田 江
中国石化上海石油化工股份有限公司腈纶部 上海 200540
摘要：聚合釜是二步法腈纶工艺的主要设备，上海石化某腈纶装置4台聚合釜自2011年8月投入运行，其搅拌轴轴套多次发生断裂的故障，对生产稳定带来很大影响，本文应用工程中的能量法，判断轴套失效的原因并提出改进方法。
关键词：聚合釜；轴套；断裂；能量法；改进
一.前言
聚合釜是二步法腈纶工艺的主要设备，某腈纶装置第一批4台7.2m3聚合釜由日本川崎重工业株式会社设计制造1993年3月投入运行，随后经国产化更新改造，第二批8.3m3聚合釜由中国航天科技集团公司第十一研究所设计制造2011年7月投用，为夹套式立式铝制容器。夹套、筒体、封头均采用纯铝制造，悬挂式支座，法兰式碟型封头，上端碟型和筒体一体式。夹套内装有导流板，使用介质为水，最大工作压力0.14MPa，筒体内装有搅拌轴，介质聚丙烯腈淤浆，工作压力常压。
第二批8.3m3聚合釜投用后，上轴套及短轴套焊接处多次断裂的故障，对此故障进行分析，提出有效的改进措施。
二.故障分析
8.3m3聚合釜内的下回转筒、上回转筒与止挡回转套用螺栓联接成一体，螺钉紧定上轴套，组成上轴套组件。正常运行时，聚合釜的上轴套组件与搅拌轴的键联接，和短轴套的螺栓联接随轴一起转动（转速为105rpm），在开停车过程中的惯性作用将会受到很大的动载荷，而多次的轴套断裂故障均发生在上轴套的接管中间焊接处以及轴套接管与法兰的焊接处，损坏处部分焊缝有发黑迹象，上轴套断裂处截面大部分表面整齐光滑，断口低点处能看到断裂面情况及焊缝坡口 。
综合分析，上轴套组件由于惯性作用而受到很大的动载荷是产生故障的原因之一；碎裂的短轴套下法兰焊缝存在瑕疵，局部地方有未焊透现象，此处抗剪切能力降低为故障的第二个主要原因。根据材料力学结合上轴套组件的结构，可知上轴套的法兰近接管的根部是动载荷作用最大处，上轴套的法兰与接管焊接处存在着焊接应力，其抗剪切能力比法兰靠近接管的根部低。故需对上轴套及短轴套的法兰与接管焊接处的强度进行校核及接管与法兰的焊接形式优化。
三.强度校核计算
8.3m3聚合釜运行时，上轴套组件的下回转筒和上回转筒的一部分在水中转动，另一部分上轴套组件中用于联接各构件的紧固件存在转动惯量，工作的过程中，上轴套组件由于惯性作用会受到很大的动载荷，这种动载荷是由冲击引起的一种瞬间发生的力学现象，冲击物具有一定速度，在很短的时间内发生很大变化，获得很大的负加速度，以很大的惯性力作用在被冲击物上，被冲击物将引起很大的动应力和变形，有的还会伴有刚性位移。
由于冲击是在瞬间发生，一般利用能量的变换来计算其近似值，这种方法计算结果是偏于安全的简化计算方法，在工程中可以估算冲击时的位移和应力，不失为一种有效的近似方法[1]。
3.1冲击简化计算的假设
3.1.1假设冲击物是刚体，变形和变形能当可不计。
3.1.2被冲击物的质量假设远小于冲击物的质量，可略去不计。被冲击物在冲击过程中始终处在弹性范围，冲击载荷、应力、变形相互成正比。
3.1.3冲击时只有动能和势能的转化，不考虑其他能量的损失。
3.1.4冲击时，认为被冲击物内的应力和变形与时间无关，不考虑应力的传播过程。
3.2轴套组件相对于搅拌轴的转动惯量
在估算时，主要是上轴套组件的四大构件的转动惯量，对上轴套组件上用于联接各构件的紧固以及水的阻力的影响程度作一个适当的估计，综合考虑进行强度校核计算。
构件在动载荷作用下产生的动应力要大大超过数值相同的静载荷引起构件内的应力。但限定于在静载荷作用下服从胡克定律，当动载荷引起的动应力不超过比例极限，因此胡克定律也有效，且动载荷作用时，材料的弹性模量与静载荷作用下的数值相同[1]。
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则可知上轴套接管与法兰之间的焊缝是不安全的，短轴套接管与法兰焊缝理论上是安全的。
3.4依据工程经验的核算及造成失效的机制
通过上面的计算可认为冲击产生的应力和变形与时间无关，过高估计冲击产生的应力，这种计算方法来设计是安全的。
对比7.2m3聚合釜，8.3m3聚合釜的上轴套组件的各组件结构尺寸差别很小，最大的差别处为上轴套的接管与法兰之间的焊接处，8.3m3聚合釜的上轴套的接管与法兰之间的焊接处锁边坡口的垫板最薄处为0.6mm，而7.2m3聚合釜相应的位置为4.1mm，从断裂件的断裂部位观察，键槽附近的焊缝断裂不规则现象，其它部位断裂的焊缝断裂比较规则，可知焊缝的裂纹首先是从焊缝靠近法兰键槽的位置开始的，焊缝靠近法兰键槽的位置的强度是整个焊缝处最小的。
结合上述分析计算结果，不当的焊接结构使焊接产生了过大的焊接应力，是造成了8.3m3聚合釜的上轴套断裂的主要原因。
四.改进方案
4.1上轴套的改进
上轴套内由于扭转冲击所产生的最大剪切应力随接管的厚度增大将减小，断裂处为焊缝处，由于焊接应力的存在使得焊缝处比接管抗剪切能力比母材的更差。铝及铝合金等金属材料在焊接热作用下发生一系列变化，产生缺陷的可能性比低碳钢要严重得多，在保证加工条件符合要求的前提下，防止类似失效的改进措施有：
第一种法兰与接管的焊接采用单边削薄对接焊，使整个焊缝连续，避免键槽对焊接接头的影响；
第二种接管整体加工，并增加靠近法兰处的接管厚度，受力均匀。
4.2消除焊接应力
材料的焊接会引起焊缝处应力集中，为了增加焊接结构强度，进行退火处理等工艺消除焊接应力，上轴套组件的工作环境相当复杂，重点考虑影响结构强度的主要因素，根据偏于安全的能量法计算方法，上述两种措施是切实可行的，在这两条措施中，实行了第二种改进措施。
4.3短轴套改进
在理论上短轴套接管与法兰是安全的，但实际中短轴套在运行中发生断裂现象，故考虑焊接形式的改进，更改短轴套的结构，使其最大应力降低。由原来的轴套接管坐立在法兰上更改为轴套接管插入法兰之中，将焊接位置移动到法兰密封面侧接管与法兰的相接处，采用全焊透的形式，并在法兰密封面背侧与接管接触的位置增加一道角焊缝，保证法兰与轴套接管连接处焊接焊缝的全焊透，在轴套使用过程中内部焊缝不接触物料，不会发生腐蚀，保证强度，同时增加补强板，增大焊缝附近截面处的面积，减小相同位置截面所受到的切应力。
五.结论
在上轴套的改进中选用改进结构，经过一段时间的运行,改进结构效果显著，短轴套在通过焊接形式的改进后，运行时也未发生断裂现象。
参考文献：
［1］周之桢，材料力学，国防科技大学出版社，1987
［2］《机械设计手册》联合编写组编，机械设计手册. 北京：化学工业出版社，1987
［3］化工设备设计全书编辑委员会，铝制化工设备，化学工业出版社，2002
［4］丁玉兴，化工原理 . 北京：科学出版社，2007.8
［5］陈志平，搅拌和混合设备设计选用手册. 北京：化学工业出版社，2004