空冷風(fēng)機(jī)定位銷斷裂的原因和解決方案

盧宏濤 龐紹林 葉世貴 谷卓然 楊洋(中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628000)

0 引言

凈化廠共有四套天然氣凈化裝置，年處理高含硫天然氣40億立方米，生產(chǎn)商品天然氣34億立方米，副產(chǎn)硫磺30萬噸。從井站采出的高含硫天然氣必須經(jīng)過脫硫處理，才能達(dá)到國家二類氣的技術(shù)指標(biāo)，從而滿足生產(chǎn)生活需求[1-2]。裝置采用國產(chǎn)UDS-2高效復(fù)合脫硫溶劑脫除原料氣中體積含量5%左右的H2S，吸收H2S后的富液經(jīng)過閃蒸進(jìn)入再生塔汽提再生返回吸收塔重復(fù)利用[3]。低溫高壓有利于脫硫溶劑選擇性脫去H2S，因此需要將再生后的高溫貧液進(jìn)行冷卻。根據(jù)設(shè)計，再生貧液通過與入塔富液換熱后，先后經(jīng)過貧溶劑空冷換熱器(A-101)和貧溶劑后冷器(E-102)將溫度降至36℃左右進(jìn)入脫硫塔。

空冷換熱器作為水冷設(shè)備的一種替代產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于石油煉化裝置[4]，它以環(huán)境空氣為冷卻介質(zhì)將管束內(nèi)高溫工藝流體冷卻至設(shè)定溫度，其換熱性能的好壞對裝置換熱系統(tǒng)的平穩(wěn)運行至關(guān)重要。自凈化廠開工投產(chǎn)以來，空冷風(fēng)機(jī)定位銷頻繁出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致空冷扇葉角度嚴(yán)重傾斜無法正常工作，進(jìn)一步造成胺液吸收、再生系統(tǒng)熱量不平衡，影響產(chǎn)品氣質(zhì)量。

1 空冷風(fēng)機(jī)運行情況

凈化廠目前單套聯(lián)合裝置配有6臺貧溶劑空冷器，四套裝置合計24臺。空冷風(fēng)機(jī)啟動數(shù)量與環(huán)境溫度有關(guān)，一般春秋季節(jié)開啟一臺、夏季開啟兩臺即可滿足生產(chǎn)需求，而冬季由于環(huán)境溫度較低，不需要開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫。

空冷風(fēng)機(jī)工頻高速運行，采用皮帶減速傳動，引風(fēng)形式，吊掛使用，管束為纏繞型翅片管，葉片采用鍛鋁合金材質(zhì)，空心薄壁結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)性能參數(shù)如表1所示。風(fēng)機(jī)一旦發(fā)生故障或停車將導(dǎo)致裝置冷卻能力不夠，影響胺液吸收H2S。2020年6月第二聯(lián)合裝置停工檢修期間，發(fā)現(xiàn)有2臺貧溶劑空冷風(fēng)機(jī)定位銷出現(xiàn)不同程度斷裂。由于風(fēng)機(jī)處于高層平臺，空間狹窄，因此檢修難度增大，維修過程耗費大量的物力財力。

表1 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

2 定位銷斷裂危害

定位銷是固定葉片與輪轂的關(guān)鍵部件，其安全性決定了風(fēng)機(jī)的安全性，一旦發(fā)生斷裂將嚴(yán)重影響空冷風(fēng)機(jī)的機(jī)械穩(wěn)定性，定位銷斷裂后葉片情況如圖1所示。

圖1 定位銷斷裂前后葉片情況

空冷風(fēng)機(jī)定位銷斷裂具體表現(xiàn)為：風(fēng)機(jī)輪轂平衡被破壞整體振動劇烈，運行聲音不均勻有異響發(fā)出；相應(yīng)地電機(jī)電流值也加大，軸承溫度升高；風(fēng)量不穩(wěn)定，氣流紊亂。空冷風(fēng)機(jī)定位銷斷裂問題可能造成的危害主要體現(xiàn)在以下四個方面：(1)影響生產(chǎn)。設(shè)備機(jī)械穩(wěn)定性降低，風(fēng)機(jī)空冷負(fù)荷不足，冷卻效果下降，貧胺液出空冷溫度不合格，不利于原料氣中H2S的吸收，影響產(chǎn)品氣質(zhì)量。(2)損壞設(shè)備。葉片出現(xiàn)松動發(fā)生傾斜，風(fēng)機(jī)運行時旋轉(zhuǎn)中心不平衡振動增大，同時其他定位銷和螺栓等緊固部件由于受到的交變應(yīng)力增大，加劇設(shè)備損壞速度。(3)造成人員傷亡。風(fēng)機(jī)定位銷斷裂的部分由于離心力會以極大的作用力甩出，可能將葉片損壞造成重大財產(chǎn)損失，也可能穿過網(wǎng)格板打到操作人員身上造成傷亡。(4)引發(fā)環(huán)保事件。定位銷一旦斷裂松動，導(dǎo)致葉片緊固力下降，風(fēng)機(jī)運行中葉片可能脫落飛出，擊中管束造成胺液泄露，污染環(huán)境。

3 定位銷斷裂原因分析

根據(jù)現(xiàn)場對空冷風(fēng)機(jī)檢測收集到的信息分析來看，疲勞使用是定位銷斷裂的主要原因。空冷風(fēng)機(jī)存在以下問題導(dǎo)致其定位銷因疲勞使用而斷裂。

3.1 材質(zhì)不合格

定位銷主要承受葉片旋轉(zhuǎn)方向的氣動力以及葉片自身重力和離心力，采用20#鋼材質(zhì)，屬于低碳鋼，其熱處理工藝比較簡單，通常是毛坯直接切削加工或鍛造正火，抗拉強(qiáng)度535N/mm2，屈服極限290N/mm2。風(fēng)機(jī)長時間運行的情況下，定位銷焊接部位難以承受所受交變載荷，容易發(fā)生斷裂，而斷口主要集中在定位銷內(nèi)部應(yīng)力較大的區(qū)域。

3.2 擰緊力不足

風(fēng)機(jī)安裝時，通過給定位銷施加足夠的擰緊力將葉片固定來克服其在運行時所受阻力[5]。如果沒有按照安裝要求用標(biāo)準(zhǔn)力矩對定位銷進(jìn)行緊固，隨著風(fēng)機(jī)運行時間的增加，擰緊力會有一定的下降，導(dǎo)致定位銷和葉片之間出現(xiàn)松動，風(fēng)機(jī)振動加大，相應(yīng)地定位銷與葉片之間摩擦力增大，長時間運行會使定位銷因疲勞使用而開裂。而定位銷內(nèi)部存在應(yīng)力較高的區(qū)域、風(fēng)機(jī)葉片共振等因素加速其斷裂進(jìn)程，進(jìn)一步造成風(fēng)機(jī)無法正常工作。

3.3 葉片角度不統(tǒng)一

經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，同一臺風(fēng)機(jī)的葉片安裝角度不統(tǒng)一，普遍存在1～2°的誤差，個別相差4°及以上，而安裝說明書上明確指出葉片安裝角度誤差不能超過 0.5°，嚴(yán)重不符合要求。葉片安裝角度誤差大會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運行時葉片旋轉(zhuǎn)半徑不一致，整個風(fēng)機(jī)由于離心力不均衡而偏離旋轉(zhuǎn)中心，風(fēng)機(jī)振動增大，為定位銷的斷裂和其他故障事件的發(fā)生埋下隱患。

4 定位銷斷裂解決方案

解決定位銷斷裂問題可減輕風(fēng)機(jī)振動使其運行更加穩(wěn)定，改善空冷器冷卻效果，保證凈化裝置平穩(wěn)運行。為此，經(jīng)過分析研究提出以下解決方案：(1)改善定位銷材質(zhì)。采用經(jīng)熱處理后的8.8級調(diào)質(zhì)螺栓，該材質(zhì)抗拉強(qiáng)度905N/mm2，屈服極限720N/mm2，在強(qiáng)度、硬度和耐磨性上與之前都有較大提高，能承受更大的交變載荷。(2)加強(qiáng)日常巡檢維護(hù)保養(yǎng)。一旦發(fā)現(xiàn)定位銷發(fā)生開裂，立即停機(jī)更換新的定位銷，安裝時將夾緊力矩緊固到規(guī)定數(shù)值，緊固方式采用無摩擦擰緊確保其連接部位無松動且不產(chǎn)生殘余剪應(yīng)力；風(fēng)機(jī)運行后定期對定位銷進(jìn)行擰緊力矩的復(fù)緊，確保其在夾緊狀態(tài)下工作。這將有效避免擰緊力矩減小，充分保證定位銷可靠耐用。(3)重新校準(zhǔn)葉片安裝角度。對于角度過大的葉片要及時按照銘牌要求調(diào)整到規(guī)定值，保證每個葉片角度統(tǒng)一，且誤差在可承受范圍內(nèi)。該方法可以極大地降低金屬疲勞程度，同時減小了定位銷連接振動松動造成的空隙，起到了良好的固定作用。

空冷風(fēng)機(jī)經(jīng)過整改投運后，運行情況良好，生產(chǎn)參數(shù)滿足正常工藝需求，沒有出現(xiàn)定位銷斷裂情況，減少了設(shè)備運行的安全隱患，降低了維修工作量，節(jié)約了大量財力物力。風(fēng)機(jī)整改前后生產(chǎn)參數(shù)對比如表2所示，定位銷整改情況對比如圖2所示。

表2 風(fēng)機(jī)整改前后生產(chǎn)參數(shù)對比

圖2 定位銷整改前后情況對比

由表2對比風(fēng)機(jī)整改前后生產(chǎn)參數(shù)可知，風(fēng)機(jī)振動值和電機(jī)工作電流相比整改前有了明顯降低，說明風(fēng)機(jī)整改效果良好，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動值減小，從而使電機(jī)運行效果得到明顯提升，電流值降低。而經(jīng)過整改，滿足生產(chǎn)要求的前提下，風(fēng)機(jī)啟動數(shù)由2臺減少到1臺，說明每套聯(lián)合裝置能節(jié)約1臺風(fēng)機(jī)所消耗電能。

5 結(jié)語

對凈化廠空冷風(fēng)機(jī)定位銷斷裂情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致其斷裂原因為疲勞斷裂，其材質(zhì)不合格是主要原因之一。定位銷安裝時緊固力不足，加之風(fēng)機(jī)運行時葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣動力、葉片自身重力和離心力長時間施加在定位銷上致其發(fā)生松動，風(fēng)機(jī)振動加大，而葉片安裝角度不統(tǒng)一引起振動加大，進(jìn)一步加劇了定位銷的松動，致使其因長時間工作疲勞失效后在應(yīng)力集中部位開裂，直至發(fā)生斷裂。在此基礎(chǔ)上，提出了三種可行的解決措施，使得定位銷在高溫條件下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性，同時具有抗疲勞、防斷裂等綜合性能，不僅延長了風(fēng)機(jī)的運行周期，保證裝置長滿優(yōu)運行，還降低了維護(hù)費用，節(jié)省了人力和物力成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。