空冷風機定位銷斷裂的原因和解決方案

盧宏濤 龐紹林 葉世貴 谷卓然 楊洋(中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628000)

0 引言

凈化廠共有四套天然氣凈化裝置，年處理高含硫天然氣40億立方米，生產商品天然氣34億立方米，副產硫磺30萬噸。從井站采出的高含硫天然氣必須經過脫硫處理，才能達到國家二類氣的技術指標，從而滿足生產生活需求[1-2]。裝置采用國產UDS-2高效復合脫硫溶劑脫除原料氣中體積含量5%左右的H2S，吸收H2S后的富液經過閃蒸進入再生塔汽提再生返回吸收塔重復利用[3]。低溫高壓有利于脫硫溶劑選擇性脫去H2S，因此需要將再生后的高溫貧液進行冷卻。根據設計，再生貧液通過與入塔富液換熱后，先后經過貧溶劑空冷換熱器(A-101)和貧溶劑后冷器(E-102)將溫度降至36℃左右進入脫硫塔。

空冷換熱器作為水冷設備的一種替代產品，廣泛應用于石油煉化裝置[4]，它以環境空氣為冷卻介質將管束內高溫工藝流體冷卻至設定溫度，其換熱性能的好壞對裝置換熱系統的平穩運行至關重要。自凈化廠開工投產以來，空冷風機定位銷頻繁出現斷裂，導致空冷扇葉角度嚴重傾斜無法正常工作，進一步造成胺液吸收、再生系統熱量不平衡，影響產品氣質量。

1 空冷風機運行情況

凈化廠目前單套聯合裝置配有6臺貧溶劑空冷器，四套裝置合計24臺。空冷風機啟動數量與環境溫度有關，一般春秋季節開啟一臺、夏季開啟兩臺即可滿足生產需求，而冬季由于環境溫度較低，不需要開啟風機進行降溫。

空冷風機工頻高速運行，采用皮帶減速傳動，引風形式，吊掛使用，管束為纏繞型翅片管，葉片采用鍛鋁合金材質，空心薄壁結構，風機性能參數如表1所示。風機一旦發生故障或停車將導致裝置冷卻能力不夠，影響胺液吸收H2S。2020年6月第二聯合裝置停工檢修期間，發現有2臺貧溶劑空冷風機定位銷出現不同程度斷裂。由于風機處于高層平臺，空間狹窄，因此檢修難度增大，維修過程耗費大量的物力財力。

表1 風機性能參數

2 定位銷斷裂危害

定位銷是固定葉片與輪轂的關鍵部件，其安全性決定了風機的安全性，一旦發生斷裂將嚴重影響空冷風機的機械穩定性，定位銷斷裂后葉片情況如圖1所示。

圖1 定位銷斷裂前后葉片情況

空冷風機定位銷斷裂具體表現為：風機輪轂平衡被破壞整體振動劇烈，運行聲音不均勻有異響發出；相應地電機電流值也加大，軸承溫度升高；風量不穩定，氣流紊亂。空冷風機定位銷斷裂問題可能造成的危害主要體現在以下四個方面：(1)影響生產。設備機械穩定性降低，風機空冷負荷不足，冷卻效果下降，貧胺液出空冷溫度不合格，不利于原料氣中H2S的吸收，影響產品氣質量。(2)損壞設備。葉片出現松動發生傾斜，風機運行時旋轉中心不平衡振動增大，同時其他定位銷和螺栓等緊固部件由于受到的交變應力增大，加劇設備損壞速度。(3)造成人員傷亡。風機定位銷斷裂的部分由于離心力會以極大的作用力甩出，可能將葉片損壞造成重大財產損失，也可能穿過網格板打到操作人員身上造成傷亡。(4)引發環保事件。定位銷一旦斷裂松動，導致葉片緊固力下降，風機運行中葉片可能脫落飛出，擊中管束造成胺液泄露，污染環境。

3 定位銷斷裂原因分析

根據現場對空冷風機檢測收集到的信息分析來看，疲勞使用是定位銷斷裂的主要原因。空冷風機存在以下問題導致其定位銷因疲勞使用而斷裂。

3.1 材質不合格

定位銷主要承受葉片旋轉方向的氣動力以及葉片自身重力和離心力，采用20#鋼材質，屬于低碳鋼，其熱處理工藝比較簡單，通常是毛坯直接切削加工或鍛造正火，抗拉強度535N/mm2，屈服極限290N/mm2。風機長時間運行的情況下，定位銷焊接部位難以承受所受交變載荷，容易發生斷裂，而斷口主要集中在定位銷內部應力較大的區域。

3.2 擰緊力不足

風機安裝時，通過給定位銷施加足夠的擰緊力將葉片固定來克服其在運行時所受阻力[5]。如果沒有按照安裝要求用標準力矩對定位銷進行緊固，隨著風機運行時間的增加，擰緊力會有一定的下降，導致定位銷和葉片之間出現松動，風機振動加大，相應地定位銷與葉片之間摩擦力增大，長時間運行會使定位銷因疲勞使用而開裂。而定位銷內部存在應力較高的區域、風機葉片共振等因素加速其斷裂進程，進一步造成風機無法正常工作。

3.3 葉片角度不統一

經過測量發現，同一臺風機的葉片安裝角度不統一，普遍存在1～2°的誤差，個別相差4°及以上，而安裝說明書上明確指出葉片安裝角度誤差不能超過 0.5°，嚴重不符合要求。葉片安裝角度誤差大會導致風機運行時葉片旋轉半徑不一致，整個風機由于離心力不均衡而偏離旋轉中心，風機振動增大，為定位銷的斷裂和其他故障事件的發生埋下隱患。

4 定位銷斷裂解決方案

解決定位銷斷裂問題可減輕風機振動使其運行更加穩定，改善空冷器冷卻效果，保證凈化裝置平穩運行。為此，經過分析研究提出以下解決方案：(1)改善定位銷材質。采用經熱處理后的8.8級調質螺栓，該材質抗拉強度905N/mm2，屈服極限720N/mm2，在強度、硬度和耐磨性上與之前都有較大提高，能承受更大的交變載荷。(2)加強日常巡檢維護保養。一旦發現定位銷發生開裂，立即停機更換新的定位銷，安裝時將夾緊力矩緊固到規定數值，緊固方式采用無摩擦擰緊確保其連接部位無松動且不產生殘余剪應力；風機運行后定期對定位銷進行擰緊力矩的復緊，確保其在夾緊狀態下工作。這將有效避免擰緊力矩減小，充分保證定位銷可靠耐用。(3)重新校準葉片安裝角度。對于角度過大的葉片要及時按照銘牌要求調整到規定值，保證每個葉片角度統一，且誤差在可承受范圍內。該方法可以極大地降低金屬疲勞程度，同時減小了定位銷連接振動松動造成的空隙，起到了良好的固定作用。

空冷風機經過整改投運后，運行情況良好，生產參數滿足正常工藝需求，沒有出現定位銷斷裂情況，減少了設備運行的安全隱患，降低了維修工作量，節約了大量財力物力。風機整改前后生產參數對比如表2所示，定位銷整改情況對比如圖2所示。

表2 風機整改前后生產參數對比

圖2 定位銷整改前后情況對比

由表2對比風機整改前后生產參數可知，風機振動值和電機工作電流相比整改前有了明顯降低，說明風機整改效果良好，運轉平穩，振動值減小，從而使電機運行效果得到明顯提升，電流值降低。而經過整改，滿足生產要求的前提下，風機啟動數由2臺減少到1臺，說明每套聯合裝置能節約1臺風機所消耗電能。

5 結語

對凈化廠空冷風機定位銷斷裂情況進行分析，發現導致其斷裂原因為疲勞斷裂，其材質不合格是主要原因之一。定位銷安裝時緊固力不足，加之風機運行時葉片旋轉產生的氣動力、葉片自身重力和離心力長時間施加在定位銷上致其發生松動，風機振動加大，而葉片安裝角度不統一引起振動加大，進一步加劇了定位銷的松動，致使其因長時間工作疲勞失效后在應力集中部位開裂，直至發生斷裂。在此基礎上，提出了三種可行的解決措施，使得定位銷在高溫條件下具有良好的組織穩定性和使用可靠性，同時具有抗疲勞、防斷裂等綜合性能，不僅延長了風機的運行周期，保證裝置長滿優運行，還降低了維護費用，節省了人力和物力成本，提高了經濟效益。