風機聯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化和獲取經濟效益的手段,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商總生產能力約為110萬t/a。其中,我國催化裂化催化劑產能達到45萬t/a。催化裂化催化劑行業競爭激烈,優質的產品是提升企業全球競爭力的主要措施之一。

某催化裂化催化劑生產裝置事故風機為系統風機,用于將裝置產生的副產物一氧化碳外排。設備故障會導致一氧化碳在裝置內大量聚集,存在較大安全隱患,同時設備故障將導致裝置停車,影響生產的正常進行。2021年6月開始,事故風機頻繁出現聯軸器螺栓斷裂的問題。筆者就事故風機存在的問題進行了原因分析,提出了解決方案。經過優化改造,徹底解決了設備存在的問題,達到了預期效果,為生產的正常進行創造了條件。

2 事故風機簡介

事故風機為離心式風機,現場如圖1所示。事故風機型號為6T-8D,配套電機為YBX3-160L-4型隔爆型三相異步電動機,電機與風機采用雙膜片聯軸器連接。設備具體參數見表1。

圖1 事故風機現場

3 風機聯軸器簡介

膜片聯軸器是一種高性能的金屬彈性元件撓性聯軸器,具有無需潤滑、結構緊湊、強度較高、壽命長、無旋轉間隙等特點,適用于高速、有腐蝕介質工況環境的軸系傳動,廣泛應用于各種機械設備的軸系傳動。

事故風機采用的聯軸器為TDE4-220X型雙膜片聯軸器,聯軸器每端用四個M10螺栓連接,螺栓材質為45號鋼,螺栓強度等級為8.8級。聯軸器現場如圖2所示。

表1 事故風機參數

圖2 聯軸器現場

4 運行工況

事故風機的輸送介質為空氣,工作溫度為常溫。因生產需要,風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,該風機入口蝶閥開度根據運行情況在30%～45%范圍內調整。

5 聯軸器螺栓斷裂情況

2021年6月2日,裝置設備技術人員巡檢發現事故風機有間歇性異響。事故風機實際投用時間為2021年4月20日。檢查電機和風機地腳螺栓無松動,檢查風機軸承和電機軸承運行無異響,風機軸承振動速度為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 ℃,風機軸承和電機軸承的振動速度和溫度均在正常范圍內。經進一步檢查,確定設備異響源為聯軸器。停機檢查,發現設備電機端聯軸器螺栓斷裂兩根,其它聯軸器螺栓有不同程度松動。因設備投用未滿1 a,未配備相應配件,為確保生產,從備用機泵P102A聯軸器上拆下了整套材質為Q235碳鋼螺栓進行更換,并對風機聯軸器的同心度進行了復核,軸向為0.07 mm,徑向為0.06 mm,符合石油化工旋轉機械振動標準要求,軸向不大于0.8 mm,徑向不大于1.5 mm。同時,聯系廠家緊急補發了兩套聯軸器螺栓。6月4日,新換的聯軸器螺栓又出現斷裂情況,緊急停車后更換了廠家補發的新螺栓。設備運行至7月4日,該設備聯軸器又出現異響,檢查發現聯軸器螺栓出現松動和變形。

事故風機聯軸器螺栓斷裂和變形的情況如圖3所示。

圖3 聯軸器螺栓斷裂和變形

6 螺栓斷裂原因分析

風機啟動及運行時,聯軸器受到電機運轉產生的扭矩、膜片與螺栓質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力。膜片聯軸器主要失效形式為螺栓和膜片在交變循環應力作用下的疲勞斷裂。同時,電機起動時瞬間扭力過大,也可能導致螺栓斷裂或變形。聯軸器螺栓受力分析如圖4所示。

圖4 聯軸器螺栓受力分析

螺栓斷裂位置為螺栓螺紋與光滑部分的結合部,斷口平齊,呈現典型脆性斷口特征。在裂紋擴展區有明顯的從裂紋源區始發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。45號鋼螺栓外表皮無明顯氧化皮,說明現場運行溫度不高,螺栓外表面無明顯沖擊痕跡,且設備振動在標準范圍內,說明螺栓斷裂并非沖擊所致。

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

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

7 解決措施

筆者結合多年工作經驗,針對事故,決定改用LX型彈性柱銷聯軸器代替膜片聯軸器。查GB/T 5014—2017《彈性柱銷聯軸器》標準,當孔徑為40 mm時,彈性柱銷聯軸器軸孔長度為112 mm,剛好與風機軸頭匹配,同時取消中間段,將電機向風機側移動140 mm。LX型彈性柱銷聯軸器公稱轉矩為2 500 N·m,為原膜片聯軸器公稱轉矩的5倍,具有更高的抗扭矩能力和更高的穩定性。

8 效果

2021年7月20日裝置停工檢修期間,對事故風機進行了改造,并嚴格按標準進行了找正。改造后,風機運行至今未出現異響。

9 結束語

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