风机联轴器螺栓断裂的分析与解决*

闫俊杰 吴慧军 李弘扬 高 科 陈 震

中国石化催化剂有限公司长岭分公司 湖南岳阳 414000

1 事故背景

催化裂化是石油炼制的核心工艺之一,是炼油厂中最重要的重油轻质化和获取经济效益的手段,催化裂化催化剂是全球消耗量最大的炼油催化剂。目前,全球主要催化裂化催化剂供应商总生产能力约为110万t/a。其中,我国催化裂化催化剂产能达到45万t/a。催化裂化催化剂行业竞争激烈,优质的产品是提升企业全球竞争力的主要措施之一。

某催化裂化催化剂生产装置事故风机为系统风机,用于将装置产生的副产物一氧化碳外排。设备故障会导致一氧化碳在装置内大量聚集,存在较大安全隐患,同时设备故障将导致装置停车,影响生产的正常进行。2021年6月开始,事故风机频繁出现联轴器螺栓断裂的问题。笔者就事故风机存在的问题进行了原因分析,提出了解决方案。经过优化改造,彻底解决了设备存在的问题,达到了预期效果,为生产的正常进行创造了条件。

2 事故风机简介

事故风机为离心式风机,现场如图1所示。事故风机型号为6T-8D,配套电机为YBX3-160L-4型隔爆型三相异步电动机,电机与风机采用双膜片联轴器连接。设备具体参数见表1。

图1 事故风机现场

3 风机联轴器简介

膜片联轴器是一种高性能的金属弹性元件挠性联轴器,具有无需润滑、结构紧凑、强度较高、寿命长、无旋转间隙等特点,适用于高速、有腐蚀介质工况环境的轴系传动,广泛应用于各种机械设备的轴系传动。

事故风机采用的联轴器为TDE4-220X型双膜片联轴器,联轴器每端用四个M10螺栓连接,螺栓材质为45号钢,螺栓强度等级为8.8级。联轴器现场如图2所示。

表1 事故风机参数

图2 联轴器现场

4 运行工况

事故风机的输送介质为空气,工作温度为常温。因生产需要,风机运行方式为间歇式运行,每24 h中运行16 h,停机8 h。同时,该风机入口蝶阀开度根据运行情况在30%～45%范围内调整。

5 联轴器螺栓断裂情况

2021年6月2日,装置设备技术人员巡检发现事故风机有间歇性异响。事故风机实际投用时间为2021年4月20日。检查电机和风机地脚螺栓无松动,检查风机轴承和电机轴承运行无异响,风机轴承振动速度为2.2 mm/s,温度为30 ℃,电机轴承振动速度为3.0 mm/s,温度为45 ℃,风机轴承和电机轴承的振动速度和温度均在正常范围内。经进一步检查,确定设备异响源为联轴器。停机检查,发现设备电机端联轴器螺栓断裂两根,其它联轴器螺栓有不同程度松动。因设备投用未满1 a,未配备相应配件,为确保生产,从备用机泵P102A联轴器上拆下了整套材质为Q235碳钢螺栓进行更换,并对风机联轴器的同心度进行了复核,轴向为0.07 mm,径向为0.06 mm,符合石油化工旋转机械振动标准要求,轴向不大于0.8 mm,径向不大于1.5 mm。同时,联系厂家紧急补发了两套联轴器螺栓。6月4日,新换的联轴器螺栓又出现断裂情况,紧急停车后更换了厂家补发的新螺栓。设备运行至7月4日,该设备联轴器又出现异响,检查发现联轴器螺栓出现松动和变形。

事故风机联轴器螺栓断裂和变形的情况如图3所示。

图3 联轴器螺栓断裂和变形

6 螺栓断裂原因分析

风机启动及运行时,联轴器受到电机运转产生的扭矩、膜片与螺栓质量不均而引起的离心力、膜片轴向位移引起的弹性推力,以及轴向偏移引起的弯矩。扭矩对螺栓施加周向剪切力、离心力对螺栓施加径向剪切力、弹性推力和弯矩对螺栓施加拉伸或压缩应力。膜片联轴器主要失效形式为螺栓和膜片在交变循环应力作用下的疲劳断裂。同时,电机起动时瞬间扭力过大,也可能导致螺栓断裂或变形。联轴器螺栓受力分析如图4所示。

图4 联轴器螺栓受力分析

螺栓断裂位置为螺栓螺纹与光滑部分的结合部,断口平齐,呈现典型脆性断口特征。在裂纹扩展区有明显的从裂纹源区始发的放射线状撕裂棱线,端口横截面与螺栓轴线方向有小角度倾角,随着裂纹扩展,螺栓有效截面不断缩小,从而形成瞬断区。45号钢螺栓外表皮无明显氧化皮,说明现场运行温度不高,螺栓外表面无明显冲击痕迹,且设备振动在标准范围内,说明螺栓断裂并非冲击所致。

事故风机的联轴器总长为360 mm,孔径为40 mm,左右半边联轴器轴孔长均为110 mm,联轴器中间段长度为140 mm。该联轴器属于JMIIJ4型膜片联轴器,查JB/T 9147—1999《膜片联轴器》标准,当孔径为40 mm时,轴孔推荐长度为65 mm,中间段对应长度为116 mm,公称转矩为500 N·m,瞬时最大转矩为800 N·m。对照标准,事故风机联轴器长度过长,且与孔径不成比例,设备启动及运行时联轴器螺栓受到剪切力较大。

综上所述,事故风机联轴器选型不合理,联轴器长度过长且与孔径不成比例,是联轴器螺栓频繁断裂的主要原因。同时,风机启停频繁,电机频繁启动时产生的过大瞬时扭力进一步加剧了联轴器螺栓的断裂。

7 解决措施

笔者结合多年工作经验,针对事故,决定改用LX型弹性柱销联轴器代替膜片联轴器。查GB/T 5014—2017《弹性柱销联轴器》标准,当孔径为40 mm时,弹性柱销联轴器轴孔长度为112 mm,刚好与风机轴头匹配,同时取消中间段,将电机向风机侧移动140 mm。LX型弹性柱销联轴器公称转矩为2 500 N·m,为原膜片联轴器公称转矩的5倍,具有更高的抗扭矩能力和更高的稳定性。

8 效果

2021年7月20日装置停工检修期间,对事故风机进行了改造,并严格按标准进行了找正。改造后,风机运行至今未出现异响。

9 结束语

笔者介绍了催化裂化催化剂装置事故风机运行中存在联轴器螺栓频繁断裂的问题,通过分析认为膜片联轴器长度过长,且长度与孔径不成比例,风机启动及运行时联轴器螺栓受到的剪切力较大,是造成联轴器螺栓疲劳断裂的主要原因。笔者结合多年工作经验,通过采用LX型弹性柱销联轴器代替膜片联轴器,解决了风机联轴器螺栓频繁断裂的问题。通过改造,有效解决了装置生产中存在的问题,确保了装置安全稳定长周期运行,同时降低了风机修理费,节约了能源,保护了环境和员工的身心健康。