弗卡斯石灰窑烧嘴梁冷却油泵损坏原因分析与对策

郭盛云

在泵组与管道连接结构系统，因受场地局限出现静不定结构时，将导致泵体与管道之间产生不确定的作用内力，影响泵的安全运行。通过增设不锈钢波纹管代替局部管道，可有效消除系统多余约束力，使系统变为静定结构，确保泵安全平稳运行。

泵组 管道 静不定结构 波纹管

一、弗卡斯石灰窑及其导热油泵组简介

弗卡斯石灰窑是引进意大利弗卡斯公司工艺和控制技术，所有转化设计、设备安装与施工均由我单位自行承担，关键设备从弗卡斯公司进口。该窑设计日产400吨，石灰活性度大于350ml，窑体截面设计为准矩形。

该窑煅烧带分布双层烧嘴梁，在七根烧嘴梁内共布置102个煤气烧嘴煅烧石灰石，烧嘴梁在窑内完全暴露在高温火焰之中；烧嘴梁的冷却由油泵将导热油连续循环送入梁内；冷却泵组设有3台油泵，其中2台电动泵，1台柴油机泵；正常生产时1台电动泵工作，1台备用，系统停电，柴油泵自动开启，确保烧嘴梁始终处于冷却状态。工作原理为：烧嘴梁及其管道内注满导热油约10立方米，油泵连续运转将导热油在系统内循环往复流动，系统设置1台散热装置，实现烧嘴梁循环连续冷却（见图1）。

二、问题的提出

烧嘴梁及其泵组和附属管道是弗卡斯石灰窑核心设备，完全从弗卡斯公司采购。由于受场地狭小限制，泵组必须紧密排放布置。根据弗卡斯公司提供的设备，现场设备安装首先将泵组安装定位，随后安装管道和附件，在连接1#和3#油泵管道后，2#泵管道连接出现明显的偏差，必须将2#泵的管道法兰螺栓割开，待法兰螺栓预连接再施焊，最后再正式安装管道。在试车初期和日后检修试车阶段多次发生1#2#油泵轴瓦启动瞬间烧损事故；即使油泵轴瓦没有烧损，油泵运行振动大；每次更换油泵十分困难，必须动用气割、电焊，否则无法实施。

三、原因分析

油泵进、出口山字形管道是由Φ300×8无缝钢管制作而成，形成一个牢固的刚体构件，其它阀门和管道刚度均很强，当油泵、阀门和管道连接后，形成封闭的静不定结构，现对垂直方向简化受力分析：

设载荷为F，三个约束反力为F1、F2、F3

由∑F =0和∑M =0可以写出：

｛F－F3－F2－F1=0 Fa－F2c－F3（a+b）=0

由此看出3个约束反力，只有2个方程，无法求解；

根据静不定结构概念，在无多余联系的几何不变的静定结构上增加约束或联系，称为多余约束，并因而产生多余约束反力，则这样的有多余约束的结构，仅利用静力平衡条件无法求得全部约束力和内力，称为静不定结构。因此，该泵组结构系统存在多余的约束，因而产生多余的约束反力，它在系统安装后已经产生，而且这种作用内力存在着不确定性，它受连接螺栓预紧力大小、管道弹性变形程度、密封垫片挤压变形以及油泵基础强度、刚度的不同而改变。

在工程实际中，为了提高结构的强度和刚度，除了选择合理的截面形状、加大截面尺寸外，常常在静定结构中再附加某些约束。但在所述的结构系统出现多余约束将造成如下后果：

1.由于油泵基础是钢结构件，其强度和刚度不尽相同（3#柴油泵刚性好，1#2#电动泵明显差）；当任意安装、连接2台油泵后，第3台油泵安装很难调整，在动用气割、电焊调整就位，管道法兰螺栓预紧以后，系统立刻产生不确定的作用内力（静定结构变为静不定结构），致使泵体在垂直和水平方向的位移不可控；但在静止状态可保持相对的平衡。

2.1#2#油泵与电机之间是弹性接手连接，在静止状态轴线找正完全可以满足技术要求；但当电机启动的瞬间，油流的反作用力致使系统的作用内力发生改变，破坏了系统原有的平衡力系，致使泵体产生位移，从而造成泵与电机轴线偏斜，引起油泵振动，产生啸叫声；当偏斜量超过泵的允许值时，泵的转轴严重摩擦轴瓦，造成轴瓦损毁。

四、对策

由于泵组紧密排放布置已无法改变，只有改变结构性质方可解决问题；因此，采用不锈钢波纹管局部代替1#2#泵进、出口固定管道可以消除静不定结构，使系统的多余约束力消除；不锈钢波纹管具有自动补偿作用，从而使油泵与管道连接成为无多余约束的承载结构系统。采用此方法后获得了很好的效果，至此再没有发生一起油泵轴瓦烧损事故，且油泵运行平稳，彻底消除了原先的振动和啸叫声，同时极大地方便油泵及管道安装与检修。

有关注意事项：1.由于系统油液温度在180℃—200℃，系统工作油压6bar，检验压力9bar，设计时取波纹管耐压等级为16bar，耐热强度完全可以承受；但要注意油泵进口水平管道长期受热，在悬臂状态下产生位移，引起波纹管损坏，在波纹管附近钢管处增加支撑；2.油泵进出口主管道必须固定可靠，防止油泵启动瞬间产生振动，同时，也是防止检修时出现管道坍塌。

五、结束语

在泵体与管道直接连接结构系统，由于受场地狭小限制，出现2台以上泵与同一管道连接，构成静不定结构时，将导致泵体与管道之间产生不确定的作用内力，轻者引起泵体振动、产生啸叫声，重者引起泵体轴瓦烧损，管道拉裂等事故，直接影响泵的安全运行；因此，局部采用金属波纹管连接方式可有效消除系统内多余约束，使系统变为静定结构，保证泵体安全平稳运行。