弗卡斯石灰窯燒嘴梁冷卻油泵損壞原因分析與對(duì)策

郭盛云

在泵組與管道連接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，因受場(chǎng)地局限出現(xiàn)靜不定結(jié)構(gòu)時(shí)，將導(dǎo)致泵體與管道之間產(chǎn)生不確定的作用內(nèi)力，影響泵的安全運(yùn)行。通過增設(shè)不銹鋼波紋管代替局部管道，可有效消除系統(tǒng)多余約束力，使系統(tǒng)變?yōu)殪o定結(jié)構(gòu)，確保泵安全平穩(wěn)運(yùn)行。

泵組 管道 靜不定結(jié)構(gòu) 波紋管

一、弗卡斯石灰窯及其導(dǎo)熱油泵組簡(jiǎn)介

弗卡斯石灰窯是引進(jìn)意大利弗卡斯公司工藝和控制技術(shù)，所有轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝與施工均由我單位自行承擔(dān)，關(guān)鍵設(shè)備從弗卡斯公司進(jìn)口。該窯設(shè)計(jì)日產(chǎn)400噸，石灰活性度大于350ml，窯體截面設(shè)計(jì)為準(zhǔn)矩形。

該窯煅燒帶分布雙層燒嘴梁，在七根燒嘴梁內(nèi)共布置102個(gè)煤氣燒嘴煅燒石灰石，燒嘴梁在窯內(nèi)完全暴露在高溫火焰之中；燒嘴梁的冷卻由油泵將導(dǎo)熱油連續(xù)循環(huán)送入梁內(nèi)；冷卻泵組設(shè)有3臺(tái)油泵，其中2臺(tái)電動(dòng)泵，1臺(tái)柴油機(jī)泵；正常生產(chǎn)時(shí)1臺(tái)電動(dòng)泵工作，1臺(tái)備用，系統(tǒng)停電，柴油泵自動(dòng)開啟，確保燒嘴梁始終處于冷卻狀態(tài)。工作原理為：燒嘴梁及其管道內(nèi)注滿導(dǎo)熱油約10立方米，油泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)將導(dǎo)熱油在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)往復(fù)流動(dòng)，系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)散熱裝置，實(shí)現(xiàn)燒嘴梁循環(huán)連續(xù)冷卻（見圖1）。

二、問題的提出

燒嘴梁及其泵組和附屬管道是弗卡斯石灰窯核心設(shè)備，完全從弗卡斯公司采購(gòu)。由于受場(chǎng)地狹小限制，泵組必須緊密排放布置。根據(jù)弗卡斯公司提供的設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝首先將泵組安裝定位，隨后安裝管道和附件，在連接1#和3#油泵管道后，2#泵管道連接出現(xiàn)明顯的偏差，必須將2#泵的管道法蘭螺栓割開，待法蘭螺栓預(yù)連接再施焊，最后再正式安裝管道。在試車初期和日后檢修試車階段多次發(fā)生1#2#油泵軸瓦啟動(dòng)瞬間燒損事故；即使油泵軸瓦沒有燒損，油泵運(yùn)行振動(dòng)大；每次更換油泵十分困難，必須動(dòng)用氣割、電焊，否則無法實(shí)施。

三、原因分析

油泵進(jìn)、出口山字形管道是由Φ300×8無縫鋼管制作而成，形成一個(gè)牢固的剛體構(gòu)件，其它閥門和管道剛度均很強(qiáng)，當(dāng)油泵、閥門和管道連接后，形成封閉的靜不定結(jié)構(gòu)，現(xiàn)對(duì)垂直方向簡(jiǎn)化受力分析：

設(shè)載荷為F，三個(gè)約束反力為F1、F2、F3

由∑F =0和∑M =0可以寫出：

｛F－F3－F2－F1=0 Fa－F2c－F3（a+b）=0

由此看出3個(gè)約束反力，只有2個(gè)方程，無法求解；

根據(jù)靜不定結(jié)構(gòu)概念，在無多余聯(lián)系的幾何不變的靜定結(jié)構(gòu)上增加約束或聯(lián)系，稱為多余約束，并因而產(chǎn)生多余約束反力，則這樣的有多余約束的結(jié)構(gòu)，僅利用靜力平衡條件無法求得全部約束力和內(nèi)力，稱為靜不定結(jié)構(gòu)。因此，該泵組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)存在多余的約束，因而產(chǎn)生多余的約束反力，它在系統(tǒng)安裝后已經(jīng)產(chǎn)生，而且這種作用內(nèi)力存在著不確定性，它受連接螺栓預(yù)緊力大小、管道彈性變形程度、密封墊片擠壓變形以及油泵基礎(chǔ)強(qiáng)度、剛度的不同而改變。

在工程實(shí)際中，為了提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，除了選擇合理的截面形狀、加大截面尺寸外，常常在靜定結(jié)構(gòu)中再附加某些約束。但在所述的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)出現(xiàn)多余約束將造成如下后果：

1.由于油泵基礎(chǔ)是鋼結(jié)構(gòu)件，其強(qiáng)度和剛度不盡相同（3#柴油泵剛性好，1#2#電動(dòng)泵明顯差）；當(dāng)任意安裝、連接2臺(tái)油泵后，第3臺(tái)油泵安裝很難調(diào)整，在動(dòng)用氣割、電焊調(diào)整就位，管道法蘭螺栓預(yù)緊以后，系統(tǒng)立刻產(chǎn)生不確定的作用內(nèi)力（靜定結(jié)構(gòu)變?yōu)殪o不定結(jié)構(gòu)），致使泵體在垂直和水平方向的位移不可控；但在靜止?fàn)顟B(tài)可保持相對(duì)的平衡。

2.1#2#油泵與電機(jī)之間是彈性接手連接，在靜止?fàn)顟B(tài)軸線找正完全可以滿足技術(shù)要求；但當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)的瞬間，油流的反作用力致使系統(tǒng)的作用內(nèi)力發(fā)生改變，破壞了系統(tǒng)原有的平衡力系，致使泵體產(chǎn)生位移，從而造成泵與電機(jī)軸線偏斜，引起油泵振動(dòng)，產(chǎn)生嘯叫聲；當(dāng)偏斜量超過泵的允許值時(shí)，泵的轉(zhuǎn)軸嚴(yán)重摩擦軸瓦，造成軸瓦損毀。

四、對(duì)策

由于泵組緊密排放布置已無法改變，只有改變結(jié)構(gòu)性質(zhì)方可解決問題；因此，采用不銹鋼波紋管局部代替1#2#泵進(jìn)、出口固定管道可以消除靜不定結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的多余約束力消除；不銹鋼波紋管具有自動(dòng)補(bǔ)償作用，從而使油泵與管道連接成為無多余約束的承載結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。采用此方法后獲得了很好的效果，至此再?zèng)]有發(fā)生一起油泵軸瓦燒損事故，且油泵運(yùn)行平穩(wěn)，徹底消除了原先的振動(dòng)和嘯叫聲，同時(shí)極大地方便油泵及管道安裝與檢修。

有關(guān)注意事項(xiàng)：1.由于系統(tǒng)油液溫度在180℃—200℃，系統(tǒng)工作油壓6bar，檢驗(yàn)壓力9bar，設(shè)計(jì)時(shí)取波紋管耐壓等級(jí)為16bar，耐熱強(qiáng)度完全可以承受；但要注意油泵進(jìn)口水平管道長(zhǎng)期受熱，在懸臂狀態(tài)下產(chǎn)生位移，引起波紋管損壞，在波紋管附近鋼管處增加支撐；2.油泵進(jìn)出口主管道必須固定可靠，防止油泵啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)，也是防止檢修時(shí)出現(xiàn)管道坍塌。

五、結(jié)束語

在泵體與管道直接連接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，由于受場(chǎng)地狹小限制，出現(xiàn)2臺(tái)以上泵與同一管道連接，構(gòu)成靜不定結(jié)構(gòu)時(shí)，將導(dǎo)致泵體與管道之間產(chǎn)生不確定的作用內(nèi)力，輕者引起泵體振動(dòng)、產(chǎn)生嘯叫聲，重者引起泵體軸瓦燒損，管道拉裂等事故，直接影響泵的安全運(yùn)行；因此，局部采用金屬波紋管連接方式可有效消除系統(tǒng)內(nèi)多余約束，使系統(tǒng)變?yōu)殪o定結(jié)構(gòu)，保證泵體安全平穩(wěn)運(yùn)行。