濕法脫硫漿液循環泵減速機頻繁故障的原因分析及解決措施

周 波

（大唐河北發電有限公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044）

1 設備概況

大唐河北發電有限公司馬頭熱電分公司9、10號機組脫硫設施為每爐配置1套石灰石－石膏濕法脫硫裝置，每座吸收塔漿液循環系統設置四層噴淋裝置，各配備 A、B、C、D 4臺漿液循環泵（簡稱“泵”）。電機與泵之間采用減速機連接傳動，減速機的主動軸與齒輪采用鍵連接。減速機的主要銘牌參數見表1。

表1 減速機的主要銘牌參數

2 存在的問題

自2010年脫硫系統試運通過后的1年多時間里，9、10號機組A、B、C 6臺泵的減速機共發生8次主動軸斷裂或出現裂紋的故障，壽命周期僅為半年左右。在入口二氧化硫濃度超設計值時，脫硫效率難以保證，導致出口煙氣二氧化硫濃度超標排放。D泵減速機至今運行正常。

3 原因分析

3.1 外觀檢查情況

2010年9月4日15：32，運行人員發現9B泵的電流由48A升至53A后突降至18A，入口壓力由82kPa升至100kPa，停止9B泵運行。打開減速機上蓋檢查，發現減速機主動軸在小齒輪內部斷裂，斷口在軸齒輪內部鍵槽處，斷口截面從軸中心向外擴散（見圖1）。

圖1 9B泵減速機主動軸斷裂

2011年6月15日5時15分，運行人員發現10B泵啟動后掉閘，對減速機進行解體開蓋檢查發現，主動軸出現裂紋，位于與齒輪安裝連接的鍵槽部位，裂紋沿軸肩部位延伸至4號軸承端（見圖2）。

圖2 10B泵減速機主動軸裂紋

3.2 斷裂前后的減速機運行狀況

查看10B泵減速機主動軸斷裂前各部位振動值及溫度均在正常范圍內，未發現異常波動和超標情況。

調閱減速機10B泵減速機主動軸斷裂前后的電流曲線：啟動時間為6月15日05：15：51，啟動最大電流119.3A；05：16：05電流降至額定54A（電流恢復時間、電流值與正常啟動運行時相同）；05：16：21電流突升至100A；05：16：40電流降至空載電流25.6A（空載維持時間7s）：05：16：48電流降至0。根據電流曲線可以看出，10B泵啟動后經14s恢復額定電流后，電流突升至100A，然后降至接近空載電流，符合斷軸瞬間變化曲線（見圖3）。

圖3 主動軸斷裂前后10B泵運行曲線

3.3 工況系數分析

一般情況下，設備的設計都是按理論值計算的，但因設備的使用場合、環境、工作時間等都不相同，所以要將理論值乘一個系數，以確保設備的安全使用，這個系數就叫工況系數。

減速機的工況系數等于減速機設計的額定功率除以應用功率，計算得出A、B、C、D泵減速機設計工況系數分別為1.79、1.59、1.70、2.10。A、B、C泵減速機的工況系數均較D泵小，而D泵減速機至今未發生斷軸事件，因此懷疑A、B、C泵減速機的工況系數設計不合理，特別是在頻繁帶載啟停運行方式下，減速機主動軸頻繁受交變力沖擊，主動軸齒輪鍵槽位置是應力的集中區域，從而造成主動軸產生疲勞損傷并逐步向基體內擴展，截面有效承載面積逐漸減小最終發生斷裂現象。

3.4 主動軸的扭轉強度計算

為進一步驗證減速機主動軸的工況系數設計是否合理，利用扭轉強度對主動軸進行校核，計算出主動軸的最小直徑。

由實心圓軸扭轉強度條件公式

式中：τ為軸的剪應力，MPa；T為扭矩，N·mm；Wρ為抗扭截面系數，mm3；對圓截面Wρ＝πd3/16≈0.2d3；P為軸傳遞的功率，kW；n為軸的轉速，r/min；d為軸的直徑，mm；［τ］為許用切應力，MPa。

對于轉軸，可將式（1）簡化為：

式中：A為由軸的材料和承載情況確定的常數。機械設計手冊中給出的幾種常用材料的A值見表2。

表2 幾種常用材料的A值

在下述情況時，A取較小值，彎矩較小或只受扭矩作用、載荷較平穩、無軸向載荷或只有較小的軸向載荷、減速機的低速軸、軸只做單向旋轉；反之，A取較大值，直徑≤100mm的軸，有1個鍵槽時，軸徑增大5%～7%，有2個鍵槽時，應增大10%～15%［1］。

由于減速機主動軸為高速軸，且泵進行反沖時減速機也反轉，其材質為35SiMn，故A選取較大值為112。并且主動軸上有1個鍵槽，其軸徑應至少增加5%，將應用功率與轉速代入公式（2）計算得出各減速機主動軸的最小軸徑：dA≥84.98mm，dB≥88.38mm，dC≥88.38mm，dD≥91.98mm。

除D泵減速機主動軸軸徑為100mm外，A、B、C泵減速機主動軸軸徑設計均為80mm，無法滿足最小軸徑的要求，進一步驗證了設計工況系數選擇偏小，無法滿足實際運行需要。因此在重載頻繁啟停的情況下，減速機主動軸出現疲勞損傷并逐步擴大，最終導致主動軸斷裂。

4 解決措施及效果

由于減速機主動軸頻繁斷裂的主要原因是主動軸軸徑設計不合理，工況系數選擇偏低，因此需要對現有的A、B、C泵減速機進行改型，增加主動軸軸徑尺寸，確保在重載工況下的抗疲勞強度。

為了有效利用現有減速機的基礎，綜合考慮，將A、B、C泵減速機主動軸軸徑增加至100mm，同時主（從）動軸與齒輪的連接方式改為齒輪軸形式；增大齒輪模數及齒寬，增加齒輪強度。改型后的減速機的主要銘牌參數如表3所示。

表3 改型后減速機的主要銘牌參數

改型后的A、B、C泵減速機工況系數分別達到了2.31、2.06、2.19，主動軸軸徑均滿足大于最小軸徑的要求，能夠適應工作需求。

2011年10月對10號機組A、B、C 3臺泵的減速機進行了改型，截止目前，改型后的減速機運行狀態良好，停備后開蓋檢查主動軸和齒輪，沒有發現異常，初步判定改造方案可行。長期運行效果還有待時間檢驗。

5 結束語

隨著國家環保政策的日趨嚴格，要求發電廠脫硫系統可靠運行達到與主機同等重要的地位。漿液循環泵減速機改型后，不僅可以延長其運行周期，避免因設備異常損壞造成二氧化硫排放濃度的超標，而且還可以有效減少污染物排放總量，符合當前國家環保要求，有助于電廠的長遠發展。

［1］ 成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2008.