弗卡斯石灰窯燒嘴梁冷卻油泵損壞原因分析與對策

郭盛云

在泵組與管道連接結構系統，因受場地局限出現靜不定結構時，將導致泵體與管道之間產生不確定的作用內力，影響泵的安全運行。通過增設不銹鋼波紋管代替局部管道，可有效消除系統多余約束力，使系統變為靜定結構，確保泵安全平穩運行。

泵組 管道 靜不定結構 波紋管

一、弗卡斯石灰窯及其導熱油泵組簡介

弗卡斯石灰窯是引進意大利弗卡斯公司工藝和控制技術，所有轉化設計、設備安裝與施工均由我單位自行承擔，關鍵設備從弗卡斯公司進口。該窯設計日產400噸，石灰活性度大于350ml，窯體截面設計為準矩形。

該窯煅燒帶分布雙層燒嘴梁，在七根燒嘴梁內共布置102個煤氣燒嘴煅燒石灰石，燒嘴梁在窯內完全暴露在高溫火焰之中；燒嘴梁的冷卻由油泵將導熱油連續循環送入梁內；冷卻泵組設有3臺油泵，其中2臺電動泵，1臺柴油機泵；正常生產時1臺電動泵工作，1臺備用，系統停電，柴油泵自動開啟，確保燒嘴梁始終處于冷卻狀態。工作原理為：燒嘴梁及其管道內注滿導熱油約10立方米，油泵連續運轉將導熱油在系統內循環往復流動，系統設置1臺散熱裝置，實現燒嘴梁循環連續冷卻（見圖1）。

二、問題的提出

燒嘴梁及其泵組和附屬管道是弗卡斯石灰窯核心設備，完全從弗卡斯公司采購。由于受場地狹小限制，泵組必須緊密排放布置。根據弗卡斯公司提供的設備，現場設備安裝首先將泵組安裝定位，隨后安裝管道和附件，在連接1#和3#油泵管道后，2#泵管道連接出現明顯的偏差，必須將2#泵的管道法蘭螺栓割開，待法蘭螺栓預連接再施焊，最后再正式安裝管道。在試車初期和日后檢修試車階段多次發生1#2#油泵軸瓦啟動瞬間燒損事故；即使油泵軸瓦沒有燒損，油泵運行振動大；每次更換油泵十分困難，必須動用氣割、電焊，否則無法實施。

三、原因分析

油泵進、出口山字形管道是由Φ300×8無縫鋼管制作而成，形成一個牢固的剛體構件，其它閥門和管道剛度均很強，當油泵、閥門和管道連接后，形成封閉的靜不定結構，現對垂直方向簡化受力分析：

設載荷為F，三個約束反力為F1、F2、F3

由∑F =0和∑M =0可以寫出：

｛F－F3－F2－F1=0 Fa－F2c－F3（a+b）=0

由此看出3個約束反力，只有2個方程，無法求解；

根據靜不定結構概念，在無多余聯系的幾何不變的靜定結構上增加約束或聯系，稱為多余約束，并因而產生多余約束反力，則這樣的有多余約束的結構，僅利用靜力平衡條件無法求得全部約束力和內力，稱為靜不定結構。因此，該泵組結構系統存在多余的約束，因而產生多余的約束反力，它在系統安裝后已經產生，而且這種作用內力存在著不確定性，它受連接螺栓預緊力大小、管道彈性變形程度、密封墊片擠壓變形以及油泵基礎強度、剛度的不同而改變。

在工程實際中，為了提高結構的強度和剛度，除了選擇合理的截面形狀、加大截面尺寸外，常常在靜定結構中再附加某些約束。但在所述的結構系統出現多余約束將造成如下后果：

1.由于油泵基礎是鋼結構件，其強度和剛度不盡相同（3#柴油泵剛性好，1#2#電動泵明顯差）；當任意安裝、連接2臺油泵后，第3臺油泵安裝很難調整，在動用氣割、電焊調整就位，管道法蘭螺栓預緊以后，系統立刻產生不確定的作用內力（靜定結構變為靜不定結構），致使泵體在垂直和水平方向的位移不可控；但在靜止狀態可保持相對的平衡。

2.1#2#油泵與電機之間是彈性接手連接，在靜止狀態軸線找正完全可以滿足技術要求；但當電機啟動的瞬間，油流的反作用力致使系統的作用內力發生改變，破壞了系統原有的平衡力系，致使泵體產生位移，從而造成泵與電機軸線偏斜，引起油泵振動，產生嘯叫聲；當偏斜量超過泵的允許值時，泵的轉軸嚴重摩擦軸瓦，造成軸瓦損毀。

四、對策

由于泵組緊密排放布置已無法改變，只有改變結構性質方可解決問題；因此，采用不銹鋼波紋管局部代替1#2#泵進、出口固定管道可以消除靜不定結構，使系統的多余約束力消除；不銹鋼波紋管具有自動補償作用，從而使油泵與管道連接成為無多余約束的承載結構系統。采用此方法后獲得了很好的效果，至此再沒有發生一起油泵軸瓦燒損事故，且油泵運行平穩，徹底消除了原先的振動和嘯叫聲，同時極大地方便油泵及管道安裝與檢修。

有關注意事項：1.由于系統油液溫度在180℃—200℃，系統工作油壓6bar，檢驗壓力9bar，設計時取波紋管耐壓等級為16bar，耐熱強度完全可以承受；但要注意油泵進口水平管道長期受熱，在懸臂狀態下產生位移，引起波紋管損壞，在波紋管附近鋼管處增加支撐；2.油泵進出口主管道必須固定可靠，防止油泵啟動瞬間產生振動，同時，也是防止檢修時出現管道坍塌。

五、結束語

在泵體與管道直接連接結構系統，由于受場地狹小限制，出現2臺以上泵與同一管道連接，構成靜不定結構時，將導致泵體與管道之間產生不確定的作用內力，輕者引起泵體振動、產生嘯叫聲，重者引起泵體軸瓦燒損，管道拉裂等事故，直接影響泵的安全運行；因此，局部采用金屬波紋管連接方式可有效消除系統內多余約束，使系統變為靜定結構，保證泵體安全平穩運行。