NAHDA水泥廠原料磨地腳螺栓斷裂分析和處理

戴　浚

NAHDA水泥廠原料磨地腳螺栓斷裂分析和處理

戴浚

埃及NAHDA 5 500t/d項目為天津水泥工業設計研究院有限公司總承包項目，原料磨系統、水泥磨系統均采用輥磨系統，輥磨由萊歇公司供貨。萊歇公司采用設備分交的供貨方式，輥磨磨輥、磨盤、分離器轉子、傳動系統和液壓系統等為萊歇公司供貨，其余部件如殼體、底座、地腳螺栓等由公司采購部協調在國內制造。為保證產品質量，在設備施工過程中，萊歇公司服務人員在現場指導設備的安裝工作。

原料輥磨于2010年2月完成安裝，2010年4月進行帶負荷試車。2012年8～12月現場人員發現有9條原料輥磨地腳螺栓相繼斷裂（斷裂順序見表1），而且還有繼續斷裂的跡象。

表1　地腳螺栓斷裂順序和時間

圖1　地腳螺栓位置圖

為解決原料輥磨地腳螺栓斷裂的問題，我們檢查分析了設備和操作工藝。

1　現場檢查

NAHDA水泥廠原料磨選用萊歇公司LM56.4原料輥磨，磨盤直徑為5.6m，采用4個磨輥。工作時，物料均勻地撒落在磨盤上，通過磨輥加壓，將物料粉碎。在此過程中，由于物料粒度影響，磨機產生自激振動。為保護設備，在主減速機和中殼體上設置振動監測裝置，監測運行中輥磨的振動，振動達到設定的最大值時輥磨會強制停機。為消除振動對周邊設備和建筑物的影響，輥磨基礎采用大型塊狀混凝土基礎消除振動。

1.1設備底座振動檢查

在原料磨運行情況下，我們對原料磨機鋼底座進行垂直方向振動測試（見圖1），測試結果如表2。

從實測振動值分布看，立柱外部底座振動大，主電機兩側立柱的底座部位振動最大值為5.3mm/s，已超出VDI 2056標準中大型設備振動值≤4.5mm/s的要求。埃及GOE、俄羅斯TULA項目原料磨均采用萊歇輥磨，其結構相同，未出現地腳螺栓斷裂現象。在正常運行時測得鋼底座垂直振動值為：埃及GOE項目振動值≤0.9mm/s；俄羅斯TULA項目振動值在1mm/s左右（大部分測點振動值＜1mm/s，只有4點振動值＞1mm/s）。

1.2原料顆粒檢查

埃及NAHDA水泥廠原料采用石灰石、砂巖和鐵礦石配料。石灰石經石灰石破碎機破碎后最大粒度≤75mm，滿足輥磨對物料粒度的要求；砂巖和鐵礦石是從外部采購的，檢查發現砂巖和鐵礦石中有少量大塊物料。

為保護設備，輥磨設置了兩處振動監測點，分別監測殼體和減速機的振動。其中殼體上設置的監測點主要檢測磨機整體振動，設定振動值≤8mm/s，超出設定值設備強制停車。2012年9月殼體振動監測報告表明，殼體平均振動值為4.13mm/s，最大振動值為11.65mm/s，振動超設定值8mm/s，且在振動值超出設定值時設備強制停車。

從振動監測可以看出進入輥磨的原料粒度滿足要求，少量的大粒度原料產生的振動不足以造成設備的損害。

1.3輥磨本體檢查

萊歇輥磨殼體由鋼底座、立柱、立柱間連接橋等組成，通過焊接，使它們成為一個整體。經檢查發現輥磨本體除地腳螺栓斷裂外，其他部件完好，立柱和鋼底座、立柱間連接橋等主要焊縫沒有開裂現象（見圖2、3），說明振動未對設備整體產生影響。

輥磨底座與混凝土基礎周邊出現裂縫（見圖4）。尤其Ⅰ號輥立柱下鋼底座外側與混凝土基礎已分離（見圖5），運行中鋼底座振動值較大（振動值為5.3mm/s）。

經過檢查我們可以看出，埃及NAHDA水泥廠原料輥磨鋼底座存在振動現象，振動造成地腳螺栓斷裂，鋼底座與混凝土基礎分離，但未對設備整體機構造成破壞。物料粒度滿足設備工藝操作要求，不是引起地腳螺栓斷裂的原因。因此還需要對地角螺栓的質量、澆注混凝土質量及施工質量進行檢查分析。

表2　輥磨鋼底座垂直振動實測值，mm/s

圖2　立柱與鋼底座焊接檢查

圖3　立柱間連接橋焊縫無開裂

圖4　鋼底座與混凝土基礎出現裂縫

圖5?、裉栞伭⒅落摰鬃c混凝土基礎分離

2　地腳螺栓的性能檢查

輥磨地腳螺栓為M64，采用Q235B材料制造。我們委托國家建筑材料供應建材機械產品質量檢驗測試中心對斷裂地腳螺栓材質化學成分、力學性能進行測試。測試結果如表3、4。

檢測結果表明地腳螺栓采用的Q235B材質質量滿足《碳素結構鋼》（GB/T700-2006）標準中Q235B要求。對螺紋機加工精度進行檢查，螺紋螺距滿足要求。

3　輥磨基礎灌漿

眾所周知，輥磨基礎灌漿是設備施工的關鍵所在。萊歇公司資料對二次澆注材料配比、澆注前檢查、澆注和保養都有明確要求。二次澆注前，項目部土建工程師對施工單位材料配比進行評定，從現場材料試驗報告看，灌漿材料由于外加外加劑，未進行收縮率檢測。水灰比數值是根據混凝土強度和耐久性確定，用水量的確定與成型工藝有關。《混凝土工程施工與質量驗收實用手冊》中表明，在水灰比＜0.4時應進行坍落度試驗，現場試驗水灰比為0.36，用水量為165kg/m3，沒有提供坍落度試驗報告，我們不知灌漿料的流動性如何，灌漿材料要求見表5。

為防止鋼底座和混凝土基礎分離，通過灌漿將鋼底座和混凝土基礎緊密接合，灌漿采用的材料具有微膨脹、可灌注的流動性、高的早期和后期強度、不泌水等特性。萊歇公司文件中對灌漿水泥基材質水灰比、收縮率及早期和后期強度有明確要求（水灰比0.45，收縮率≤0.27‰），未對流動度提出要求。我國《水泥基灌漿材料應用技術規范》（GB50448-2008）中規定灌漿材料為微膨脹材料，對于流動度、早期和后期強度有明確的要求。灌漿料流動性的確認對于基礎灌漿施工時基礎填充起到關鍵作用。

萊歇公司施工流程要求輥磨立柱、連接橋和下殼體等部件與鋼底座焊接完成后，再進行基礎二次灌漿，造成灌漿時灌漿料搗實困難，容易造成基礎灌漿出現料漿不實現象，這就要求灌漿料的流動性較好。二次灌漿后檢查發現，鋼底座部分區域有不實現象，鋼底座與澆注料間出現裂紋。通過整改將空洞的地方填充了灌漿料，對出現裂紋的地方進行了修補。

表3　地腳螺栓化學成分，%

表4　地腳螺栓力學性能

表5　灌漿材料要求

4　地腳螺栓斷裂分析

4.1斷裂地腳螺栓斷面分析

地腳螺栓斷裂可根據斷面的形狀進行分析判斷，查明斷裂的原因。地腳螺栓斷裂部位位于螺紋底部，此處應力最大，是螺栓最薄弱的部位。從地腳螺栓的斷裂斷面上觀察存在原始裂紋，裂紋擴展區（光滑斷面）、瞬時斷裂區見圖6，地腳螺栓斷裂的狀況與疲勞失效的特征相同［1］，可以認定輥磨地腳螺栓斷裂為疲勞斷裂。

4.2地腳螺栓斷裂分析

輥磨在運行中，由于磨輥擠壓物料產生的自激振動（2012年9月殼體平均振動值約為4.13mm/s）輥磨整機產生振動。檢查發現輥磨鋼底座、立柱、連接立柱的橋架焊縫未出現開裂現象，鋼底座和混凝土基礎出現裂紋甚至分離。當輥磨鋼底座和混凝土連接出現問題時，輥磨運行時產生的振動傳遞到地腳螺栓上，地腳螺栓承受交變載荷。地腳螺栓在螺紋底部應力最大，因此在螺紋底部易產生疲勞斷裂。設備設計地腳螺栓為單螺母鎖緊，在運行時單螺母易產生松動，如不及時擰緊，會導致地腳螺栓斷裂加快。

圖6　地腳螺栓斷面

5　地腳螺栓斷裂處理

由于多根地腳螺栓斷裂，嚴重影響原料輥磨的運行。我們首先對斷裂的地腳螺栓進行修復，再對鋼底座和混凝土基礎分離進行處理。

（1）地腳螺栓的修復。我們參考萊歇公司提供的DIN529標準，確定重新制造一段螺紋，用鋼管將新加工螺紋與斷裂的地腳螺栓相焊接，這樣可以保證整改后地腳螺栓在同一中心線。為防止螺母不松動，在基礎處理完后，運行一段時間，現場人員對螺母進行檢查擰緊，并采取相應措施對螺母進行防松處理。

（2）土建專業制定二次灌漿的整改施工方案。為防止鋼底座產生位移，在鋼底座和混凝土基礎間增加鋼板進行定位。對于灌漿料質量按《水泥基灌漿材料應用技術規范》（GB50448-2008）的規定提出要求，強調灌漿料流動度的試驗。

6　輥磨底座的施工改進

為了消除底座平面度對輥磨的影響，萊歇公司安裝是以輥磨立柱軸承座中心為基準進行施工。按照萊歇公司的施工流程，萊歇現場服務人員要求施工單位應在鋼底座就位找平，安裝立柱、連接橋、下殼體等部件調整焊接完成后，再進行輥磨二次灌漿。按這樣的安裝順序，可以保證輥磨立柱軸承座水平度誤差較小，滿足圖紙要求，制造、施工誤差可被輥磨基礎吸收。

為保證基礎灌漿的質量，萊歇公司規定了灌漿材料強度、收縮率、水灰比等，要求灌漿料采用無收縮的水泥基材料。由于對灌漿料的流動度未明確要求，可能造成灌漿料流動性不好。由于輥磨底座空間狹小，如果流動性不好在施工中可能會使二次灌漿搗實困難，底座和基礎接觸不實。

我國《水泥基灌漿材料應用技術規范》（GB50448-2008）對灌漿材料流動度、早期和后期強度、膨脹率、泌水率有明確要求，對灌漿材料的質量要求更加嚴格。因此在設備灌漿前，水泥基灌漿材料的試驗需進行流動度（坍落度）試驗。

為解決二次灌漿不實問題，國內施工單位根據萊歇輥磨的結構特點，在安裝時先將鋼底座就位找平后再進行二次灌漿。有些項目在萊歇輥磨施工時，采取混凝土基礎和鋼底座一次澆筑完成（見圖7）。這種施工程序是以鋼底座為基準進行施工，制造、施工等誤差通過安裝調整進行吸收。

圖7　國內施工采用鋼底座與混凝土基礎一同澆筑

7　結語

在輥磨施工中，輥磨鋼底座的找平、鋼底座和混凝土結合成為一個整體是輥磨基礎施工的關鍵點。在施工前，應制定詳細的施工方案，嚴格控制灌漿料的配比及流動度。施工中注意二次灌漿時混凝土的搗實。為保證地腳螺栓受力均勻，在二次灌漿后，混凝土強度達到75%時，需采用扭矩扳手擰緊地腳螺栓。

參考資料：

［1］張安哥，等.疲勞、斷裂與損傷［M］.成都：西南交通大學出版社，2006.

［2］王雨群.混凝土工程施工與質量驗收實用手冊［K］.北京：中國建材工業出版社，2004.■

Fracture Analysis and Treatment of Foundation Bolt of Raw Material Mill in NAHDA Cement Plant

TQTQ172172..632632..5 5文獻標識碼：AA

10011001--61716171（20152015）0404--00400040--0404

通訊地址：天津水泥工業設計研究院有限公司，天津300400；

2014-10-28；編輯：呂光