聚酯终聚釜PIV减速机损坏原因分析及应对措施

聚酯终聚釜 PIV减速机损坏原因分析及应对措施

江广军

中国石油化工股份有限公司天津分公司化工部 300271

摘要：终聚釜为聚酯主工艺生产流程中最关键设备，2020年大修期间，发现减速机内部齿轮、齿轴多处大面积点蚀、磨损及剥落严重，局部断齿。本文借助通过对齿轮的理化分析，确定了损坏的原因，制定对策。

关键词：终聚釜；减速机；齿轮；缺陷

天津石化20万t/a聚酯装置是全套引进德国吉玛公司工艺技术和设备，以精对苯二甲酸和乙二醇为原料，连续生产聚酯熔体，工艺是经典的五釜流程，2个酯化釜，3个缩聚釜。

装置于2000年7月投产后，经过不断完善操作，优化工艺^[1]及后续多次大检修的改造，负荷逐渐增大，装置产能曾经到29万t/a。随着产能的加大，装置设备基本达负荷上限。

终聚釜为聚酯装置的主工艺生产流程中最关键设备，长期处于高温、高真空、高粘度的工作状态。在历史高负荷运行的条件下，曾在几个运转周期发生了减速机轴与反应釜主轴发生角位移的异常现象。通过大修对拆下减速机损坏的内部齿轮、齿轴深入分析，找出了齿轮损坏的原因为材料的硬度及存在的缺陷所致。借此机会，制定下一步措施，将逐步排查重负荷减速机的使用周期，在机会检修中进行处理，消除可能造成装置停车的隐患。

1 终聚釜的原理及作用

1.1 终聚釜系统流程简图

终聚釜为卧式反应釜，系引进奥地利设备。终聚釜系统由反应釜、电机、减速机、轴封、密封润滑系统五部分组成。（见图1）。

图1 终聚釜系统流程简图

1. 2终聚釜搅拌器的作用

1. 2.1终缩聚反应器结构介绍

终缩聚反应器结构是一台全夹套卧式单轴盘环反应器。圆盘反应器的搅拌轴一端支撑在反应器端盖上，这是一个轴向固定支撑，轴承采用圆柱滚珠轴承，备有密封、润滑系统，另一端支撑在反应器内部，这是一个活动支撑，它即允许轴在轴向上位移，而且当轴发生垂直方向的形变时也能允许支撑正常转动，内轴承是一个滑动半轴承。缩聚反应过程中，电机通过减速机传动使圆盘搅拌器转动，把物料由底部带起形成薄膜，增加反应物料表面积，有利于反应的进行。

1. 2.2减速机参数

减速机随终缩聚反应器整体进口的设备，为PIV公司生产，具体参数见表1。

表1减速机设计参数

2减速机损坏原因分析分析

2.1 减速机日常运转监测状态

在本轮运转周期，减速机运转过程中出现规律性的卡顿现象，且出现低频率的异音，日常运转期间委托装备研究院对其进行了状态监测分析，详见振动分析报告

2.2检验检测

大修修开盖后检查，发现全部齿轮齿轴点蚀、磨损及剥落严重。为进一步排查此齿轮箱的损坏情况，对其进行了完全拆解并分别对各级齿轴、齿轮进行了材料、硬度、金相及综合齿轮检测

2.2.1 宏观及微观检验

为进一步了解此台齿轮箱的损坏情况，对其进行了完全拆解并分别对各级齿轴、齿轮进行了材料、硬度、金相及综合齿轮检测。检测数据如下：

※一级齿轴点蚀、磨损严重;硬化层破坏。

材质检测为17CrNiMo6 硬度检测为 HRC 48.7金相检测：

齿轮金相检测分析：齿轮表面的金属组织为残余奥氏体15％左右，回火马氏体85％左右。组织均匀，未发现明显缺陷，属于渗碳热处理后的正常组织。

※二级齿轴点蚀、磨损、剥落严重;硬化层破坏。

材质检测为17CrNiMo6 硬度检测为 HRC 55.2

金相检测：

齿轮金相检测分析：齿轮表面的金属组织为残余奥氏体15％左右，回火马氏体85％左右。组织均匀，未发现明显缺陷，属于渗碳热处理后的正常组织。

齿轮化学成分分析：

一级齿轮及二级齿轮的化学成分分析，其中含硫磷等有害元素较高， 20CrMnMo的韧性、硬度等综合性能较差。

3齿轮齿轴点蚀及剥落的失效原因分析

3.1超期运行-正常运转时齿轮会产生磨损，齿轮表面会以微粒的形式被磨掉。但超期运转后由于齿轮材质接触疲劳强度大幅度降低，齿面逐步产生微裂纹，裂纹慢慢扩散后齿面会以块状的形式发生剥落，造成齿面凹坑，最终导致大面积脱落。严重破坏了齿轮的正常啮合。造成局部应力集中，加速齿轮的损坏。

3.2设计计算-经检测结果各齿轴的损伤最为严重，四级齿轴的损伤最为明显，从现象上分析及理论计算上看，此零件的安全系数较低，是整个减速机最为薄弱的环节。此处的损伤会造成其他位置齿轮啮合的应力集中，加速齿轮的损坏。

3.3材料的硬度及缺陷-经测量所有齿轴齿轮的硬度较低（目前硬齿面齿轮表面硬度DIN标准为HRC 58～62），其原因有可能是热处理的工艺较差、材料自身的性能限制或零件磨损严重造成的，当齿面的硬度降低后疲劳强度大幅度降低，导致齿面点蚀、剥落; 当材料存在内部缺陷时同样会加速齿面的损坏。

3.4 轴承的失效-由于齿面磨损，铁屑随着润滑油进入轴承，导致此台减速机轴承磨损失效，轴承失效后各齿轮间的同轴度及径向跳动偏差会增大，导致减速机运行时振动增大，同时影响各齿轮间的啮合，造成应力集中，加速了齿轮的损坏。

3.5

箱体的加工精度及变形-箱体的加工精度及铸造箱体的应力释放导致齿轮运行时中心线不平行、交差偏差过大。同时由于齿轮箱长时间处于啮合不良的状态运行会导致箱体及齿轮的变形，使箱体同轴度、平行度及齿轮的齿形齿向，径向跳动偏差过大。加工误差与变形都会造成齿面接触不良，应力集中造成齿面疲劳强度降低。

3.6润滑油-减速机运转时齿面会有微粒被磨损脱落，减速机运行停止时箱体内部温差及压力变化导致空气及空气中的水分进入箱体。这样润滑油中的杂质及水分会降低润滑油的粘度，影响油膜的形成，不良的润滑，加速齿面的磨损。

3.7测量硬度较低-热处理工艺及设备不完善。不同的热处理工艺及设备的性能都会影响零件表面的硬度。

3.8材料本身的性能-由于材料本身的限制导致热处理后的硬度较低, 此台减速机一级齿轮的材质为20CrMnMo, 此种材质热处理后的硬度较低。其他零部件的材质均为17CrNiMo6，目前此种材质已经被18CrNiMo7-6所升级替代。

3.9长期运行的磨损。由于长时间的运转导致齿面硬度降低，最终造成磨损、点蚀及脱落。

3.10齿轮变形-减速机内部所有齿件都存在的点蚀、磨损及局部脱落的现象，导致减速机齿轮长期处于啮合不良、局部应力集中的运转状态，因此造成了齿轮的变形，变形后的齿轮而又进一步加速了齿面疲劳强度的失效。形成恶性循环。

4 应对措施

4.1所有齿轮齿轴进行测绘并重新加工制造，材料采用最新型的高强度齿轮钢 18CrNiMo7-6进行替换，经过最优化的加工工艺及热处理，满足其热处理后的硬度（HRC 58～62）。在加工精度上采用德国齿轮加工设备, 保证齿轮的加工精度, 增强齿轮运转时的疲劳强度。

4.2箱体进行3D检测，通过德国三坐标检测仪精准检测箱体各轴承座相对基面的同轴度、平行度、圆柱度等形位公差，以及中心线、轴承座内径等尺寸偏差, 依照检测结果对箱体进行修磨, 确保各级齿轮平稳运行降低磨损。

4.3更换所有失效轴承，确保各级传动的稳定运行，降低振动及齿件磨损。

4.4维修后定期检测油品的纯度，定期对齿轮箱进行清理减少齿轮箱内部的杂质与水分, 确保齿轮运行时形成良好的油膜。

4.5更换密封及氮化套，清理冷却盘管水垢、油泥。

以上措施最大限度的提升齿轮箱的运行性能，将全部零部件进行更换可增强各级齿轮的疲劳强度，各级齿部啮合最优化，减少局部应力集中，增强齿轮箱的使用寿命。

5结论

此次检修发现的问题和日后应对措施，一是设备不能长期超高负荷工况下连续的运行，存在设备加速损坏的风险；二是需要对存在此类超长服役的减速机进行全面排查检测，日常运转期间委托装备研究院进行专业评估，确认是否存在缺陷，达到一定使用寿命制定相应备件的储备；三是进行机会性计划处理，提高设备的稳定性，减少设备的故障发生的可能性。

参考文献

1. 于盛林，李少山，聚酯装置提产工艺优化与设想 [J].聚酯工业，2005