羅茨真空泵磨墻板故障的分析與處理

沈 波，周建華

(廣東南方堿業(yè)股份有限公司，廣東廣州 510760)

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羅茨真空泵磨墻板故障的分析與處理

沈 波，周建華

(廣東南方堿業(yè)股份有限公司，廣東廣州 510760)

針對羅茨真空泵多次出現(xiàn)的磨墻板故障，結(jié)合零部件結(jié)構(gòu)，通過故障的發(fā)現(xiàn)、判斷、分析和處理，摸索各種可能的內(nèi)外因素，尋求問題根源，以期徹底解決，保障設(shè)備的長周期穩(wěn)定運行。

羅茨真空泵；磨墻板；悶蓋；螺栓松脫；橫向振動

我公司2011年新增了兩臺國產(chǎn)設(shè)備——羅茨真空泵(490 m3/min，-52 kPa，560 kW)。作為純堿濾過工序的主要設(shè)備，其作用是抽吸形成一定參數(shù)的真空，促使碳化出堿液在濾堿機濾網(wǎng)(或帶濾機濾布)進行固液分離。自投用以來(開一備一)，其中一臺在連續(xù)累積運行均未過半年的情況下，連續(xù)兩次出現(xiàn)磨墻板的故障，另一臺后來也出現(xiàn)了同樣的故障。作為廠控設(shè)備之一，此類故障嚴重影響到設(shè)備的安全運行，影響到純堿生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。經(jīng)過技術(shù)人員和職能部門的努力，在設(shè)備廠家的積極配合下，改大了螺栓聯(lián)接，修復了相關(guān)部件，更換了徑向軸承和軸承座。目前兩臺機組正常運行，未再次出現(xiàn)同類故障。

1 設(shè)備簡介

羅茨真空泵是一種容積式動力機械，廣泛應(yīng)用于需要大抽速和中等真空的系統(tǒng)中。設(shè)備主要由機殼、葉輪、墻板、軸承、同步齒輪、軸密封、潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成(其主機結(jié)構(gòu)如圖1所示)。

兩葉輪由一對同步齒輪傳動作反向旋轉(zhuǎn)，通過葉輪型面的“嚙合”(葉輪間有一定間隙，并未相互接觸)使進氣口和排氣口隔開，將吸入的氣體無內(nèi)壓縮地從吸氣口推移到排氣口，被輸送的吸入氣體，在達到排氣口的瞬間，因排出側(cè)高壓氣體的回流而被加壓向系統(tǒng)輸送而做功。

圖1 羅茨真空泵主機結(jié)構(gòu)

葉輪結(jié)構(gòu)為兩葉型，優(yōu)質(zhì)鑄鐵制作，具有擺線輪廓。為減輕重量，葉輪做成了空心結(jié)構(gòu)。其端部兩側(cè)各一塊悶蓋，用內(nèi)六角螺栓聯(lián)接固定。每個葉輪共4塊悶蓋，每塊悶蓋上共12顆螺栓(見圖2)。

圖2 羅茨真空泵葉輪結(jié)構(gòu)

2 故障情況

第一次故障的出現(xiàn)，是在發(fā)現(xiàn)設(shè)備噪聲異常、振動偏大，停機后無論采取何種辦法，均無法盤動葉輪。從頂部中間進氣口檢查內(nèi)部情況，發(fā)現(xiàn)墻板有摩擦的痕跡。后拆卸機體，葉輪端面悶蓋上的螺栓，大部分松脫與斷裂、磨墻板，且卡在葉輪端部與墻板中間，致使葉輪被緊緊卡住、無法盤動。

第二次故障的出現(xiàn)，也是在設(shè)備振動偏大、停機后無法盤動葉輪時發(fā)現(xiàn)的。初步檢查后，從頂部進氣口發(fā)現(xiàn)墻板有非常明顯、呈圓周方向的摩擦痕跡，且比第一次更為嚴重。根據(jù)經(jīng)驗判斷，非常肯定是同類故障。第一臺機組的兩次同類故障處理，使我們加強了對另一臺羅茨真空泵的運行狀態(tài)監(jiān)控。雖然它正常運行的時間比第一臺長得多，看起來可靠些，但前年年底仍舊出現(xiàn)該故障。不過發(fā)現(xiàn)得及時，磨墻板情況一般，沒有之前那么嚴重。

通過對羅茨真空泵的完全拆卸、解體，全面檢查葉輪端面和墻板，才發(fā)現(xiàn)悶蓋螺栓的松脫與斷裂、墻板的磨損情況比想象中更為厲害和嚴重，特別是第二次故障?，F(xiàn)以第二次故障為例，當時的情況如下：

1)葉輪端面悶蓋上聯(lián)接螺栓，最多的留有六顆，最少的有一顆，幾乎全部失效。據(jù)統(tǒng)計，有75%的斷裂，余下或松或斜。所有斷裂的螺栓，其斷口大部分位于螺栓根部附近。

2)與葉輪相對應(yīng)范圍的墻板上，有多條呈圓周方向深淺不一、寬度不同的刮痕，最深達4.7 mm、最寬處有30 mm。

3)各個悶蓋，聯(lián)接失效的則因外跑與墻板摩擦、留下一塊塊面刮痕；未與墻板摩擦的悶蓋，在螺栓孔附近可以看到連續(xù)或分開的凹坑。這是隨著設(shè)備運轉(zhuǎn)、由夾在墻板與悶蓋間的螺栓頭“咬”出來的。

3 故障分析

經(jīng)判斷，我們認為葉輪端部悶蓋的聯(lián)接螺栓，因各種因素的作用(如強度、沖擊、振動等)致使螺栓松脫、甚至斷裂，導致外跑。一開始只有少部分螺栓與墻板接觸、摩擦，在墻板上留下擦痕。隨著大部分聯(lián)接螺栓松脫后，整個悶蓋螺栓聯(lián)接失效。與此同時，沒有螺栓固定的悶蓋，也隨著羅茨真空泵的運轉(zhuǎn)一起往外跑，直接與墻板接觸、磨墻板，最終在墻板上形成了大范圍的擦痕或刮痕。而墻板上擦痕或刮痕的深淺則直接反映出螺栓和悶蓋與之摩擦的程度，刮痕越深，磨得越厲害。

螺栓聯(lián)接以結(jié)構(gòu)簡單、連接剛性好、可重復使用等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備中。而螺栓松脫失效是造成機械事故的重要原因之一。特別在運行條件惡劣的環(huán)境下，加上沖擊、振動等多因素的綜合影響，更易造成聯(lián)接條件惡化、導致螺栓松脫失效。結(jié)合羅茨真空泵投用以來的各方面情況分析，螺栓聯(lián)接失效的原因主要有以下兩個方面。

1)螺栓本身因素，如螺栓強度不夠、聯(lián)接組的合理性可靠性等。參照有類似結(jié)構(gòu)的舊羅茨真空泵(兩臺)近二十年來的運行，從未出現(xiàn)悶蓋螺栓松脫、磨墻板的情況?？紤]到廠家領(lǐng)先的技術(shù)、成熟的機型、良好的信譽，此種聯(lián)接結(jié)構(gòu)的合理性，是可以信賴的；其可靠性，也經(jīng)受了時間的檢驗。但與舊機組相比(280 m3/min，-52 kPa，315 kW)，新增機組悶蓋內(nèi)六角螺栓規(guī)格(M8，4.8級)，反而不及舊機組(M10)，其強度也許是不夠的。

2)螺栓外部因素，包括但不限于軸承游隙偏大、葉輪沖擊、機組振動等方面。軸承軸向游隙過大，則葉輪容易竄動；軸承徑向間隙超標，則葉輪振動偏大。日常維護檢修時，也曾多次調(diào)整間隙、更換軸承，確保相關(guān)工作間隙在規(guī)定范圍內(nèi)，如葉輪與機殼、葉輪與葉輪、葉輪與前墻板、葉輪與后墻板，保證機組的性能和安全運行。即使這樣，依據(jù)監(jiān)測記錄，自兩臺機組投用以來，特別是第一臺，相比之下，機組噪聲較強、振動一直偏大。

悶蓋的聯(lián)接螺栓，除受到軸向載荷外，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，還承受橫向作用力，即與螺栓軸向垂直方向上的變載荷、振動等，產(chǎn)生橫向振動。若振動頻率較高、振動力較大則使力矩逐漸減小。相關(guān)實驗表明，當振動力增大到一定數(shù)值就可能使摩擦系數(shù)減小或瞬間消失到零。這種現(xiàn)象經(jīng)過相當次數(shù)重復后，進而使由摩擦決定的擰緊力矩全部喪失，失去預緊作用而導致聯(lián)接自行松脫、失效。

另外，相關(guān)數(shù)學模型研究也表明：循環(huán)橫向振動沖擊可能會引起螺紋聯(lián)接的自松，這取決于螺栓壓力等級、螺栓頭下部彎曲強度、以及支撐與螺紋摩擦系數(shù)相關(guān)的振幅。為了盡量減小由振動引起的自松的可能性，承受大振動幅度的螺栓應(yīng)有更高的預緊力以達到更高的支撐及螺紋摩擦系數(shù)。

4 故障處理

第一次故障的處理，從參照舊設(shè)備的經(jīng)驗出發(fā)，主要從螺栓本身出發(fā)，認為是強度不夠、聯(lián)接不可靠導致?？紤]設(shè)備還處于質(zhì)保期，經(jīng)與設(shè)備廠家的溝通協(xié)調(diào)，由廠家進行修復。內(nèi)容包括更換悶蓋、改大聯(lián)接螺栓至M12(6.8級)、修復墻板，以及轉(zhuǎn)子動平衡檢測。設(shè)備恢復安裝前，為確認修復，抽查過該處聯(lián)接螺栓，不存在未裝配到位的情況。同類故障的再次出現(xiàn)，一度造成被動的局面，得到公司的高度重視。比照另一臺的正常運行，排除機組周圍相關(guān)的可能原因(如基礎(chǔ)墊鐵、聯(lián)軸器對中等方面)，開始質(zhì)疑機組本身，可能存在某些質(zhì)量或結(jié)構(gòu)上的缺陷。作為羅茨真空泵的關(guān)鍵部件——葉輪，大尺寸、大重量，其本身制造質(zhì)量和裝配情況，不是我們用戶所能全面知曉和把握的。除了整機回廠、全面檢查、徹底處理外，更是采購了第三臺同規(guī)格羅茨真空泵，作為備機，降低因經(jīng)常性、長時間維修對生產(chǎn)的影響。到另一臺機組出現(xiàn)同類故障后，得以直接更換，運行至今。據(jù)悉，對于新購機組，廠家還在軸承座上進行了局部改造，改進了結(jié)構(gòu)，加強其強度，降低葉輪和機組振動的同時，也避免了前兩次故障拆卸時無法正常拆出軸承座、只能破壞軸承的特殊辦法。

5 結(jié) 語

這種葉輪悶蓋聯(lián)接螺栓松脫與斷裂、磨墻板的故障是首次出現(xiàn)的，在我司類似舊設(shè)備上從未出現(xiàn)過。根據(jù)拆檢記錄，歷經(jīng)二十年運行的舊羅茨真空泵葉輪悶蓋螺栓完好無損，更沒有更換過。新增羅茨真空泵，當時一共采購了兩臺，同時安裝、同時調(diào)試、同時投用。但該類故障，一而再、再而三的出現(xiàn)，我們認為不是偶然，應(yīng)該存在某些問題(或缺陷)。

此類故障雖然在廠家的協(xié)助下，通過局部改進與修復，解決了設(shè)備連續(xù)運行問題，但受限于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，難以對軸承部件進行較大改造，機組的可靠性仍需時間的檢驗。后續(xù)使用過程中，我們將繼續(xù)動態(tài)監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，持續(xù)關(guān)注悶蓋螺栓狀態(tài)，確保聯(lián)接有效、安全牢固。作為使用單位，希望設(shè)備能夠長周期、穩(wěn)定運行，更好的發(fā)揮性能與作用，產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益?，F(xiàn)總結(jié)出來，更多的能為同行交流、借鑒。

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TQ114.15

B

1005-8370(2016)02-28-03

2016-01-19

沈波(1982—)，2005年畢業(yè)于武漢化工學院，過程裝備與控制專業(yè)。廣東南方堿業(yè)股份公司重堿車間設(shè)備員。