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Ø4.5m干燥机大齿轮断裂原因分析及修复运转的措施
发布时间：2012-11-06 19:02 来源：未知
一、情况简介
Ø4.5m×40m干燥机是大型磷化工生产线的重要设备，其传动件大齿轮约重28t．齿轮结构为两半齿圈拼装加工而成，外径为6m，内径为5.09m，齿轮模数40，齿宽为730m。整体设备是1986年由某公司制造安装并投入使用，原齿圈材料为ZG45，由于大齿轮连续运转，齿面磨损严重，因此于2006年8月采用材料为ZG42CrMo的大齿轮对原齿轮进行更换。该齿圈运转约半年后，于2007年4月28日发现更换后的大齿轮截面出现裂纹，裂纹由原截面处从轮辐、轮沿发展到齿顶。
二、现场裂纹的检测
（一）无损检测情况
经现场检查发现，裂纹出现在距卡环面约350、距卡弧面外径约1800mm处，贯穿整个轮辐、轮沿及齿顶截面。同时发现，齿根底部轮沿与轮辐交界处有长轴约260mm、短轴约160mm的明显补焊铸造缺陷痕迹。裂纹是从焊补处向两端贯穿发展，造成整个齿圈横截面出现断裂，其最大开口处约3.5mm。
采用Ø2当量灵敏度超声波从齿顶进行纵向探伤后，发现距齿顶端面110mm处伤波降低10dB，当距离超过180mm后，无底波反射。超声波探伤的结果可以看出：从齿端面至180mm处，应视为裂纹长度。当距离超过180mm后，无底波反射，说明有可能裂纹走向与齿顶面形成一个较大的倾角，造成超声波无波返回；或者有可能是齿的内部存在着较严重的疏松夹杂缺陷。但经对齿面齿根的检查，均未发现有严重的疏松夹杂缺陷，所以可以确定，裂扩展的走向与齿顶面形成了一个较大的倾角。
（二）对裂纹成因的看法
通过对裂纹的检测分析，可知裂纹源处于原铸造缺陷补焊处。经对补焊的裂纹进行清理打磨后发现，补焊裂纹处存在严重的夹沙疏松现象。
一般而言，ZG42CrMo材料的可焊性很差，如果在补焊铸造缺陷时未制定出严格有效的修补工艺方案，只是按一般的铸造缺陷进行修补，会造成局部应力过大，而应力过大所产生的裂纹一般都较为平直，与现场观察到的情况一致，再者补焊处有夹沙和疏松气孔存在，补焊时就更容易产生裂纹。因此，我们认为发生断裂的主要原因是：铸坯件存在着严重的铸造缺陷。同时，在修补铸造缺陷时未对铸造缺陷进行有效的清理，致使修补焊接的周边还存在着夹沙和疏松气孔，从而造成大齿圈的断裂。
综上所逑，该大齿圈的裂纹是由于铸坯存在着严重的铸造缺陷，加之在处理铸造缺陷时，未制定出有效的修补工艺方案，在补焊的过程中，由于局部应力过大又有夹沙和疏松，在焊接过程中已经产生了裂纹。在使用运转过程中，裂纹在应力作用下不断的扩展，直至整个截面断裂。
三、恢复干燥机临时运转的抢修措施方案
干燥机的停机，意味着生产磷铵重钙的整条生产线都要停止生产，而停产一天的经济损失上百万。且干燥机的停机将会造成前端生产原材料由于处理不当对环境以及生产设备造成的严重影响。同时，在干燥机筒内的上百吨物料，如果在机内停留的时间过长将会形成结块，也将造成较大的损失，但是如果更换调整一个约28t重的大齿轮，需要一个月左右的时问，哪怕采取非常规的方法制造加工大齿轮，最快也需要三个月以上的时间。再加上运输和一些不可预见的因素，是无法在短期内更换齿轮的。因此，在明知齿轮有严重的裂纹缺陷的情况下，也只有采用一些快捷的措施使干燥机可以临时运转，以保证生产在短期内正常进行。
基于以上分析，提出了如下的抢修方案：
（一）采用热焊补方法焊补裂纹
1、采用电弧气刨挖去裂纹而后进行焊补
该措施存在的问题是，轮沿厚度为730mm，轮辐厚度为1OOmm。如果清理干净裂纹周边夹沙气孔，也决不是一两天时间可以完成的，并且焊前预热和焊后的热处理，都因为该齿轮安装在设备上，工作场地狭窄而难以进行。同时，焊前预热和焊后的热处理会造成大齿轮的严重变形，焊后齿轮捏合调整，十分的困难。而且该材料的可焊性较差，在焊接的过程中可能引发新的裂纹产垒，所承担的风险将更大，并且采取这个方法所需要的时问，难以保证在用户容许的时间内完成。
2、根据大齿圈受力状况及裂纹扩展的状态采用对称双拉杆强行拉合裂缝，迫使裂纹扩展减慢，或不再扩展，以保证设备的暂时运行，同时立即着手制造新的齿圈以在适当的时候进行更换。
根据对开裂齿牙的检测，在齿根部位未发现裂纹。裂纹的走向基本将该齿牙分成两半，其中有一部分形成一定的夹角。如果采用拉杆强行将两半拉合，（见裂纹走向示意图）根据开式齿轮的受力特点，一般考虑弯曲强度。如果两半齿轮拉合，两半齿轮相互支承。基本上对齿牙承受弯曲应力的影响不大，也就是说该齿牙在承受弯曲应力时不会被折断。如果齿牙不被折断，设备就可以正常运行。依据以上的分析，采取在出现裂纹的加强肋板上开一个Ø90的孔，采用M80×3的拉杆，进行强拉，使原来的2～3.5mm的裂缝强行拉合到0.3～1mm，基本达到拉合的目的。在齿面及轮沿处使裂缝拉合至缝隙中的油物被挤压而出，以达到基本捏合。同时考虑裂缝捏合后，不能让齿轮在运转过程中发生位移，因此采用上下贴板焊接在轮辐和轮沿上中间采用支撑板连接，防止齿轮在运转过程中裂纹发生位移。
四、结束语
该齿轮在2007年4月28日下午1点30分出现异常，并发现齿轮严重开裂。得知此情况后，我公司立即派出人员赶赴现场进行检测处理，并根据用户生产紧张、出口任务繁重不能长时间停机等
要求，提出了以上方案进行抢修，经过连续24小时昼夜抢修，于2007年4月30日上午10点30分抢修完毕，进行分盘车起动，经试车观察后，无异常状况下开始正常开机运转。现已正常运转一年有余。
通过该次设备事故分析，制定抢修方案及抢修后的顺利运行有如下的设想建议：
该大齿圈发生断裂的主要原因是铸坯件有严重的铸造缺陷，发现铸造缺陷后进行焊补时未有严格合理的焊补工艺造成应力过大产生裂纹。同时也让我们看到28t重量的大齿圈，分成两半浇铸，每半重量为14t，浇注钢水需要18t左右，另外该工件直径6m，弧度也较大，因而在铸造的过程中所产生的应力和铸造缺陷是不可避免的。如果建议将28t中的齿圈改为四半组合，每半重量为7t,对于铸造加工和成品运输，热处理正火、退火都极为方便，也不需要特殊的大型炉子进行热处理。同时，免去了超宽超长的运输。这次抢修的思路是将两半齿轮变成三半，此建仪是否可行，设计工艺是否可以将两半大齿轮改为四半进行加工制造，有待考证。
三门峡富通新能源销售回转窑干燥机、滚筒烘干机、气流式烘干机等烘干干燥设备。
