012年度检修时，除正常检查、调整了转子上一些零件并作了动平衡，对轴系的转子对中情况进行了调整等。

检修后启动机组时, 压缩机运行正常。机组运行1周后，巡检人员在例行检查过程中发现机组出口温度骤然升高,在12 min内已达102 ℃, 手动紧急停机，停转后盘车发现1段已经盘车不动，拆卸一段发现转子已经抱死，解体检修。拆检时发现 1段转子已经发生了螺杆接触碰磨的现象，因当时停车及时而使故障没有进一步发展变成事故。

2.2 螺杆压缩机损坏的特征

（1）螺杆损坏类似于齿轮的胶合，从螺杆齿顶部开始，沿齿面均有挤压和片状拉伤、剥落痕迹[1]。

（2）螺杆损坏部位主要发生在螺杆排气端，由高压端到吸入端逐渐减少。

（3）汽缸出口段的相应位置也损坏。

（4）机组其他部件：轴承、同步齿轮、碳环密封、机械密封均没有损坏，检测后可以使用。

图1 螺杆压缩机的工作过程Fig.1 The working process of screw compressor

（5）螺杆压缩机转子发生了接触碰磨，转子的材料是13Cr, 抗胶合的能力非常弱。当两螺杆齿面接触瞬间产生高温，使相啮合的齿面的金属融化，发生粘焊现象，两齿面相对滑动，粘焊处即被撕脱，在齿面上就形成沿相对滑动方向的划痕。从螺杆齿面损坏由出口端到入口端逐渐减小直至没有，说明螺杆发生接触时以高压端为主，越往低压端，螺杆接触的可能性越小[2]。汽缸发生损坏但情况相对来说较为轻微，部位只是集中在转子发生胶合的对应位置，其他部位没有接触。螺杆压缩机损坏的转子如图2。

2.3 转子碰磨故障原因分析

2.3.1 安装精度不符合要求造成转子的碰磨

图2 损坏的螺杆压缩机转子Fig.2 The damaged rotor of screw compressor

在螺杆压缩机中，转子啮合间隙是重要指标，因啮合间隙两侧的压差较大，气体随这通道泄露，占据了压缩机泄露损失的很大部分。无油螺杆机工作时阴阳转子是不接触的，在不影响安全运转的前提下，啮合间隙设计越小效率越高。当各种原因使阴阳转子发生接触碰磨时，转子将产生胶合甚至抱死的故障，因此，转子的啮合间隙调整精度直接影响到螺杆机的安全运转。在阴，阳螺杆齿面上，如图3是阴阳转子啮合间隙变化的过程，当阴阳转子处于啮合状态时，螺杆齿面上沿接触线的齿间间隙a和b最小，其比值要求a：b = 0.8～1.2。

图3 阴阳转子最小啮合间隙测量位置示意图Fig.3 The minimum mesh clearance measuring position of positive and negative rotors

（1）在实际运转过程中，转子在受热膨胀、受力变形等原因会导致齿间间隙进一步减少，因此，安装的精度显得非常重要，表2是该机组1段转子啮合间隙的安装数据。

表中可以看出，转子的间隙符合要求。

（2）螺杆压缩机损坏的部位主要集中在转子上，拆检径向及止推轴承均未发现异常，轴承间隙、同步齿轮也符合技术要求。

从上两点可以判断，安装精度不符合要求不是造成转子接触碰磨故障的主要原因。

表2 转子啮合间隙Table 2 The mesh clearance of rotors

2.3.2 出口温升速度过快造成转子接触碰磨

从损坏的部位和现象来看，转子的损坏是由于热不均匀造成的。当排气压力、温度上升，转子受热膨胀，汽缸、轴承座有冷却系统冷却而膨胀量相对较小，因而使转子的最小间隙a和b会减小，这些间隙的减小属于正常的范围，是不可避免的。但是当出口温升速度过快时，整个转子进口到出口温差较大，受热不均匀，产生的热应力也不均匀，转子因而发生弯曲变形，当一对啮合的转子弯曲变形达到一定程度时，首先在转子间的最小间隙a和b处发生接触碰撞，转子接触碰磨产生高温进一步使出口温度升高，机组振动噪音加剧，若不及时停车，转子就会抱死[3]。

从以分析可以判断，出口温升速度过快、转子齿间间隙变化是造成转子接触碰磨故障的主要原因。

检修时发现入口过滤器完好，管线异物不会进入压缩机造成转子接触碰磨。

设备进入现场进行了整体安装并顺利通过了机械试运转试车,可以排除安装不当引起转子碰磨的因素。

3 故障处理措施

螺杆压缩机转子的损坏主要发生在接触线上和高压端的齿面上，损坏齿面的熔焊物严重影响了转子运转的安全性能。因没有现成的备用转子，更换新转子价格昂贵, 俢通过分析后决定用 磨方法修复损坏转子,同时限制入口温度。

3.1 转子的修复

（1）进行转子弯曲度校正，要求最大弯曲度不大于0.02 mm。

（2）把阴阳转子安装在工装上，调整转子两端轴套调整螺钉使阴阳转子出口端面处于同一平面上，盘动转子时不发生轴向窜动[4]。

（3）齿面的处理。在阳转子上涂红丹，正反盘动阳转子，使阴、阳转子相互啮合，对于齿面凸点、毛刺去除抛光，低点只进行抛光处理。

（4）转子接触线的处理。检查接触线的接触情况，接触斑点应该均匀成有一定宽度的线状，有亮点、高点用整形锉刀进行修整，修整后用油石、砂纸抛光。

（5）用打表法测量转子的啮合总间隙。固定阴转子，前后盘动阳转子，用杠杆表检查两螺杆的总间隙，每转动90°测量1次，以实际工作时转子啮合情况测量，如：1-1，2-2，……，4-6共 12组48个数据，此步骤主要是测出转子总间隙的最小值，以检查是否符合要求。

（6）用塞尺检查每对啮合齿的总间隙并记录。经测量，转子入口端间隙与上次检修数值基本相同，出口端经过俢磨部位的总间隙增大了 0.02～0.04 mm。

（7）进行转子动平衡的校正，达到G2.5的精度。

3.2 转子齿间间隙的调整

转子啮合间隙的调整首先在工装上进行。在螺杆机检修其他步骤完成后，再对转子进行啮合间隙的修正。

（1）组装同步齿轮前，测量同步齿轮轮毂键槽与键、键与轴键槽的配合都必须有0.02 mm的过盈量，齿轮轮毂与轴的配合有0.01～0.02 mm的过盈[5]。

（2）在入口端以完好的齿为标准调整其两边最小间隙a与b的比值，按转子实际啮合的情况如1-1，2-2，3-3…，4-6配对，反复调整直至符合要求。

（3）在出口端测量每对齿的啮合间隙，因出口端部分接触线经过俢磨，损坏部位间隙有偏大的可能，记录数据和做好测量部位的标记，测量的部位必须是在转子安装在机体后可以在压缩机出口处进行测量。

（4）调整完成后，上紧定时齿轮、游隙齿轮的螺栓，精铰定位销孔，并把销钉打进销钉孔，并再次确认转子间隙正确。转子校验完毕[6]。

（5）转子组装在机体的测量。在压缩机出口用塞尺测量转子标记部位的间隙，反复调整使其与第3点数值符合。调整完成后精铰定位销，最终定位转子。

严格控制压缩机入口气体的温度, 避免因排气段温度过高而加剧转子的热膨胀。

3.3 效果检查

通过对转子修复完成后试车，取得了一次开车成功，压缩机的各项指标：振动、轴承温度、压缩机出口温度、排气压力、流量符合要求。通过操作调节压缩机完全能够满足生产需要，已顺利运行了200多天都没有发生故障。由于避免了引进新转子,节约了资金。

4 结束语

通过这次检修，对于接触碰磨损坏不严重的无油螺杆机压缩机转子，俢磨转子这种修复方法是可行的。对于高线速度的转子，啮合间隙适当的增大对压缩机的效率影响不明显。

［1］王灿.透平压缩机转子振动原因分析及处理[J]. 现代机械，2009(4)：79-81.

［2］王永超.循环氢无油螺杆压缩机转子碰磨原因分析与对策[J]．通用机械，2006（3）：52-54

［3］张立发,翟所斌．大型空分装置离心式压缩机振动故障分析及处理[J]．风机技术，2008（3）.

［4］谭满红.基于控制关键工序质量的阴阳转子修复工艺[J]. 压缩机技术,2010(4)：47-50.

［5］郭晓宁.苯乙烯螺杆压缩机转子间隙的研究与分析[J]．压缩机技术,2010(3)：14-17.

［6］门显锋.螺杆压缩机转子损坏的修复方法[J]．内蒙古石油化工，2012（6）：62-65.

Fault Analysis and Repairing Measures of Screw Compressors Rotor for Butadiene

MO Cai-song1，WANG Gang-gang2，LIN Rong-xiong3
（1. College of Mechinery and Electronic Engineering,Guangdong University of Petrochemical Technology，Guangdong Maoming 525000，China；2. PLA Military Delegate Chamber Stationed in Factory 211, Beijing 100076, China；3. Maoming Southwest Petrochemical Engineering Construction Co.,Ltd., Guangdong Maoming 525000, China)

The abnormal phenomena of the working diene screw compressor unit in a refinery after annual maintenance was analyzed. It’s pointed out that the rub-impact fault during the compressor working was caused by the rotor bending deformation that was resulted by non-uniform thermal environment formed by big temperature difference between inlet and outlet, the processing method and grinding measures were put forward to repair the damaged rotor.

Oil free screw compressor；Rotor rub；Fault analysis；Repair

TQ 051

A

1671-0460（2014）11-2319-04

广东高校石化过程装备故障诊断与信息化控制工程中心重点实验室基金项目，项目号：2011A060901023。

2014-05-06

莫才颂（1973-），男，广东化州人，副教授，工程硕士，1997年毕业于西安工业学院机械制造工艺与设备专业,获学士学位，2005年获华南理工大学控制工程专业工程硕士学位，研究方向为化工机械设备、机电工程等，从事化工机械设备、机电工程等教学与研究技术工作。E-mail：mcs2000@126.com。