氣自動調(diào)角空冷風機葉片斷裂原因分析及處理措施

＊廉海軍

（中海石油舟山石化有限公司 浙江 316015）

前言

空冷器作為煉油廠、石油化工廠等行業(yè)冷卻系統(tǒng)冷凝、冷卻應用最多的一種換熱設(shè)備，相較水冷卻系統(tǒng)有不可取代的優(yōu)勢，所以其運行的可靠性對于裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn)尤為重要，作者所在單位抽提裝置空冷風機在設(shè)計選型階段側(cè)重于節(jié)能以及操作方便等方面的考慮，選用了氣動機械調(diào)角空冷風機（型號為G-BF36L4-VS22），抽提裝置空冷風機自2008年開工以來也發(fā)生過多起風葉斷裂事件，且考慮到不停機調(diào)節(jié)空冷葉片安裝角度氣動調(diào)節(jié)機構(gòu)復雜，故障率高，維護保養(yǎng)不易，于2010年拆除了空冷風機機械調(diào)角控制系統(tǒng)，保留了原有設(shè)計結(jié)構(gòu)，空冷風葉斷裂頻次得到有效控制。2021年作者所在部門針對近期（2021年8月）發(fā)生空冷風機（AC4201A）葉片斷裂事件進行了總結(jié)、分析和討論，提出了初步的整改建議。2022年2月份部門按照既定方案對抽提空冷風機AC4101B風葉固定座進行了改造并且開機試運正常，為后續(xù)抽提裝置空冷風機改造提供了技術(shù)支撐。

1.自動調(diào)角空冷風機結(jié)構(gòu)及工作原理

表1

抽提裝置選用水平鼓風式空冷器，空冷風機置于管束下方，從下往上鼓風冷卻管束，這種形式空冷器主要缺點就是氣流分布不均勻。

空冷風機結(jié)構(gòu)結(jié)合裝置生產(chǎn)實際選用氣動葉片調(diào)角空冷風機（如圖1所示），風機葉片選用模壓鋁合金葉片，機翼型截面，扭曲外形空心結(jié)構(gòu)，這種葉片強度高、質(zhì)量輕、慣性小、壽命長；風機葉輪共有4片葉片，每個葉片和輪轂分體平衡，維護互換性較好；風機葉片通過軸承座固定在氣自調(diào)角輪轂上，葉片與軸承座之間用鎖緊螺母鎖緊定位，滑動連板與葉片間的聯(lián)動主要靠調(diào)角拉桿的連接和軸承座的作用。

圖1

不停機調(diào)節(jié)空冷風機葉片角度的工作流程：根據(jù)生產(chǎn)裝置冷后溫度的需求，操縱氣動自調(diào)輪轂使滑動連扳進行上下移動，滑動連扳帶動調(diào)角拉桿聯(lián)動改變?nèi)~片在軸承座內(nèi)周向角度，最終完成不停機葉片角度的調(diào)整。

2.風機運行過程中葉片斷裂情況分析

2021年8月21日，某煉油廠抽提裝置夜班內(nèi)操發(fā)現(xiàn)空冷AC4201冷后溫度上漲過快，聯(lián)系外操現(xiàn)場確認，發(fā)現(xiàn)空冷風機皮帶斷裂，電機空轉(zhuǎn)。因臨近下班交予白班處理，在白班檢修過程中發(fā)現(xiàn)空冷4片風葉已斷其3，通過檢查現(xiàn)場葉片斷口、皮帶斷口等情況，判斷此次空冷葉片斷裂首先從一根葉片葉根固定端處由向風側(cè)往背風側(cè)折斷，而斷裂的葉片卷入高速運轉(zhuǎn)空冷葉片間（如圖2、圖3所示），導致其余三根風機葉片不同程度斷裂、破損，其中有一根葉片將軸承座拉裂后整根葉片脫落被夾在葉片與風筒間（如圖4所示），待風機滯動后把皮帶拉斷，從電氣后臺處了解到，凌晨7點左右空冷風機電流最大達35A，之前一直在26-28A之間波動。

圖2

圖3

圖4

從圖3葉片斷口檢查確定向風側(cè)葉輪葉軸處的斷痕是老的斷痕，斷口呈暗黑色，是鋁合金沖刷腐蝕后的顏色與葉身型面顏色一致，斷面呈顆粒狀銹斑且表面積灰。而圖2背風側(cè)葉輪葉軸處的斷痕呈現(xiàn)亮色與鋁合金母材顏色一致，為新斷口，且斷面平滑。

從圖2、圖3我們可以清晰的看到鋁合金葉片的空腹結(jié)構(gòu)，葉片重量較輕，葉軸部位是葉片加強加固的部位（葉片應力集中的部位），不隨葉片擺動，同時也是葉片的徑向支點，類似于懸臂梁的端部支點，葉片截面寬度從葉根至葉尖逐漸變窄，所以葉片靠近葉尖的部位晃動越大，綜上所述，葉片向風側(cè)（葉片工作面）的葉軸部位是最易出現(xiàn)疲勞裂紋的。

由此可以判斷葉片葉軸處是先有裂紋，而后葉片運行中失穩(wěn)折斷，后續(xù)檢查中對該處進行無損檢測，未發(fā)現(xiàn)其他部位有裂紋，所以分析葉片斷裂主要有以下幾種情況：

（1）風機葉軸處屬于應力集中的部位，空冷風機運行時震顫頻率或風機檢修葉片裝配質(zhì)量的影響，導致風機中葉片晃動較大在應力集中部位出現(xiàn)疲勞而產(chǎn)生裂紋。

（2）AC4201原設(shè)計是一種不停機自動調(diào)角型空冷，雖然調(diào)角機構(gòu)已經(jīng)棄用，但風機葉片的固定座還是原設(shè)計的軸承座，以調(diào)角拉桿固定，而軸承座內(nèi)軸承從開工至今就未進行過保養(yǎng)，軸承銹蝕或局部疲勞破損或風機運行中軸承隨葉片晃動等情況的發(fā)生，并不能保證風機葉片安裝角為絕對定值，空冷風機的4根葉片安裝角度也就不能保證同步一致，這種情況下空冷風機4個葉片將會受力不同，風機整體動平衡破壞，振動加劇，設(shè)備應力集中部位疲勞加劇而出現(xiàn)裂紋，最終導致葉片的斷裂。風機斷葉片事件發(fā)生后，部門對同類型結(jié)構(gòu)的空冷風機進行了排查，排查的結(jié)果和上述原因分析一致，有幾臺空冷風機存在同組葉片安裝角度不一致的情況，角度最大相差達4°。

（3）葉片固定軸承座與調(diào)角輪轂的連接螺栓在空冷風機長期運行過程中，因風機固有振動頻率或因地緣關(guān)系葉片背風面風壓不均引起的振動失衡等原因均可能導致連接螺栓疲勞松動，破壞風機整體動平衡，而最終發(fā)生風機葉片的斷裂的情況。

綜上所述：通過后續(xù)同類型結(jié)構(gòu)的空冷風機的檢查，排除了第1種與第3種分析情況的發(fā)生，確定了葉片斷裂的主要原因是風機運行過程中葉片在軸承座內(nèi)發(fā)生了相對旋轉(zhuǎn)，導致風機葉片結(jié)構(gòu)性失衡、振動異常而引發(fā)的葉片疲勞折斷。

3.空冷風機葉片固定座的改造

2022年2月，依據(jù)AC4201風機斷葉片分析報告，部門決定以空冷風機（AC4101B）作為試驗設(shè)備來對風機葉片固定結(jié)構(gòu)進行改造攻關(guān)。初步的設(shè)想：借鑒手動調(diào)角輪轂上采用U型螺栓固定風機葉軸的形式（如圖5所示），將氣自調(diào)角輪轂上的軸承座進行剖分加工。將歷經(jīng)1個月時間，風機葉片軸承座的改造經(jīng)過2次反復加工實驗、試運行，成功解決了抽提空冷風機葉片結(jié)構(gòu)性失衡的問題。

圖5

(1)第一次軸承座改造攻關(guān)情況

首先風機（AC4101B）4根葉片在氣自調(diào)角輪轂上檢修拆卸至建安公司施工廠房，拆除4根葉片軸承座內(nèi)軸承（每根2套軸承），機加工對葉片軸承座上水平中分面剖分線切割成2半；利用30mm厚鋼板加工4對風機葉片配合夾具安裝在原軸承部位（如圖6所示）；利用DN40不銹鋼鋼管水平剖分成兩半（長10公分）作為風機葉軸上下壓塊放置在軸承部位配合夾具上（如圖7所示)；改造后的軸承座中分面在組裝中留有5mm間隙，主要目的是要保證風機葉軸部位的夾緊力，防止葉軸部位的松動（如圖8所示）。

圖6

圖7

圖8

第一次風機葉片軸承座現(xiàn)場組裝過程中，沒有考慮到軸承座材質(zhì)問題（鑄鐵），導致軸承座兩端螺栓緊固時，上半軸承座在中部保護夾具部位受力而斷裂成兩半（如圖9所示），第一次軸承座改造以失敗告終。

圖9

(2)第二次軸承座改造攻關(guān)情況

圖11

第二次軸承座改造攻關(guān)吸取了第一次失敗的教訓，考慮到軸承座材質(zhì)強度不高的問題，對于第一次改造中沒有斷裂的軸承座上部安裝10mm厚螺栓墊板（如圖10所示）；而對于已經(jīng)斷裂的上半軸承座，用鋼板重新機加工制作了2個上半軸承座與葉根配合夾具焊接在一起（如圖11所示）。

圖10

第二次軸承座改造安裝后，風機葉片牢牢的固定在軸承座內(nèi)，并且按照設(shè)備說明書中要求葉片角度調(diào)整至9°，截止目前，空冷風機（AC4101B）改造運行一周左右，電機電流平穩(wěn)，風機運行正常。

圖12

4.總結(jié)

通過對氣自動調(diào)角空冷風機結(jié)構(gòu)的深入分析，作者所在部門進行了大膽的嘗試，解決了困擾部門多年空冷風機斷葉片的故障問題，為部門后續(xù)空冷風機結(jié)構(gòu)上的改造工作的開展指明了方向。