空冷风机定位销断裂的原因和解决方案

卢宏涛 庞绍林 叶世贵 谷卓然 杨洋(中石化广元天然气净化有限公司，四川 广元 628000)

0 引言

净化厂共有四套天然气净化装置，年处理高含硫天然气40亿立方米，生产商品天然气34亿立方米，副产硫磺30万吨。从井站采出的高含硫天然气必须经过脱硫处理，才能达到国家二类气的技术指标，从而满足生产生活需求[1-2]。装置采用国产UDS-2高效复合脱硫溶剂脱除原料气中体积含量5%左右的H2S，吸收H2S后的富液经过闪蒸进入再生塔汽提再生返回吸收塔重复利用[3]。低温高压有利于脱硫溶剂选择性脱去H2S，因此需要将再生后的高温贫液进行冷却。根据设计，再生贫液通过与入塔富液换热后，先后经过贫溶剂空冷换热器(A-101)和贫溶剂后冷器(E-102)将温度降至36℃左右进入脱硫塔。

空冷换热器作为水冷设备的一种替代产品，广泛应用于石油炼化装置[4]，它以环境空气为冷却介质将管束内高温工艺流体冷却至设定温度，其换热性能的好坏对装置换热系统的平稳运行至关重要。自净化厂开工投产以来，空冷风机定位销频繁出现断裂，导致空冷扇叶角度严重倾斜无法正常工作，进一步造成胺液吸收、再生系统热量不平衡，影响产品气质量。

1 空冷风机运行情况

净化厂目前单套联合装置配有6台贫溶剂空冷器，四套装置合计24台。空冷风机启动数量与环境温度有关，一般春秋季节开启一台、夏季开启两台即可满足生产需求，而冬季由于环境温度较低，不需要开启风机进行降温。

空冷风机工频高速运行，采用皮带减速传动，引风形式，吊挂使用，管束为缠绕型翅片管，叶片采用锻铝合金材质，空心薄壁结构，风机性能参数如表1所示。风机一旦发生故障或停车将导致装置冷却能力不够，影响胺液吸收H2S。2020年6月第二联合装置停工检修期间，发现有2台贫溶剂空冷风机定位销出现不同程度断裂。由于风机处于高层平台，空间狭窄，因此检修难度增大，维修过程耗费大量的物力财力。

表1 风机性能参数

2 定位销断裂危害

定位销是固定叶片与轮毂的关键部件，其安全性决定了风机的安全性，一旦发生断裂将严重影响空冷风机的机械稳定性，定位销断裂后叶片情况如图1所示。

图1 定位销断裂前后叶片情况

空冷风机定位销断裂具体表现为：风机轮毂平衡被破坏整体振动剧烈，运行声音不均匀有异响发出；相应地电机电流值也加大，轴承温度升高；风量不稳定，气流紊乱。空冷风机定位销断裂问题可能造成的危害主要体现在以下四个方面：(1)影响生产。设备机械稳定性降低，风机空冷负荷不足，冷却效果下降，贫胺液出空冷温度不合格，不利于原料气中H2S的吸收，影响产品气质量。(2)损坏设备。叶片出现松动发生倾斜，风机运行时旋转中心不平衡振动增大，同时其他定位销和螺栓等紧固部件由于受到的交变应力增大，加剧设备损坏速度。(3)造成人员伤亡。风机定位销断裂的部分由于离心力会以极大的作用力甩出，可能将叶片损坏造成重大财产损失，也可能穿过网格板打到操作人员身上造成伤亡。(4)引发环保事件。定位销一旦断裂松动，导致叶片紧固力下降，风机运行中叶片可能脱落飞出，击中管束造成胺液泄露，污染环境。

3 定位销断裂原因分析

根据现场对空冷风机检测收集到的信息分析来看，疲劳使用是定位销断裂的主要原因。空冷风机存在以下问题导致其定位销因疲劳使用而断裂。

3.1 材质不合格

定位销主要承受叶片旋转方向的气动力以及叶片自身重力和离心力，采用20#钢材质，属于低碳钢，其热处理工艺比较简单，通常是毛坯直接切削加工或锻造正火，抗拉强度535N/mm2，屈服极限290N/mm2。风机长时间运行的情况下，定位销焊接部位难以承受所受交变载荷，容易发生断裂，而断口主要集中在定位销内部应力较大的区域。

3.2 拧紧力不足

风机安装时，通过给定位销施加足够的拧紧力将叶片固定来克服其在运行时所受阻力[5]。如果没有按照安装要求用标准力矩对定位销进行紧固，随着风机运行时间的增加，拧紧力会有一定的下降，导致定位销和叶片之间出现松动，风机振动加大，相应地定位销与叶片之间摩擦力增大，长时间运行会使定位销因疲劳使用而开裂。而定位销内部存在应力较高的区域、风机叶片共振等因素加速其断裂进程，进一步造成风机无法正常工作。

3.3 叶片角度不统一

经过测量发现，同一台风机的叶片安装角度不统一，普遍存在1～2°的误差，个别相差4°及以上，而安装说明书上明确指出叶片安装角度误差不能超过 0.5°，严重不符合要求。叶片安装角度误差大会导致风机运行时叶片旋转半径不一致，整个风机由于离心力不均衡而偏离旋转中心，风机振动增大，为定位销的断裂和其他故障事件的发生埋下隐患。

4 定位销断裂解决方案

解决定位销断裂问题可减轻风机振动使其运行更加稳定，改善空冷器冷却效果，保证净化装置平稳运行。为此，经过分析研究提出以下解决方案：(1)改善定位销材质。采用经热处理后的8.8级调质螺栓，该材质抗拉强度905N/mm2，屈服极限720N/mm2，在强度、硬度和耐磨性上与之前都有较大提高，能承受更大的交变载荷。(2)加强日常巡检维护保养。一旦发现定位销发生开裂，立即停机更换新的定位销，安装时将夹紧力矩紧固到规定数值，紧固方式采用无摩擦拧紧确保其连接部位无松动且不产生残余剪应力；风机运行后定期对定位销进行拧紧力矩的复紧，确保其在夹紧状态下工作。这将有效避免拧紧力矩减小，充分保证定位销可靠耐用。(3)重新校准叶片安装角度。对于角度过大的叶片要及时按照铭牌要求调整到规定值，保证每个叶片角度统一，且误差在可承受范围内。该方法可以极大地降低金属疲劳程度，同时减小了定位销连接振动松动造成的空隙，起到了良好的固定作用。

空冷风机经过整改投运后，运行情况良好，生产参数满足正常工艺需求，没有出现定位销断裂情况，减少了设备运行的安全隐患，降低了维修工作量，节约了大量财力物力。风机整改前后生产参数对比如表2所示，定位销整改情况对比如图2所示。

表2 风机整改前后生产参数对比

图2 定位销整改前后情况对比

由表2对比风机整改前后生产参数可知，风机振动值和电机工作电流相比整改前有了明显降低，说明风机整改效果良好，运转平稳，振动值减小，从而使电机运行效果得到明显提升，电流值降低。而经过整改，满足生产要求的前提下，风机启动数由2台减少到1台，说明每套联合装置能节约1台风机所消耗电能。

5 结语

对净化厂空冷风机定位销断裂情况进行分析，发现导致其断裂原因为疲劳断裂，其材质不合格是主要原因之一。定位销安装时紧固力不足，加之风机运行时叶片旋转产生的气动力、叶片自身重力和离心力长时间施加在定位销上致其发生松动，风机振动加大，而叶片安装角度不统一引起振动加大，进一步加剧了定位销的松动，致使其因长时间工作疲劳失效后在应力集中部位开裂，直至发生断裂。在此基础上，提出了三种可行的解决措施，使得定位销在高温条件下具有良好的组织稳定性和使用可靠性，同时具有抗疲劳、防断裂等综合性能，不仅延长了风机的运行周期，保证装置长满优运行，还降低了维护费用，节省了人力和物力成本，提高了经济效益。