＊廉海軍

（中海石油舟山石化有限公司 浙江 316015）

前言

空冷器作為煉油廠、石油化工廠等行業(yè)冷卻系統(tǒng)冷凝、冷卻應(yīng)用最多的一種換熱設(shè)備，相較水冷卻系統(tǒng)有不可取代的優(yōu)勢(shì)，所以其運(yùn)行的可靠性對(duì)于裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn)尤為重要，作者所在單位抽提裝置空冷風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)選型階段側(cè)重于節(jié)能以及操作方便等方面的考慮，選用了氣動(dòng)機(jī)械調(diào)角空冷風(fēng)機(jī)（型號(hào)為G-BF36L4-VS22），抽提裝置空冷風(fēng)機(jī)自2008年開(kāi)工以來(lái)也發(fā)生過(guò)多起風(fēng)葉斷裂事件，且考慮到不停機(jī)調(diào)節(jié)空冷葉片安裝角度氣動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，維護(hù)保養(yǎng)不易，于2010年拆除了空冷風(fēng)機(jī)機(jī)械調(diào)角控制系統(tǒng)，保留了原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，空冷風(fēng)葉斷裂頻次得到有效控制。2021年作者所在部門針對(duì)近期（2021年8月）發(fā)生空冷風(fēng)機(jī)（AC4201A）葉片斷裂事件進(jìn)行了總結(jié)、分析和討論，提出了初步的整改建議。2022年2月份部門按照既定方案對(duì)抽提空冷風(fēng)機(jī)AC4101B風(fēng)葉固定座進(jìn)行了改造并且開(kāi)機(jī)試運(yùn)正常，為后續(xù)抽提裝置空冷風(fēng)機(jī)改造提供了技術(shù)支撐。

1.自動(dòng)調(diào)角空冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

表1

抽提裝置選用水平鼓風(fēng)式空冷器，空冷風(fēng)機(jī)置于管束下方，從下往上鼓風(fēng)冷卻管束，這種形式空冷器主要缺點(diǎn)就是氣流分布不均勻。

空冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)合裝置生產(chǎn)實(shí)際選用氣動(dòng)葉片調(diào)角空冷風(fēng)機(jī)（如圖1所示），風(fēng)機(jī)葉片選用模壓鋁合金葉片，機(jī)翼型截面，扭曲外形空心結(jié)構(gòu)，這種葉片強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、慣性小、壽命長(zhǎng)；風(fēng)機(jī)葉輪共有4片葉片，每個(gè)葉片和輪轂分體平衡，維護(hù)互換性較好；風(fēng)機(jī)葉片通過(guò)軸承座固定在氣自調(diào)角輪轂上，葉片與軸承座之間用鎖緊螺母鎖緊定位，滑動(dòng)連板與葉片間的聯(lián)動(dòng)主要靠調(diào)角拉桿的連接和軸承座的作用。

圖1

不停機(jī)調(diào)節(jié)空冷風(fēng)機(jī)葉片角度的工作流程：根據(jù)生產(chǎn)裝置冷后溫度的需求，操縱氣動(dòng)自調(diào)輪轂使滑動(dòng)連扳進(jìn)行上下移動(dòng)，滑動(dòng)連扳帶動(dòng)調(diào)角拉桿聯(lián)動(dòng)改變?nèi)~片在軸承座內(nèi)周向角度，最終完成不停機(jī)葉片角度的調(diào)整。

2.風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中葉片斷裂情況分析

2021年8月21日，某煉油廠抽提裝置夜班內(nèi)操發(fā)現(xiàn)空冷AC4201冷后溫度上漲過(guò)快，聯(lián)系外操現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)空冷風(fēng)機(jī)皮帶斷裂，電機(jī)空轉(zhuǎn)。因臨近下班交予白班處理，在白班檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)空冷4片風(fēng)葉已斷其3，通過(guò)檢查現(xiàn)場(chǎng)葉片斷口、皮帶斷口等情況，判斷此次空冷葉片斷裂首先從一根葉片葉根固定端處由向風(fēng)側(cè)往背風(fēng)側(cè)折斷，而斷裂的葉片卷入高速運(yùn)轉(zhuǎn)空冷葉片間（如圖2、圖3所示），導(dǎo)致其余三根風(fēng)機(jī)葉片不同程度斷裂、破損，其中有一根葉片將軸承座拉裂后整根葉片脫落被夾在葉片與風(fēng)筒間（如圖4所示），待風(fēng)機(jī)滯動(dòng)后把皮帶拉斷，從電氣后臺(tái)處了解到，凌晨7點(diǎn)左右空冷風(fēng)機(jī)電流最大達(dá)35A，之前一直在26-28A之間波動(dòng)。

圖2

圖3

圖4

從圖3葉片斷口檢查確定向風(fēng)側(cè)葉輪葉軸處的斷痕是老的斷痕，斷口呈暗黑色，是鋁合金沖刷腐蝕后的顏色與葉身型面顏色一致，斷面呈顆粒狀銹斑且表面積灰。而圖2背風(fēng)側(cè)葉輪葉軸處的斷痕呈現(xiàn)亮色與鋁合金母材顏色一致，為新斷口，且斷面平滑。

從圖2、圖3我們可以清晰的看到鋁合金葉片的空腹結(jié)構(gòu)，葉片重量較輕，葉軸部位是葉片加強(qiáng)加固的部位（葉片應(yīng)力集中的部位），不隨葉片擺動(dòng)，同時(shí)也是葉片的徑向支點(diǎn)，類似于懸臂梁的端部支點(diǎn)，葉片截面寬度從葉根至葉尖逐漸變窄，所以葉片靠近葉尖的部位晃動(dòng)越大，綜上所述，葉片向風(fēng)側(cè)（葉片工作面）的葉軸部位是最易出現(xiàn)疲勞裂紋的。

由此可以判斷葉片葉軸處是先有裂紋，而后葉片運(yùn)行中失穩(wěn)折斷，后續(xù)檢查中對(duì)該處進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)其他部位有裂紋，所以分析葉片斷裂主要有以下幾種情況：

（1）風(fēng)機(jī)葉軸處屬于應(yīng)力集中的部位，空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)震顫頻率或風(fēng)機(jī)檢修葉片裝配質(zhì)量的影響，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)中葉片晃動(dòng)較大在應(yīng)力集中部位出現(xiàn)疲勞而產(chǎn)生裂紋。

（2）AC4201原設(shè)計(jì)是一種不停機(jī)自動(dòng)調(diào)角型空冷，雖然調(diào)角機(jī)構(gòu)已經(jīng)棄用，但風(fēng)機(jī)葉片的固定座還是原設(shè)計(jì)的軸承座，以調(diào)角拉桿固定，而軸承座內(nèi)軸承從開(kāi)工至今就未進(jìn)行過(guò)保養(yǎng)，軸承銹蝕或局部疲勞破損或風(fēng)機(jī)運(yùn)行中軸承隨葉片晃動(dòng)等情況的發(fā)生，并不能保證風(fēng)機(jī)葉片安裝角為絕對(duì)定值，空冷風(fēng)機(jī)的4根葉片安裝角度也就不能保證同步一致，這種情況下空冷風(fēng)機(jī)4個(gè)葉片將會(huì)受力不同，風(fēng)機(jī)整體動(dòng)平衡破壞，振動(dòng)加劇，設(shè)備應(yīng)力集中部位疲勞加劇而出現(xiàn)裂紋，最終導(dǎo)致葉片的斷裂。風(fēng)機(jī)斷葉片事件發(fā)生后，部門對(duì)同類型結(jié)構(gòu)的空冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行了排查，排查的結(jié)果和上述原因分析一致，有幾臺(tái)空冷風(fēng)機(jī)存在同組葉片安裝角度不一致的情況，角度最大相差達(dá)4°。

（3）葉片固定軸承座與調(diào)角輪轂的連接螺栓在空冷風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，因風(fēng)機(jī)固有振動(dòng)頻率或因地緣關(guān)系葉片背風(fēng)面風(fēng)壓不均引起的振動(dòng)失衡等原因均可能導(dǎo)致連接螺栓疲勞松動(dòng)，破壞風(fēng)機(jī)整體動(dòng)平衡，而最終發(fā)生風(fēng)機(jī)葉片的斷裂的情況。

綜上所述：通過(guò)后續(xù)同類型結(jié)構(gòu)的空冷風(fēng)機(jī)的檢查，排除了第1種與第3種分析情況的發(fā)生，確定了葉片斷裂的主要原因是風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中葉片在軸承座內(nèi)發(fā)生了相對(duì)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)性失衡、振動(dòng)異常而引發(fā)的葉片疲勞折斷。

3.空冷風(fēng)機(jī)葉片固定座的改造

2022年2月，依據(jù)AC4201風(fēng)機(jī)斷葉片分析報(bào)告，部門決定以空冷風(fēng)機(jī)（AC4101B）作為試驗(yàn)設(shè)備來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造攻關(guān)。初步的設(shè)想：借鑒手動(dòng)調(diào)角輪轂上采用U型螺栓固定風(fēng)機(jī)葉軸的形式（如圖5所示），將氣自調(diào)角輪轂上的軸承座進(jìn)行剖分加工。將歷經(jīng)1個(gè)月時(shí)間，風(fēng)機(jī)葉片軸承座的改造經(jīng)過(guò)2次反復(fù)加工實(shí)驗(yàn)、試運(yùn)行，成功解決了抽提空冷風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)性失衡的問(wèn)題。

圖5

(1)第一次軸承座改造攻關(guān)情況

首先風(fēng)機(jī)（AC4101B）4根葉片在氣自調(diào)角輪轂上檢修拆卸至建安公司施工廠房，拆除4根葉片軸承座內(nèi)軸承（每根2套軸承），機(jī)加工對(duì)葉片軸承座上水平中分面剖分線切割成2半；利用30mm厚鋼板加工4對(duì)風(fēng)機(jī)葉片配合夾具安裝在原軸承部位（如圖6所示）；利用DN40不銹鋼鋼管水平剖分成兩半（長(zhǎng)10公分）作為風(fēng)機(jī)葉軸上下壓塊放置在軸承部位配合夾具上（如圖7所示)；改造后的軸承座中分面在組裝中留有5mm間隙，主要目的是要保證風(fēng)機(jī)葉軸部位的夾緊力，防止葉軸部位的松動(dòng)（如圖8所示）。

圖6

圖7

圖8

第一次風(fēng)機(jī)葉片軸承座現(xiàn)場(chǎng)組裝過(guò)程中，沒(méi)有考慮到軸承座材質(zhì)問(wèn)題（鑄鐵），導(dǎo)致軸承座兩端螺栓緊固時(shí)，上半軸承座在中部保護(hù)夾具部位受力而斷裂成兩半（如圖9所示），第一次軸承座改造以失敗告終。

圖9

(2)第二次軸承座改造攻關(guān)情況

圖11

第二次軸承座改造攻關(guān)吸取了第一次失敗的教訓(xùn)，考慮到軸承座材質(zhì)強(qiáng)度不高的問(wèn)題，對(duì)于第一次改造中沒(méi)有斷裂的軸承座上部安裝10mm厚螺栓墊板（如圖10所示）；而對(duì)于已經(jīng)斷裂的上半軸承座，用鋼板重新機(jī)加工制作了2個(gè)上半軸承座與葉根配合夾具焊接在一起（如圖11所示）。

圖10

第二次軸承座改造安裝后，風(fēng)機(jī)葉片牢牢的固定在軸承座內(nèi)，并且按照設(shè)備說(shuō)明書中要求葉片角度調(diào)整至9°，截止目前，空冷風(fēng)機(jī)（AC4101B）改造運(yùn)行一周左右，電機(jī)電流平穩(wěn)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常。

圖12

4.總結(jié)

通過(guò)對(duì)氣自動(dòng)調(diào)角空冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的深入分析，作者所在部門進(jìn)行了大膽的嘗試，解決了困擾部門多年空冷風(fēng)機(jī)斷葉片的故障問(wèn)題，為部門后續(xù)空冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)上的改造工作的開(kāi)展指明了方向。