造粒噴頭裂紋分析與處理

周文博

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古 海拉爾 021000）

呼倫貝爾金新化工有限公司80萬t/a合成氨尿素裝置于2012-07安裝完成并投用。項目引進(jìn)國外制造的尿素造粒裝置，使用該裝置生產(chǎn)的尿素顆粒平均直徑為1.8 mm。2016-06，出于改造中顆粒尿素項目，增大造粒直徑到3 mm的需要，將原造粒噴頭更換為中造粒噴頭。中造粒噴頭連續(xù)使用2個月，在葉根焊縫處檢查出了開裂。針對裂紋情況進(jìn)行了分析并實施了造粒噴頭改造修復(fù)，修復(fù)后的造粒噴頭連續(xù)使用2個月后，再次檢查出了裂紋。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行觀察，初步判斷開裂為振動所致。展開旋轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)和固有頻率分析后，提出了改進(jìn)措施。

1 尿素造粒裝置概述

1.1 造粒流程

尿素造粒流程示意圖見圖1。熔融尿素液質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.7%、溫度140℃，來自蒸發(fā)系統(tǒng)，經(jīng)熔融泵加壓至l.514 MPa后進(jìn)入尿素造粒塔頂?shù)脑炝C(jī)。造粒機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，熔融尿素液在離心力作用下由造粒噴頭噴出，形成尿素小液滴。尿素小液滴在重力作用下和空氣冷卻作用下下降和降溫，逐漸冷卻固化成尿素顆粒。尿素顆粒先降落到造粒塔底面上，隨后進(jìn)入刮料機(jī)，最后經(jīng)皮帶運(yùn)輸出塔。此流程產(chǎn)出尿素顆粒平均直徑1.8 mm，溫度約為 70 ℃［1-2］。

圖1 尿素造粒流程示圖

1.2 設(shè)備參數(shù)

尿素噴頭調(diào)速范圍50～380 r/min，正常工作轉(zhuǎn)速330 r/min。驅(qū)動電機(jī)功率3 kW，正常工作扭矩87 N·m。電機(jī)通過皮帶輪連接到主軸上，主軸上安裝有角接觸軸承和深溝球軸承，尿素溶液通過導(dǎo)液管進(jìn)入到造粒噴頭內(nèi)。造粒噴頭材質(zhì)為6063 T5，底部通過鎖緊螺母與銷釘固定到主軸上起到傳遞扭矩的作用。造粒噴頭的傳動主軸長度2 895 mm，材質(zhì)為 3Cr13。

2 尿素造粒機(jī)運(yùn)行故障診斷及處理

2.1 變更造粒噴頭

造粒機(jī)于2012-07安裝完成并投用，之后一直運(yùn)行正常。2016-06，為適應(yīng)造粒尺寸變大需求將原造粒噴頭更換為中造粒噴頭。中造粒噴頭整體采用6063 T5鋁合金制造，12個葉片均布在圓周方向，葉片采用榫槽加焊接的方式固定在上下蓋板上［3］。中造粒噴頭尺寸和結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 中顆粒尿素噴頭結(jié)構(gòu)尺寸示圖

2.2 中造粒噴頭第一次裂紋

中顆粒噴頭連續(xù)運(yùn)行2月后，葉根焊縫處出現(xiàn)了沿葉片角度方向分布的裂紋。復(fù)查中顆粒噴頭葉片焊接工藝，確定其焊接特征。中顆粒尿素造粒噴頭裂紋情況見圖3，裂紋檢查涉及的焊縫示意圖見圖4。焊縫為葉根插入到蓋板內(nèi)焊接類型，蓋板厚度12.7 mm，葉根寬度6.35 mm，焊縫深度1.27 mm。

圖3 中造粒噴頭第一次裂紋情況

圖4 中造粒噴頭初始焊縫示圖

通過更改焊接工藝、加大焊縫深度進(jìn)行修復(fù)處理。修復(fù)方案為，氬弧焊焊接工藝，焊縫深度5.08 mm，蓋板、葉根材質(zhì)均為6063 T5鋁合金，開夾角45°的V形坡口，焊絲材質(zhì) 5356鋁合金，焊接后對焊縫進(jìn)行著色無損檢測，沒有發(fā)現(xiàn)氣孔和裂紋。修復(fù)完成后，進(jìn)行造粒機(jī)的動平衡試驗，達(dá)到精度G6.3。中造粒噴頭第一次裂紋修復(fù)后的焊縫示意圖見圖5，著色無損檢測結(jié)果見圖6。

圖5 中造粒噴頭第一次裂紋修復(fù)后焊縫示圖

圖6 中造粒噴頭第一次修復(fù)后裂紋著色檢測結(jié)果

2.3 中造粒噴頭第二次裂紋

中造粒噴頭修復(fù)后重新投用，僅連續(xù)運(yùn)行2個月，蓋板葉根第二次出現(xiàn)裂紋（圖7）。進(jìn)行故障分析與排查。在現(xiàn)場觀察到，造粒噴頭在流量調(diào)節(jié)過程中有偶發(fā)振動現(xiàn)象，這在小顆粒噴頭運(yùn)行過程中不曾出現(xiàn)過。多次測試后發(fā)現(xiàn)，中顆粒噴頭在入口體積流量95～115 m3/h時振動幅度最大。經(jīng)查，造粒機(jī)的額定流量為120 m3/h，可排除處理量超標(biāo)引起的操作異常。因此，初步判斷是振動引起結(jié)構(gòu)損壞誘發(fā)的開裂。

圖7 中造粒噴頭第二次裂紋情況

3 造粒噴頭旋轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)和固有頻率模態(tài)分析

3.1 旋轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)

采用Simulation仿真分析軟件對原造粒小噴頭和改造后的造粒中噴頭進(jìn)行轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)件的固有頻率分析。小顆粒和中顆粒噴頭旋轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)見圖 8。

圖8 尿素造粒噴頭旋轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)示圖

兩噴頭采用同一根主軸，主軸材質(zhì)3Cr13，長度2 895 mm，質(zhì)量78 kg。主軸頂部安裝有角接觸軸承，中部安裝有徑向軸承。小噴頭內(nèi)部無葉片，鋁合金6063 T5材質(zhì)，重23.8 kg，上部安裝有導(dǎo)液筒。噴頭與主軸過渡配合，起密封和固定主軸的作用，底部鎖緊螺母將噴頭與主軸固定。中造粒噴頭內(nèi)含12個葉片，鋁合金6063 T5材質(zhì)，質(zhì)量16.2 kg，底部通過鎖緊螺母固定在主軸上，用鍵傳遞扭矩。

3.2 模型簡化及約束

模態(tài)分析前，對零部件進(jìn)行了簡化［8］以降低計算量。被簡化部件包括軸承、螺栓、鍵、O型環(huán)、噴孔等。約束條件按照實際采用的安裝配合方式細(xì)化到小噴頭和中噴頭。對于小噴頭，約束徑向自由度、角接觸軸承軸向和徑向的自由度、徑向軸承徑向自由度。過渡配合處，包括主軸與噴頭的過渡配合，鎖緊螺母、主軸以及噴頭之間的過渡配合均采用相觸面組接合的接觸方式［9］。沒有限制主軸的旋轉(zhuǎn)自由度。對于中噴頭，主軸與噴頭無過渡配合，除此之外的約束條件與小噴頭的相同。造粒噴頭三維模型見圖9。

圖9 造粒噴頭三維模型

3.3 小噴頭振動模擬

3.3.1 空載工況

對小噴頭轉(zhuǎn)動部件建立三維坐標(biāo)模型，對模型進(jìn)行空載振動條件下的固有頻率分析［10-14］，同時進(jìn)行轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量參與振動的三維分布分析，得到1～10階固有頻率及對應(yīng)的x、y、z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見圖10。

1989年，慈溪市政府為傳播楊梅文化、推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展開始舉辦一年一度的慈溪楊梅節(jié)，據(jù)資料推斷，這是浙江歷史上出現(xiàn)的第一屆果樹觀光采摘活動。所以本研究統(tǒng)計的時間范圍確定在1989年到2012年。

圖10 空載時小噴頭振動固有頻率及質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布模擬結(jié)果

由圖10可知，空載時小噴頭轉(zhuǎn)動部件振動前10階固有頻率對應(yīng)的x、y、z向質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和分別為 0.821 54、0.652 33、0.728 55［3］。其中，1階、2階、9階振動對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于其他各階。1階x方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.318 73，z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.224 44。2階x方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.224 63，z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.319 25；9階y方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.652 33。共振頻率1階為11.179 Hz，2階為11.213 Hz，9階為 439.42 Hz。

3.3.2 工作工況

造粒機(jī)泵入尿素溶液后，對小噴頭轉(zhuǎn)動部件模型進(jìn)行工作振動下的固有頻率分析，同時進(jìn)行轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量（包含滿載時溶液質(zhì)量）參與振動的三維分布分析，得到1～10階固有頻率及對應(yīng)的x、y、z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見圖11。滿載時溶液質(zhì)量按小噴頭容積28.6 L、熔融尿素密度1 220 kg/m3計算為34.8 kg。

圖11 滿載時小噴頭振動固有頻率及質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布模擬結(jié)果

由圖11可知，工作振動下小噴頭轉(zhuǎn)動部件振動前10階固有頻率對應(yīng)的x、y、z方向的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和分別為 0.750 55、0、0.750 56。其中，1階、2階振動對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于其他各階。1階x方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.344 94，z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.260 34。2階x方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.260 45，z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.345 26。共振頻率1階8.609 7 Hz，2階8.637 1 Hz。

3.4 中噴頭振動模擬

3.4.1 空載工況

對中噴頭轉(zhuǎn)動部件建立三維坐標(biāo)模型，對模型進(jìn)行空載振動條件下的固有頻率分析，同時進(jìn)行轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量參與振動的三維分布分析，得到1～10階固有頻率及對應(yīng)的 x、y、z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見圖 12。

圖12 空載時中噴頭振動固有頻率及質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布模擬結(jié)果

由圖12可知，空載時中噴頭轉(zhuǎn)動部件振動前10階固有頻率對應(yīng)的x、y、z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和分別為 0.685 50、0.070 29、0.685 52。其中，2階、3階振動對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于其他各階。2階x方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.258 42，z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.318 13。3階x方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.318 12，z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.258 44。共振頻率2階7.812 4 Hz，3階為7.815 7 Hz。

造粒機(jī)泵入尿素溶液后，對中噴頭轉(zhuǎn)動部件模型進(jìn)行工作振動下的固有頻率分析，同時進(jìn)行轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量（包含滿載時溶液質(zhì)量）參與振動的三維分布分析，得到1～10階固有頻率及對應(yīng)的x、y、z質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見圖13。滿載時溶液質(zhì)量按中噴頭容積31.2 L、熔融尿素密度1 220 kg/m3計算為38.1 kg。

圖13 滿載時中噴頭振動固有頻率及質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布模擬結(jié)果

由圖13可知，空載時中噴頭轉(zhuǎn)動部件振動前10階固有頻率對應(yīng)的x、y、z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和分別為 0.776 55、0.590 94、0.775 55。其中，2階、3階、6階、7階振動對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于其他各階。2階x方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.304 94，z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.369 19。3階x方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.369 17，z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.304 97。6階y方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.379 63。7階y方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.211 31。共振頻率 2階為 5.964 Hz，3階為5.9664 Hz，6階為 58.161 Hz，7階為 68.713 Hz。

3.5 噴頭振動綜合分析

匯總2種規(guī)格噴頭在2種工況下10階內(nèi)參與振動質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的固有頻率，見表1。

基于噴頭正常工作時的轉(zhuǎn)速330 r/min，頻率5.5 Hz，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍50～380 r/min，頻率范圍0.83～6.33 Hz進(jìn)行綜合分析。參考轉(zhuǎn)動設(shè)備規(guī)范［15］，無阻尼扭轉(zhuǎn)固有頻率應(yīng)當(dāng)比規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)任何可能的激勵頻率至少高出10%或低于10%。對照表1，小噴頭空載和滿載時固有頻率在8.609 7～11.179 Hz，高出運(yùn)行頻率10%，并且在小噴頭運(yùn)行過程中并未觀察到振動發(fā)生。中噴頭空載和滿載的固有頻率在5.964 0～7.815 7 Hz，與噴頭轉(zhuǎn)動頻率0.83～6.33 Hz存在重合區(qū)間，并且在中噴頭運(yùn)行過程中觀察到了振動發(fā)生。綜上，中噴頭存在運(yùn)行頻率激發(fā)了固有頻率從而引起振動的可能性。

表1 2種噴頭不同工況下10階內(nèi)參與振動質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的固有頻率 Hz

4 中噴頭轉(zhuǎn)動部件改造

4.1 設(shè)計方案

綜合考慮現(xiàn)場條件和設(shè)備狀況后提出，對中噴頭轉(zhuǎn)子進(jìn)行重新設(shè)計，避開共振區(qū)間。新轉(zhuǎn)子設(shè)計目標(biāo)為，①保證小、中顆粒噴頭的互換性。②保留原有軸承位置，以做到在結(jié)構(gòu)和成套性上的改動最小。

新舊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)尺寸見圖14。轉(zhuǎn)子材質(zhì)為3Cr13，改動部分將轉(zhuǎn)子中部的φ70 mm軸肩過渡部分增粗為φ80 mm，增粗部分長度為995.47 mm。改動后轉(zhuǎn)子質(zhì)量從78.4 kg增大為87.0 kg。

圖14 新舊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)尺寸示圖

4.2 效果評估

4.2.1 空載工況

采用相同的方法對改進(jìn)后的中造粒噴頭旋轉(zhuǎn)組件的振動固有頻率進(jìn)行評估，得到空載時1～10階固有頻率及對應(yīng)的x、y、z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見圖15。

圖15 改進(jìn)后空載時中噴頭振動固有頻率及質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布模擬結(jié)果

由圖15可知，改進(jìn)后，空載時中噴頭轉(zhuǎn)動部件振動前10階固有頻率對應(yīng)的x、y、z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和分別為 0.638 47、0.034 86、0.638 36。其中，2階、3階振動對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于其他各階。2階x方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.638 59，z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)近似為0。3階x方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)近似為0，z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.638 34。共振頻率2階為10.343 Hz，3階為 10.344 Hz。

4.2.2 工作工況

造粒機(jī)泵入尿素溶液后，對中噴頭轉(zhuǎn)動部件模型進(jìn)行工作振動下的固有頻率分析，同時進(jìn)行轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量（包含滿載時溶液質(zhì)量）參與振動的三維分布分析，得到1～10階固有頻率及對應(yīng)的x、y、z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見圖16。主軸改進(jìn)后滿載時容積和質(zhì)量保持不變，中噴頭容積31.2 L、熔融尿素密度1 220 kg/m3計算的容積質(zhì)量為38.1 kg。

圖16 改進(jìn)后滿載時中噴頭振動固有頻率及質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布模擬結(jié)果

由圖16可知，滿載時改進(jìn)后中噴頭轉(zhuǎn)動部件振動前10階固有頻率對應(yīng)的x、y、z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和分別為 0.749 85、0.516 48、0.749 94。其中，2階、3階振動對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于其他各階。2階x方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.638 59，z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為近似為0。3階x方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為近似為0，z方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.638 34。共振頻率2階為7.275 7 Hz，3階為 7.276 1 Hz。

4.2.3 綜合分析

改進(jìn)后中噴頭空載和滿載固有頻率在7.276～10.344 Hz，運(yùn)行頻率在 0.83～6.33 Hz，最低固有頻率高于最高運(yùn)行頻率的10%。

5 結(jié)語

尿素造粒裝置為適應(yīng)造粒直徑變大僅將小噴頭更換為中噴頭，未對系統(tǒng)進(jìn)行整體適應(yīng)性調(diào)整，導(dǎo)致中噴頭使用短時間后就出現(xiàn)裂紋。中噴頭第一次修復(fù)從焊接工藝入手，治標(biāo)不治本，導(dǎo)致修復(fù)后中噴頭再次出現(xiàn)裂紋。針對裂紋的再次出現(xiàn)，從前兩次診斷忽略的噴頭偶發(fā)振動出發(fā)，初步將振動鎖定為裂紋的誘因，經(jīng)過建模和振動模態(tài)分析，驗證了初步診斷的可靠性和模態(tài)分析方法的可靠性。提出了改進(jìn)設(shè)計，用模態(tài)分析方法進(jìn)行了改進(jìn)效果評估。中顆粒噴頭改進(jìn)完成后投入運(yùn)行，振動情況消失，穩(wěn)定運(yùn)行至今沒有出現(xiàn)裂紋。