風(fēng)機聯(lián)軸器螺栓斷裂的分析與解決*

閆俊杰 吳慧軍 李弘揚 高 科 陳 震

中國石化催化劑有限公司長嶺分公司 湖南岳陽 414000

1 事故背景

催化裂化是石油煉制的核心工藝之一,是煉油廠中最重要的重油輕質(zhì)化和獲取經(jīng)濟效益的手段,催化裂化催化劑是全球消耗量最大的煉油催化劑。目前,全球主要催化裂化催化劑供應(yīng)商總生產(chǎn)能力約為110萬t/a。其中,我國催化裂化催化劑產(chǎn)能達到45萬t/a。催化裂化催化劑行業(yè)競爭激烈,優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品是提升企業(yè)全球競爭力的主要措施之一。

某催化裂化催化劑生產(chǎn)裝置事故風(fēng)機為系統(tǒng)風(fēng)機,用于將裝置產(chǎn)生的副產(chǎn)物一氧化碳外排。設(shè)備故障會導(dǎo)致一氧化碳在裝置內(nèi)大量聚集,存在較大安全隱患,同時設(shè)備故障將導(dǎo)致裝置停車,影響生產(chǎn)的正常進行。2021年6月開始,事故風(fēng)機頻繁出現(xiàn)聯(lián)軸器螺栓斷裂的問題。筆者就事故風(fēng)機存在的問題進行了原因分析,提出了解決方案。經(jīng)過優(yōu)化改造,徹底解決了設(shè)備存在的問題,達到了預(yù)期效果,為生產(chǎn)的正常進行創(chuàng)造了條件。

2 事故風(fēng)機簡介

事故風(fēng)機為離心式風(fēng)機,現(xiàn)場如圖1所示。事故風(fēng)機型號為6T-8D,配套電機為YBX3-160L-4型隔爆型三相異步電動機,電機與風(fēng)機采用雙膜片聯(lián)軸器連接。設(shè)備具體參數(shù)見表1。

圖1 事故風(fēng)機現(xiàn)場

3 風(fēng)機聯(lián)軸器簡介

膜片聯(lián)軸器是一種高性能的金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器,具有無需潤滑、結(jié)構(gòu)緊湊、強度較高、壽命長、無旋轉(zhuǎn)間隙等特點,適用于高速、有腐蝕介質(zhì)工況環(huán)境的軸系傳動,廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備的軸系傳動。

事故風(fēng)機采用的聯(lián)軸器為TDE4-220X型雙膜片聯(lián)軸器,聯(lián)軸器每端用四個M10螺栓連接,螺栓材質(zhì)為45號鋼,螺栓強度等級為8.8級。聯(lián)軸器現(xiàn)場如圖2所示。

表1 事故風(fēng)機參數(shù)

圖2 聯(lián)軸器現(xiàn)場

4 運行工況

事故風(fēng)機的輸送介質(zhì)為空氣,工作溫度為常溫。因生產(chǎn)需要,風(fēng)機運行方式為間歇式運行,每24 h中運行16 h,停機8 h。同時,該風(fēng)機入口蝶閥開度根據(jù)運行情況在30%～45%范圍內(nèi)調(diào)整。

5 聯(lián)軸器螺栓斷裂情況

2021年6月2日,裝置設(shè)備技術(shù)人員巡檢發(fā)現(xiàn)事故風(fēng)機有間歇性異響。事故風(fēng)機實際投用時間為2021年4月20日。檢查電機和風(fēng)機地腳螺栓無松動,檢查風(fēng)機軸承和電機軸承運行無異響,風(fēng)機軸承振動速度為2.2 mm/s,溫度為30 ℃,電機軸承振動速度為3.0 mm/s,溫度為45 ℃,風(fēng)機軸承和電機軸承的振動速度和溫度均在正常范圍內(nèi)。經(jīng)進一步檢查,確定設(shè)備異響源為聯(lián)軸器。停機檢查,發(fā)現(xiàn)設(shè)備電機端聯(lián)軸器螺栓斷裂兩根,其它聯(lián)軸器螺栓有不同程度松動。因設(shè)備投用未滿1 a,未配備相應(yīng)配件,為確保生產(chǎn),從備用機泵P102A聯(lián)軸器上拆下了整套材質(zhì)為Q235碳鋼螺栓進行更換,并對風(fēng)機聯(lián)軸器的同心度進行了復(fù)核,軸向為0.07 mm,徑向為0.06 mm,符合石油化工旋轉(zhuǎn)機械振動標(biāo)準(zhǔn)要求,軸向不大于0.8 mm,徑向不大于1.5 mm。同時,聯(lián)系廠家緊急補發(fā)了兩套聯(lián)軸器螺栓。6月4日,新?lián)Q的聯(lián)軸器螺栓又出現(xiàn)斷裂情況,緊急停車后更換了廠家補發(fā)的新螺栓。設(shè)備運行至7月4日,該設(shè)備聯(lián)軸器又出現(xiàn)異響,檢查發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器螺栓出現(xiàn)松動和變形。

事故風(fēng)機聯(lián)軸器螺栓斷裂和變形的情況如圖3所示。

圖3 聯(lián)軸器螺栓斷裂和變形

6 螺栓斷裂原因分析

風(fēng)機啟動及運行時,聯(lián)軸器受到電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩、膜片與螺栓質(zhì)量不均而引起的離心力、膜片軸向位移引起的彈性推力,以及軸向偏移引起的彎矩。扭矩對螺栓施加周向剪切力、離心力對螺栓施加徑向剪切力、彈性推力和彎矩對螺栓施加拉伸或壓縮應(yīng)力。膜片聯(lián)軸器主要失效形式為螺栓和膜片在交變循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞斷裂。同時,電機起動時瞬間扭力過大,也可能導(dǎo)致螺栓斷裂或變形。聯(lián)軸器螺栓受力分析如圖4所示。

圖4 聯(lián)軸器螺栓受力分析

螺栓斷裂位置為螺栓螺紋與光滑部分的結(jié)合部,斷口平齊,呈現(xiàn)典型脆性斷口特征。在裂紋擴展區(qū)有明顯的從裂紋源區(qū)始發(fā)的放射線狀撕裂棱線,端口橫截面與螺栓軸線方向有小角度傾角,隨著裂紋擴展,螺栓有效截面不斷縮小,從而形成瞬斷區(qū)。45號鋼螺栓外表皮無明顯氧化皮,說明現(xiàn)場運行溫度不高,螺栓外表面無明顯沖擊痕跡,且設(shè)備振動在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),說明螺栓斷裂并非沖擊所致。

事故風(fēng)機的聯(lián)軸器總長為360 mm,孔徑為40 mm,左右半邊聯(lián)軸器軸孔長均為110 mm,聯(lián)軸器中間段長度為140 mm。該聯(lián)軸器屬于JMIIJ4型膜片聯(lián)軸器,查JB/T 9147—1999《膜片聯(lián)軸器》標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)孔徑為40 mm時,軸孔推薦長度為65 mm,中間段對應(yīng)長度為116 mm,公稱轉(zhuǎn)矩為500 N·m,瞬時最大轉(zhuǎn)矩為800 N·m。對照標(biāo)準(zhǔn),事故風(fēng)機聯(lián)軸器長度過長,且與孔徑不成比例,設(shè)備啟動及運行時聯(lián)軸器螺栓受到剪切力較大。

綜上所述,事故風(fēng)機聯(lián)軸器選型不合理,聯(lián)軸器長度過長且與孔徑不成比例,是聯(lián)軸器螺栓頻繁斷裂的主要原因。同時,風(fēng)機啟停頻繁,電機頻繁啟動時產(chǎn)生的過大瞬時扭力進一步加劇了聯(lián)軸器螺栓的斷裂。

7 解決措施

筆者結(jié)合多年工作經(jīng)驗,針對事故,決定改用LX型彈性柱銷聯(lián)軸器代替膜片聯(lián)軸器。查GB/T 5014—2017《彈性柱銷聯(lián)軸器》標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)孔徑為40 mm時,彈性柱銷聯(lián)軸器軸孔長度為112 mm,剛好與風(fēng)機軸頭匹配,同時取消中間段,將電機向風(fēng)機側(cè)移動140 mm。LX型彈性柱銷聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩為2 500 N·m,為原膜片聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的5倍,具有更高的抗扭矩能力和更高的穩(wěn)定性。

8 效果

2021年7月20日裝置停工檢修期間,對事故風(fēng)機進行了改造,并嚴格按標(biāo)準(zhǔn)進行了找正。改造后,風(fēng)機運行至今未出現(xiàn)異響。

9 結(jié)束語

筆者介紹了催化裂化催化劑裝置事故風(fēng)機運行中存在聯(lián)軸器螺栓頻繁斷裂的問題,通過分析認為膜片聯(lián)軸器長度過長,且長度與孔徑不成比例,風(fēng)機啟動及運行時聯(lián)軸器螺栓受到的剪切力較大,是造成聯(lián)軸器螺栓疲勞斷裂的主要原因。筆者結(jié)合多年工作經(jīng)驗,通過采用LX型彈性柱銷聯(lián)軸器代替膜片聯(lián)軸器,解決了風(fēng)機聯(lián)軸器螺栓頻繁斷裂的問題。通過改造,有效解決了裝置生產(chǎn)中存在的問題,確保了裝置安全穩(wěn)定長周期運行,同時降低了風(fēng)機修理費,節(jié)約了能源,保護了環(huán)境和員工的身心健康。