一次風(fēng)機(jī)油冷卻器故障分析及防范措施

黃 偉 劉 磊 丁 博

(大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠， 湖北 黃石 435005)

0 前言

2019年4月下旬，某冶煉廠轉(zhuǎn)爐車間7#、8#兩臺(tái)高壓鼓風(fēng)機(jī)共4個(gè)油冷卻器，在一次系統(tǒng)大停電后被發(fā)現(xiàn)了破損漏油，導(dǎo)致減速機(jī)潤(rùn)滑油受到污染，處理前后分別造成18 h和24 h的風(fēng)機(jī)停車，嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)。另外，在之后的事故調(diào)查中，檢查事前的巡檢記錄，發(fā)現(xiàn)大停電前未發(fā)現(xiàn)油冷卻器的循環(huán)冷卻水池中出現(xiàn)油污，而且仔細(xì)檢查班組運(yùn)行記錄，在恢復(fù)供電后、強(qiáng)制供水水泵開(kāi)車前，無(wú)人關(guān)閉油冷卻器進(jìn)水口閥門。因此，本文針對(duì)此次故障，進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合有限元仿真模擬，找到了導(dǎo)致此事故的直接原因與主要誘因，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施，避免事故的再次發(fā)生。

1 故障現(xiàn)象及處理經(jīng)過(guò)

某冶煉廠轉(zhuǎn)爐車間7#、8#兩臺(tái)高壓鼓風(fēng)機(jī)發(fā)生故障的現(xiàn)象和處理經(jīng)過(guò)如下：

2019年4月20日凌晨5：30，7#、8#高壓鼓風(fēng)機(jī)及冷卻水泵因全廠6 kV變電站突發(fā)大停電停車，恢復(fù)供電后冷卻水泵開(kāi)車，7#、8#高壓鼓風(fēng)機(jī)分別于8：15、8：20開(kāi)車。

2019年4月20日9：25，7#高壓鼓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)油壓低故障報(bào)警，檢查冷卻塔發(fā)現(xiàn)有油污，判斷是油冷卻器破損漏油。12：20停車，由上部油冷卻器切換至下部備用油冷卻器，更換潤(rùn)滑油，于16：40開(kāi)車。17：40再次出現(xiàn)油壓低故障報(bào)警，18：10再次停車，在檢查主油泵過(guò)程中發(fā)現(xiàn)油箱油位降低，判斷油冷卻器破損漏油，更換油冷卻器、潤(rùn)滑油后，于21日4：40正常開(kāi)車。

2019年4月20日20：00，8#高壓鼓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)油壓低故障報(bào)警，檢查發(fā)現(xiàn)油箱油位上升，判斷是油冷卻器破損漏油。20：20停車，未切換上部油冷卻器至下部備用油冷卻器，21日臨時(shí)采用板式冷卻器(冷卻面積40 m2)替代，更換潤(rùn)滑油，于20：55正常開(kāi)車。

高壓鼓風(fēng)機(jī)電腦記錄顯示，7#高壓鼓風(fēng)機(jī)分別在4月20日8：15—9：25 、16：40—17：40 時(shí)間段出現(xiàn)油壓曲線波動(dòng)；8#高壓鼓風(fēng)機(jī)在4月20日19：20—20：00時(shí)間段出現(xiàn)油壓曲線波動(dòng)。

2 故障原因分析

2.1 水質(zhì)情況

某冶煉廠平均每周會(huì)對(duì)高壓鼓風(fēng)機(jī)冷卻水的水質(zhì)情況進(jìn)行檢測(cè)，2019年1—4月高壓鼓風(fēng)機(jī)冷卻水的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

由表1可知，濁度、pH值、總硬度、導(dǎo)電度四個(gè)參數(shù)都有較大波動(dòng)出現(xiàn)，均有超過(guò)規(guī)定要求的情況出現(xiàn)，尤其是pH值普遍在7～8，在添加阻垢緩蝕劑、殺菌滅藻劑等酸性藥劑后，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)，pH會(huì)小于7，所以水質(zhì)存在較大隱患。今后需要調(diào)整、規(guī)范循環(huán)水中添加的阻垢緩蝕劑、殺菌滅藻劑等的相關(guān)劑量和添加頻率，以控制水質(zhì)的四個(gè)重要參數(shù)。

表1 2019年1—4月高壓鼓風(fēng)機(jī)冷卻水的主要參數(shù)

2.2 油冷卻器檢查情況

1)分別對(duì)7#、8#風(fēng)機(jī)常用油冷卻器進(jìn)行打壓實(shí)驗(yàn)。8#油冷卻器在0.1 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa的壓力下對(duì)換熱管進(jìn)行打壓實(shí)驗(yàn)，換熱管泄漏數(shù)量分別為18根、4根、4根，總計(jì)26根。7#油冷卻器在0.4 MPa打壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，換熱管泄漏數(shù)量為28根。打壓實(shí)驗(yàn)前對(duì)油冷卻器換熱管進(jìn)行疏通，發(fā)現(xiàn)大量污垢；同時(shí)，打壓實(shí)驗(yàn)顯示，污垢沉淀區(qū)主要分布于油冷卻器的中下部，試驗(yàn)狀態(tài)如圖1所示。

圖1 壓力試驗(yàn)狀態(tài)

2)對(duì)8#油冷卻器換熱管進(jìn)行均布抽管作剖面分析，剖面情況如圖2所示。換熱管呈局部針孔狀腐蝕，孔徑大小不一，孔點(diǎn)周邊管壁明顯變薄。

圖2 8#油冷卻器換熱管的剖面狀態(tài)

3)對(duì)腐蝕的8#油冷卻器換熱管的無(wú)漏點(diǎn)段抽樣，然后進(jìn)行機(jī)械性能、光譜分析，參照標(biāo)準(zhǔn)為《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[1]和《和熱交換器用銅合金無(wú)縫管》[2]。

機(jī)械性能報(bào)告結(jié)果顯示8#油冷卻器換熱管不僅存在一定腐蝕情況，而且伸長(zhǎng)率不合格，說(shuō)明金屬材質(zhì)的延展性降低，以上原因都會(huì)使破管的風(fēng)險(xiǎn)增大。光譜檢測(cè)結(jié)果顯示，換熱管成份中硅含量超標(biāo)，結(jié)合水質(zhì)管理經(jīng)驗(yàn)[3-4]，硅超標(biāo)一般是指水中的二氧化硅含量過(guò)高，容易導(dǎo)致?lián)Q熱管結(jié)晶、結(jié)垢，使換熱管的局部管徑變小、流速及壓力上升，易發(fā)生爆管，且導(dǎo)熱系數(shù)降低，換熱能力下降。以上結(jié)果從側(cè)面說(shuō)明，油冷卻器的水質(zhì)酸堿度控制存在問(wèn)題，換熱管內(nèi)存在結(jié)垢和腐蝕現(xiàn)象。

2.3 有限元仿真計(jì)算及分析

將某冶煉廠現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的情況進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，然后進(jìn)行工況模擬，進(jìn)水壓力為0.2 MPa，出口壓力為0.1 MPa，進(jìn)水入口流速隨時(shí)間的變化函數(shù)如下：

(1)

式中：v——入口流速，m/s；

t——時(shí)間，s。

由于油冷卻器的內(nèi)部換熱管道數(shù)量為672根，內(nèi)壁直徑為6.2 mm，建立的三維模型導(dǎo)入有限元軟件中計(jì)算量過(guò)大，為降低計(jì)算強(qiáng)度，改為建立相應(yīng)二維模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.3.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)油冷卻器的結(jié)構(gòu)和載荷特性,直接在ANSYS17.0中建立二維模型，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。二維模型的網(wǎng)格劃分將單元尺寸設(shè)置為3.5 mm，最終網(wǎng)格數(shù)為210 312，節(jié)點(diǎn)數(shù)為177 099，網(wǎng)格劃分的局部效果如圖5所示。

圖3 網(wǎng)格劃分的局部效果

2.3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

在簡(jiǎn)化后的工況即邊界條件下，對(duì)油冷卻器中的流體進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算后，得到以下仿真結(jié)果：

1)0～2 s內(nèi)為水泵正常給水，油冷卻器處于正常工作階段， 1.9 s、2.0 s時(shí)的油冷卻器壓力云圖如圖4所示。

圖4 油冷卻器的壓力云圖

根據(jù)圖4顯示的結(jié)果，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油冷卻器整體壓力變化不大，入口壓力在0.23～0.25 MPa，出口壓力0.9 MPa，與平時(shí)正常工作情況基本一致，油冷卻器中上部分換熱管壓力普遍大于下部分。

2)2.0 s到2.1 s，水的流速開(kāi)始下降，到2.2 s時(shí)降到0 m/s，表示在2.0 s時(shí)突然斷電，給水泵停止工作，然后0.2 s之內(nèi)完全斷絕給水。此時(shí)壓力云圖如圖5所示。

圖5 油冷卻器的壓力云圖

由圖5可知，在斷電瞬間2.0～2.1 s，油冷卻器換熱管整體壓力開(kāi)始變化，絕大部分由正壓0.15～0.2 MPa突變?yōu)?10 MPa；然后，在2.1～2.2 s時(shí)間段，又急劇地發(fā)生改變，由-10 MPa變?yōu)?～4 MPa，這期間壓力正負(fù)變化非常劇烈，差值可以達(dá)到12～14 MPa，超出了換熱管正常的承壓范圍。

從以上仿真結(jié)果可以看出，油冷卻器發(fā)生了明顯的水錘現(xiàn)象，再結(jié)合相關(guān)技術(shù)人員的分析和判斷，現(xiàn)場(chǎng)共有4臺(tái)冷卻器同一時(shí)間發(fā)生破損故障，即在水泵突發(fā)斷電情況下，產(chǎn)生水錘效應(yīng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)水錘效應(yīng)早已開(kāi)展了大量的研究[5-6]，證明了水錘效應(yīng)對(duì)輸水管路的破壞性。結(jié)合本次事故，由于壓力分布關(guān)系，會(huì)在油冷卻器上部換熱管產(chǎn)生較大水壓沖擊，從而對(duì)油冷卻器上部分換熱管產(chǎn)生較大破壞，導(dǎo)致?lián)Q熱管破損，與事后檢查破損換熱管情況十分契合，驗(yàn)證了以上仿真結(jié)果的正確性。

3 預(yù)防措施

綜上所述，水質(zhì)未達(dá)標(biāo)，會(huì)使油冷卻器換熱管的機(jī)械性能下降，其抵抗壓力變化的能力減弱；大停電造成冷卻循環(huán)水供水泵突發(fā)斷電跳車，致使循環(huán)水回路中產(chǎn)生水錘效應(yīng)，誘發(fā)4臺(tái)油冷卻器中換熱管腐蝕及結(jié)垢部位在應(yīng)力激增情況下出現(xiàn)破管泄漏。因此，提出如下故障防范措施，為以后轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行提供相應(yīng)理論參考和技術(shù)積累。

1)完善水質(zhì)管理規(guī)范，由技術(shù)人員進(jìn)行取樣作業(yè)，每次取樣數(shù)不得低于3個(gè)，混釋后確定為標(biāo)準(zhǔn)待測(cè)水樣。若顯示水質(zhì)不合格，則根據(jù)結(jié)果調(diào)整添加劑成分或含量進(jìn)行及時(shí)控制；若合格則繼續(xù)按原有劑量定期加入添加劑。

2)建立藥劑添加規(guī)范，定期對(duì)藥劑進(jìn)行檢測(cè)化驗(yàn)，明確添加方式及添加量，制作稀釋添加裝置，在此之前暫停藥劑添加。

3)進(jìn)一步梳理風(fēng)機(jī)、循環(huán)冷卻水泵開(kāi)車流程，對(duì)故障處理流程進(jìn)行評(píng)估完善，組織相關(guān)人員進(jìn)行學(xué)習(xí)培訓(xùn)。

4)利用火法冶煉系統(tǒng)小修時(shí)間停機(jī)優(yōu)化循環(huán)冷卻水管路，在4臺(tái)油冷卻器進(jìn)水口安裝閥門，降低水錘效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。

5)對(duì)冷卻塔采取防塵防護(hù)，定期清理集水池淤泥。

6)制定科學(xué)適用的油冷卻器冷卻方式，如在油冷卻器冷卻水進(jìn)口管道安裝過(guò)濾裝置、采用除鹽水替代現(xiàn)用冷卻水等。

7)針對(duì)轉(zhuǎn)爐7#、8#高壓鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)展為期1個(gè)月的階段性專業(yè)維護(hù)工作，并落實(shí)以上防范措施及整改計(jì)劃。