羅茨真空泵磨墻板故障的分析與處理

沈 波，周建華

(廣東南方堿業股份有限公司，廣東廣州 510760)

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羅茨真空泵磨墻板故障的分析與處理

沈 波，周建華

(廣東南方堿業股份有限公司，廣東廣州 510760)

針對羅茨真空泵多次出現的磨墻板故障，結合零部件結構，通過故障的發現、判斷、分析和處理，摸索各種可能的內外因素，尋求問題根源，以期徹底解決，保障設備的長周期穩定運行。

羅茨真空泵；磨墻板；悶蓋；螺栓松脫；橫向振動

我公司2011年新增了兩臺國產設備——羅茨真空泵(490 m3/min，-52 kPa，560 kW)。作為純堿濾過工序的主要設備，其作用是抽吸形成一定參數的真空，促使碳化出堿液在濾堿機濾網(或帶濾機濾布)進行固液分離。自投用以來(開一備一)，其中一臺在連續累積運行均未過半年的情況下，連續兩次出現磨墻板的故障，另一臺后來也出現了同樣的故障。作為廠控設備之一，此類故障嚴重影響到設備的安全運行，影響到純堿生產系統的穩定。經過技術人員和職能部門的努力，在設備廠家的積極配合下，改大了螺栓聯接，修復了相關部件，更換了徑向軸承和軸承座。目前兩臺機組正常運行，未再次出現同類故障。

1 設備簡介

羅茨真空泵是一種容積式動力機械，廣泛應用于需要大抽速和中等真空的系統中。設備主要由機殼、葉輪、墻板、軸承、同步齒輪、軸密封、潤滑系統和冷卻系統組成(其主機結構如圖1所示)。

兩葉輪由一對同步齒輪傳動作反向旋轉，通過葉輪型面的“嚙合”(葉輪間有一定間隙，并未相互接觸)使進氣口和排氣口隔開，將吸入的氣體無內壓縮地從吸氣口推移到排氣口，被輸送的吸入氣體，在達到排氣口的瞬間，因排出側高壓氣體的回流而被加壓向系統輸送而做功。

圖1 羅茨真空泵主機結構

葉輪結構為兩葉型，優質鑄鐵制作，具有擺線輪廓。為減輕重量，葉輪做成了空心結構。其端部兩側各一塊悶蓋，用內六角螺栓聯接固定。每個葉輪共4塊悶蓋，每塊悶蓋上共12顆螺栓(見圖2)。

圖2 羅茨真空泵葉輪結構

2 故障情況

第一次故障的出現，是在發現設備噪聲異常、振動偏大，停機后無論采取何種辦法，均無法盤動葉輪。從頂部中間進氣口檢查內部情況，發現墻板有摩擦的痕跡。后拆卸機體，葉輪端面悶蓋上的螺栓，大部分松脫與斷裂、磨墻板，且卡在葉輪端部與墻板中間，致使葉輪被緊緊卡住、無法盤動。

第二次故障的出現，也是在設備振動偏大、停機后無法盤動葉輪時發現的。初步檢查后，從頂部進氣口發現墻板有非常明顯、呈圓周方向的摩擦痕跡，且比第一次更為嚴重。根據經驗判斷，非常肯定是同類故障。第一臺機組的兩次同類故障處理，使我們加強了對另一臺羅茨真空泵的運行狀態監控。雖然它正常運行的時間比第一臺長得多，看起來可靠些，但前年年底仍舊出現該故障。不過發現得及時，磨墻板情況一般，沒有之前那么嚴重。

通過對羅茨真空泵的完全拆卸、解體，全面檢查葉輪端面和墻板，才發現悶蓋螺栓的松脫與斷裂、墻板的磨損情況比想象中更為厲害和嚴重，特別是第二次故障?，F以第二次故障為例，當時的情況如下：

1)葉輪端面悶蓋上聯接螺栓，最多的留有六顆，最少的有一顆，幾乎全部失效。據統計，有75%的斷裂，余下或松或斜。所有斷裂的螺栓，其斷口大部分位于螺栓根部附近。

2)與葉輪相對應范圍的墻板上，有多條呈圓周方向深淺不一、寬度不同的刮痕，最深達4.7 mm、最寬處有30 mm。

3)各個悶蓋，聯接失效的則因外跑與墻板摩擦、留下一塊塊面刮痕；未與墻板摩擦的悶蓋，在螺栓孔附近可以看到連續或分開的凹坑。這是隨著設備運轉、由夾在墻板與悶蓋間的螺栓頭“咬”出來的。

3 故障分析

經判斷，我們認為葉輪端部悶蓋的聯接螺栓，因各種因素的作用(如強度、沖擊、振動等)致使螺栓松脫、甚至斷裂，導致外跑。一開始只有少部分螺栓與墻板接觸、摩擦，在墻板上留下擦痕。隨著大部分聯接螺栓松脫后，整個悶蓋螺栓聯接失效。與此同時，沒有螺栓固定的悶蓋，也隨著羅茨真空泵的運轉一起往外跑，直接與墻板接觸、磨墻板，最終在墻板上形成了大范圍的擦痕或刮痕。而墻板上擦痕或刮痕的深淺則直接反映出螺栓和悶蓋與之摩擦的程度，刮痕越深，磨得越厲害。

螺栓聯接以結構簡單、連接剛性好、可重復使用等優點廣泛應用于各種機械設備中。而螺栓松脫失效是造成機械事故的重要原因之一。特別在運行條件惡劣的環境下，加上沖擊、振動等多因素的綜合影響，更易造成聯接條件惡化、導致螺栓松脫失效。結合羅茨真空泵投用以來的各方面情況分析，螺栓聯接失效的原因主要有以下兩個方面。

1)螺栓本身因素，如螺栓強度不夠、聯接組的合理性可靠性等。參照有類似結構的舊羅茨真空泵(兩臺)近二十年來的運行，從未出現悶蓋螺栓松脫、磨墻板的情況。考慮到廠家領先的技術、成熟的機型、良好的信譽，此種聯接結構的合理性，是可以信賴的；其可靠性，也經受了時間的檢驗。但與舊機組相比(280 m3/min，-52 kPa，315 kW)，新增機組悶蓋內六角螺栓規格(M8，4.8級)，反而不及舊機組(M10)，其強度也許是不夠的。

2)螺栓外部因素，包括但不限于軸承游隙偏大、葉輪沖擊、機組振動等方面。軸承軸向游隙過大，則葉輪容易竄動；軸承徑向間隙超標，則葉輪振動偏大。日常維護檢修時，也曾多次調整間隙、更換軸承，確保相關工作間隙在規定范圍內，如葉輪與機殼、葉輪與葉輪、葉輪與前墻板、葉輪與后墻板，保證機組的性能和安全運行。即使這樣，依據監測記錄，自兩臺機組投用以來，特別是第一臺，相比之下，機組噪聲較強、振動一直偏大。

悶蓋的聯接螺栓，除受到軸向載荷外，隨著葉輪的旋轉，還承受橫向作用力，即與螺栓軸向垂直方向上的變載荷、振動等，產生橫向振動。若振動頻率較高、振動力較大則使力矩逐漸減小。相關實驗表明，當振動力增大到一定數值就可能使摩擦系數減小或瞬間消失到零。這種現象經過相當次數重復后，進而使由摩擦決定的擰緊力矩全部喪失，失去預緊作用而導致聯接自行松脫、失效。

另外，相關數學模型研究也表明：循環橫向振動沖擊可能會引起螺紋聯接的自松，這取決于螺栓壓力等級、螺栓頭下部彎曲強度、以及支撐與螺紋摩擦系數相關的振幅。為了盡量減小由振動引起的自松的可能性，承受大振動幅度的螺栓應有更高的預緊力以達到更高的支撐及螺紋摩擦系數。

4 故障處理

第一次故障的處理，從參照舊設備的經驗出發，主要從螺栓本身出發，認為是強度不夠、聯接不可靠導致?？紤]設備還處于質保期，經與設備廠家的溝通協調，由廠家進行修復。內容包括更換悶蓋、改大聯接螺栓至M12(6.8級)、修復墻板，以及轉子動平衡檢測。設備恢復安裝前，為確認修復，抽查過該處聯接螺栓，不存在未裝配到位的情況。同類故障的再次出現，一度造成被動的局面，得到公司的高度重視。比照另一臺的正常運行，排除機組周圍相關的可能原因(如基礎墊鐵、聯軸器對中等方面)，開始質疑機組本身，可能存在某些質量或結構上的缺陷。作為羅茨真空泵的關鍵部件——葉輪，大尺寸、大重量，其本身制造質量和裝配情況，不是我們用戶所能全面知曉和把握的。除了整機回廠、全面檢查、徹底處理外，更是采購了第三臺同規格羅茨真空泵，作為備機，降低因經常性、長時間維修對生產的影響。到另一臺機組出現同類故障后，得以直接更換，運行至今。據悉，對于新購機組，廠家還在軸承座上進行了局部改造，改進了結構，加強其強度，降低葉輪和機組振動的同時，也避免了前兩次故障拆卸時無法正常拆出軸承座、只能破壞軸承的特殊辦法。

5 結 語

這種葉輪悶蓋聯接螺栓松脫與斷裂、磨墻板的故障是首次出現的，在我司類似舊設備上從未出現過。根據拆檢記錄，歷經二十年運行的舊羅茨真空泵葉輪悶蓋螺栓完好無損，更沒有更換過。新增羅茨真空泵，當時一共采購了兩臺，同時安裝、同時調試、同時投用。但該類故障，一而再、再而三的出現，我們認為不是偶然，應該存在某些問題(或缺陷)。

此類故障雖然在廠家的協助下，通過局部改進與修復，解決了設備連續運行問題，但受限于現有結構，難以對軸承部件進行較大改造，機組的可靠性仍需時間的檢驗。后續使用過程中，我們將繼續動態監控設備的運行狀態，持續關注悶蓋螺栓狀態，確保聯接有效、安全牢固。作為使用單位，希望設備能夠長周期、穩定運行，更好的發揮性能與作用，產生更大的經濟效益?，F總結出來，更多的能為同行交流、借鑒。

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TQ114.15

B

1005-8370(2016)02-28-03

2016-01-19

沈波(1982—)，2005年畢業于武漢化工學院，過程裝備與控制專業。廣東南方堿業股份公司重堿車間設備員。