冷卻塔風(fēng)機(jī)U型螺栓斷裂原因及改進(jìn)措施

車(chē)懷勇

（中國(guó)石化集團(tuán)四川維尼綸廠，重慶長(zhǎng)壽401220）

冷卻塔風(fēng)機(jī)U型螺栓斷裂原因及改進(jìn)措施

車(chē)懷勇

（中國(guó)石化集團(tuán)四川維尼綸廠，重慶長(zhǎng)壽401220）

冷卻塔風(fēng)機(jī)高強(qiáng)度U型螺栓在運(yùn)行3000h后發(fā)生斷裂，斷裂部位和斷口形狀表明，斷裂發(fā)生在剪切力部位，斷口平齊。斷裂原因是風(fēng)機(jī)輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，U型螺栓在交變荷載下產(chǎn)生松動(dòng)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的剪切力增大，導(dǎo)致U型螺栓發(fā)生脆性斷裂。改進(jìn)時(shí)采用了雙夾板輪轂結(jié)構(gòu)，其在高荷載下螺栓不會(huì)發(fā)生松脫，能更好的鎖緊葉片，減小葉片擺動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力。改造后，風(fēng)機(jī)振動(dòng)值下降了一倍，運(yùn)行18個(gè)月沒(méi)有發(fā)生螺栓斷裂。

冷卻塔風(fēng)機(jī)；U型螺栓；剪切力；脆性斷裂；雙夾板輪轂

1 冷卻塔風(fēng)機(jī)U型螺栓斷裂

中國(guó)石化集團(tuán)四川維尼綸廠（簡(jiǎn)稱川維廠）新區(qū)建有3套循環(huán)水裝置，共有19臺(tái)L98冷卻塔風(fēng)機(jī)，每片葉片采用3顆35CrMo材質(zhì)的高強(qiáng)度U型螺栓固定，傳動(dòng)軸為304不銹鋼材質(zhì)，葉片和風(fēng)筒為玻璃鋼材質(zhì)。

2012年在風(fēng)機(jī)例行檢查中發(fā)現(xiàn)F73103、F73110兩臺(tái)風(fēng)機(jī)各有一顆U型螺栓發(fā)生斷裂。其后幾個(gè)月內(nèi)，陸續(xù)又有5臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)生U型螺栓斷裂，其中F73102同一葉片上三顆U型螺栓全部斷裂，造成風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸、油路系統(tǒng)損壞，3塊葉片被打斷，風(fēng)筒部分損壞。查風(fēng)機(jī)運(yùn)行記錄，發(fā)生U型螺栓斷裂的風(fēng)機(jī)有效運(yùn)行時(shí)間都在3000h～5000h之間。螺栓斷裂部位集中在螺栓與輪轂接觸部位或葉片固定座與弧形壓蓋結(jié)合部位（見(jiàn)圖1），斷口表面平齊，無(wú)縮頸，斷口邊沿未發(fā)生明顯塑性變形，呈現(xiàn)脆性斷裂特征[1]，表明冷卻塔風(fēng)機(jī)U型螺栓在交變荷載產(chǎn)生的沖擊性剪切力下發(fā)生脆性斷裂。

圖1 冷卻塔風(fēng)機(jī)U型螺栓斷裂部位

2 導(dǎo)致風(fēng)機(jī)U型螺栓斷裂的原因

2.1 U型螺栓材質(zhì)分析

川維廠冷卻塔風(fēng)機(jī)U型螺栓為35CrMo材質(zhì)，將發(fā)生斷裂的U型螺栓樣品送往重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果（見(jiàn)表1）表明，螺栓中各關(guān)鍵元素含量均在GB/T3077-1999規(guī)定的范圍內(nèi)，說(shuō)明該U型螺栓材質(zhì)方面沒(méi)有問(wèn)題。

表1 U型螺栓材質(zhì)化學(xué)成分

2.2 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致U型螺栓斷裂

2．2．1 U型螺栓熱處理沒(méi)有保證

較緊固件標(biāo)準(zhǔn)件而言，U型螺栓生產(chǎn)量太小，大的緊固件廠不愿意生產(chǎn)，往往是由熱處理工藝得不到保證的小型企業(yè)加工，造成產(chǎn)品質(zhì)量沒(méi)有保證。就是國(guó)際著名制造商豪頓公司也聲明只有使用他們公司提供的U型螺栓才承諾產(chǎn)品質(zhì)量。因此，冷卻塔大型風(fēng)機(jī)中已經(jīng)很少采用U型螺栓作為緊固件。

2．2．2單板輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不安全

川維廠新區(qū)冷卻塔風(fēng)機(jī)輪轂結(jié)構(gòu)為單板結(jié)構(gòu)，采用U型螺栓固定。冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，風(fēng)機(jī)荷載通過(guò)固定座及弧形壓蓋作用在逐漸腐蝕的U型螺栓上，U型螺栓產(chǎn)生松動(dòng)，不能很好地鎖緊葉片。U型螺栓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是不可能與弧形壓蓋很好貼合，導(dǎo)致U型螺栓不能均衡受力。在這種情況下，葉片擺動(dòng)產(chǎn)生的巨大沖擊力往往作用在螺栓與輪轂接觸處或葉片固定座與弧形壓蓋結(jié)合處，導(dǎo)致U型螺栓發(fā)生斷裂?？紤]到安全因素，目前我國(guó)冷卻塔大型風(fēng)機(jī)中已很少使用單板輪轂結(jié)構(gòu)，在小型風(fēng)機(jī)中也在逐漸淘汰，更多的采用雙夾板輪轂結(jié)構(gòu)。

2．2．3葉片固定座和弧形壓蓋設(shè)計(jì)存在缺陷

葉片固定座（見(jiàn)圖2）上部為一弧形壓蓋，內(nèi)環(huán)加工粗糙，下部焊接有三塊很小的金屬塊，金屬塊外層為玻璃鋼材料，并用兩顆螺栓固定在輪轂板上起定位作用。葉柄上用一塊弧形壓蓋壓住，用三顆U型螺栓固定風(fēng)機(jī)葉片。固定座上的玻璃鋼材料在風(fēng)機(jī)運(yùn)行中會(huì)逐漸損壞，風(fēng)機(jī)葉片在風(fēng)機(jī)運(yùn)行氣流作用下產(chǎn)生擺動(dòng)，并將交變荷載通過(guò)弧形壓蓋傳遞給U型螺栓，沖擊性受力部位主要集中在螺栓與輪轂接觸部位或葉片固定座與弧形壓蓋結(jié)合部位，造成U型螺栓斷裂，這與川維廠現(xiàn)場(chǎng)U型螺栓斷裂部位一致。

圖2 葉片固定支座

2．2．4 U型螺栓腐蝕嚴(yán)重

U型螺栓材質(zhì)為35CrMo，螺帽材質(zhì)為304不銹鋼。川維廠新區(qū)循環(huán)水濃縮倍數(shù)在7左右，在蒸汽濕熱環(huán)境中，螺桿與螺帽直接產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，使U型螺栓螺紋段銹蝕嚴(yán)重，一方面降低了螺栓強(qiáng)度，另一方面螺紋腐蝕后風(fēng)機(jī)葉片擺動(dòng)增大，螺栓受交變荷載下的沖擊力，在疲勞應(yīng)力下發(fā)生脆性斷裂。

2．2．5不銹鋼傳動(dòng)軸平衡塊掉落增大了風(fēng)機(jī)振動(dòng)

冷卻塔風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸為304不銹鋼材質(zhì)，風(fēng)機(jī)廠家出廠前進(jìn)行動(dòng)平衡校正時(shí)，在不銹鋼傳動(dòng)軸內(nèi)壁采用不銹鋼塊進(jìn)行平衡，風(fēng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，不銹鋼塊掉落，破壞了風(fēng)機(jī)整體平衡，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動(dòng)增大，加速了U型螺栓斷裂。

2.3 U型螺栓與弧形壓蓋之間縫隙較大

U型螺栓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是U型螺栓不可能與弧形壓蓋很好貼合。造成U型螺栓與弧形壓蓋存在較大縫隙的原因有兩方面，一方面是弧形壓蓋和U型螺栓加工比較粗糙，兩者之間不能緊密貼合；另一方面是U型螺栓安裝時(shí)未對(duì)稱安裝，致使U型螺栓與弧形壓蓋之間產(chǎn)生縫隙。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，葉片產(chǎn)生的荷載無(wú)法通過(guò)摩擦力傳遞給固定座和弧形壓蓋，并分散傳遞到U型螺栓上。同一葉片三顆U型螺栓與弧形壓蓋之間的縫隙和貼合的緊密程度有較大差異，三顆U型螺栓受力相差很大，同一顆螺栓各部位也不是均衡受力，而是集中在螺栓與輪轂接觸部位或葉片固定座與壓蓋結(jié)合部位，導(dǎo)致U型螺栓在該部位發(fā)生斷裂。

2.4 葉尖與風(fēng)筒之間距離達(dá)不到安裝要求

根據(jù)廠家說(shuō)明書(shū)，葉片尖部與風(fēng)筒距離應(yīng)控制在30mm～45mm之間，而實(shí)際情況是距離過(guò)小，玻璃鋼風(fēng)筒不是一個(gè)完整的圓組成，而往往是由8～12片拼接而成，葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中在拼接處由于葉尖與風(fēng)筒距離的變化，很容易在風(fēng)筒和葉片之間產(chǎn)生一個(gè)激振力，如果葉尖與風(fēng)筒距離過(guò)小，這個(gè)激振力就會(huì)很大，引起振動(dòng)增大。加之戶外風(fēng)筒在風(fēng)吹日曬作用下產(chǎn)生變形，使葉尖擦掛風(fēng)筒，反復(fù)接觸擦掛并將擦掛力通過(guò)葉柄傳遞到U型螺栓上，導(dǎo)致U型螺栓承受很大的交變附加載荷，當(dāng)附加載荷與原載荷疊加到達(dá)一定數(shù)量時(shí)就發(fā)生螺栓斷裂。如果距離過(guò)大，葉片工作面與吸力面之間的壓力差使得一部分氣流越過(guò)葉尖間隙，形成泄露渦，該泄漏渦會(huì)堵塞主流，對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的性能產(chǎn)生較大影響[2]。川維廠新區(qū)風(fēng)機(jī)U型螺栓斷裂后，對(duì)全部冷卻塔風(fēng)機(jī)葉尖與風(fēng)筒距離進(jìn)行了核實(shí)，部分風(fēng)機(jī)葉尖與風(fēng)筒距離僅有22mm，達(dá)不到廠家說(shuō)明書(shū)規(guī)定的要求。

圖3為風(fēng)機(jī)葉尖與風(fēng)筒不同距離下的p-Q性能曲線，從中可以看出，在風(fēng)量一定時(shí)，冷卻塔風(fēng)機(jī)葉尖與風(fēng)筒之間距離越大，軸流風(fēng)機(jī)全壓越小。因此，必須將風(fēng)機(jī)葉尖與風(fēng)筒之間距離保持在一定范圍內(nèi)。

圖3 不同距離下的p-Q性能曲線

3 防止冷卻塔風(fēng)機(jī)螺栓斷裂的措施

3.1 輪轂結(jié)構(gòu)改用雙夾板輪轂結(jié)構(gòu)

雙夾板輪轂結(jié)構(gòu)葉片固定采用金屬固定座，用35CrMo雙頭直螺栓連接（見(jiàn)圖4），螺栓上加彈性墊圈，降低交變荷載對(duì)螺栓的不利影響。雙夾板輪轂結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是安全系數(shù)高，當(dāng)瞬間載荷很大時(shí)，雙夾板的剛性結(jié)構(gòu)能夠阻止葉柄翹曲，可以避免螺栓受力大于預(yù)緊力使螺栓松脫。改造后，金屬固定座能夠很好地鎖緊風(fēng)機(jī)葉片，葉片與金屬固定座之間貼合緊密，風(fēng)機(jī)運(yùn)行荷載通過(guò)金屬固定座以摩擦力方式傳遞到上下夾板上，這就表明，在螺栓鎖緊上下夾板時(shí)，風(fēng)機(jī)荷載產(chǎn)生的水平方向作用力主要由上下夾板承擔(dān)，避免對(duì)螺栓產(chǎn)生剪切力。為防止螺栓松動(dòng)，定期對(duì)螺栓緊固、腐蝕情況進(jìn)行檢查和整改。

圖4 改造后的風(fēng)機(jī)輪轂結(jié)構(gòu)

3.2 更換不銹鋼傳動(dòng)軸為碳纖維傳動(dòng)軸

碳纖維傳動(dòng)軸重量輕，強(qiáng)度高，不易產(chǎn)生彎曲變形，相同條件下重量只有不銹鋼傳動(dòng)軸的四分之一，強(qiáng)度是不銹鋼的兩倍。不銹鋼傳動(dòng)軸更換為碳纖維傳動(dòng)軸后，消除了不銹鋼傳動(dòng)軸平衡塊掉落產(chǎn)生的不平衡問(wèn)題，降低了冷卻塔風(fēng)機(jī)振動(dòng)，從而減小了風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)螺栓的作用力。

3.3 調(diào)整葉尖與風(fēng)筒之間距離

川維廠新區(qū)冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)筒由12塊玻璃鋼弧形塊組裝而成，玻璃鋼弧形塊由不銹鋼螺栓連接。重新檢查葉片尖部與風(fēng)筒距離，按照冷卻塔風(fēng)機(jī)說(shuō)明書(shū)規(guī)定的要求調(diào)整為30mm～45mm，并定期檢查，在保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全前提下提高風(fēng)機(jī)效率。

4 強(qiáng)度校核

4.1 風(fēng)機(jī)型號(hào)及主要參數(shù)

風(fēng)機(jī)型號(hào)及主要參數(shù)如下所示：

（1）風(fēng)機(jī)型號(hào)：9754BXZ08-4430SB5

（2）固定座型號(hào)：GDZ-5(材質(zhì)6061T5)

（3）風(fēng)機(jī)直徑D＝9．754m

（4）轉(zhuǎn)速n=109r/min

（5）葉片數(shù)k=8

（6）有效功率W=140 kW

（7）風(fēng)機(jī)全壓H=202 Pa

（8）單個(gè)葉片質(zhì)量m=65kg

（9）螺栓直徑d=24mm

4.2 強(qiáng)度計(jì)算

4．2．1作用在葉片上的載荷

圖5所示是作用在冷卻塔風(fēng)機(jī)葉片上的載荷。

圖5 風(fēng)機(jī)葉片垂直及旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)載荷圖

單塊葉片重力：

G=65×9．8＝637N（1）

葉片氣動(dòng)壓力：

旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)葉片承受的外載荷：

離心力：

其中，Ω為角速度。

由電機(jī)功率計(jì)算出葉片承受的扭矩：

葉片的氣動(dòng)力中心RT=0.7R=3.41m，所以一個(gè)葉片所受氣動(dòng)阻力X阻為：

4.2.2 固定座受力分析

(1)、(2)兩式表述的是垂直平面內(nèi)葉片所承受的外荷載，(3)、(5)兩式表述的是旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)葉片所承受的外荷載。由此可以計(jì)算出葉片所受力矩：

葉片重力矩：

壓力矩：

由公式(3)、(5)和圖5，可得固定座旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的外力和力矩：

離心力：N=20639N

阻力：X阻=449N

阻力矩：

公式(1)、(2)、(6)、(7)是固定座在垂直平面內(nèi)的受力和力矩。

公式(3)、(5)、(8)是固定座在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的受力和力矩。

固定座承受的外載，將全部傳遞到輪轂上，即傳遞到上下夾板上，上下夾板承受這些作用力的同時(shí)，它將以大小相同，方向相反的方式反作用在固定座上，成為固定座上的支反力。只要求得上下夾板承受的力和力矩，也就是求得了固定座的支反力[3]。

圖6 固定座上的支反力

先計(jì)算垂直平面上的力，如圖6(a)所示，重力矩MG和壓力矩MT通過(guò)固定座與上下夾板的壓力進(jìn)行傳遞，此時(shí)支反力為和。

再分析旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的力和力矩，如圖6(b)所示，螺栓壓緊力使上下夾板緊緊壓住固定座，由此產(chǎn)生的摩擦力平衡X阻和MX。

離心力N是通過(guò)摩擦傳遞，支反力為N/2。

固定座通過(guò)4個(gè)螺栓附近的摩擦力矩、平衡阻力矩MX，可得摩擦力：

4.2.3 螺栓強(qiáng)度校核

夾板垂直平面上受力，由(9)、(10)式得：

（13）

夾板旋轉(zhuǎn)平面上受力，由(11)、(12)式得：

（14）

若產(chǎn)生F水平大小的摩擦力，螺栓的拉緊力F為：

式中f是摩擦因數(shù)。

每一個(gè)螺栓受拉應(yīng)力為：

式中d=24mm。

其中：M24高強(qiáng)度螺栓抗拉強(qiáng)度σb＝600MPa

由式(16)和(17)可看出，螺栓可以承受工作中的擠壓載荷，安全因數(shù)為12.3，螺栓強(qiáng)度是安全的。

5 取得的效果

(1)冷卻塔風(fēng)機(jī)采用雙夾板輪轂結(jié)構(gòu)能夠保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行，2013年4月改造完成投運(yùn)后再?zèng)]有發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂。

(2)風(fēng)機(jī)振動(dòng)值大幅度下降，平均比改造前降低一倍（見(jiàn)表2），有力的保證了風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

表2 改造前后風(fēng)機(jī)振動(dòng)值對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上分析表明，軸流風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸平衡塊掉落、葉尖與風(fēng)筒之間距離偏小導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動(dòng)增加并產(chǎn)生附加荷載，通過(guò)固定座和弧形壓蓋作用在U型螺栓上；輪轂結(jié)構(gòu)及葉片固定方式設(shè)計(jì)不合理、U型螺栓腐蝕導(dǎo)致U型螺栓與弧形壓蓋之間產(chǎn)生縫隙，螺栓產(chǎn)生松動(dòng)且受力不均；風(fēng)機(jī)荷載及附加荷載對(duì)U型螺栓產(chǎn)生巨大沖擊力導(dǎo)致U型螺栓斷裂。

采用雙夾板輪轂結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行荷載產(chǎn)生的水平力由固定座與上下夾板的摩擦力承擔(dān)，螺栓主要承受豎向拉力；只要螺栓有足夠的預(yù)緊力，不發(fā)生松動(dòng)，則螺栓不會(huì)承受剪切力。經(jīng)過(guò)螺栓抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算，安全因數(shù)為12.3，表明螺栓是安全的。

改造后，冷卻塔風(fēng)機(jī)振動(dòng)值減小了一倍，2013年4月運(yùn)行至今未發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂。實(shí)踐證明，針對(duì)U型螺栓斷裂采取的措施是成功的。

[1]莊鎖良,李江.循環(huán)水涼水塔風(fēng)扇緊固螺栓斷裂原因分析[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2002,19(5):33-34.

[2]王軍,姚瑞鋒,劉靜,等.低壓軸流風(fēng)機(jī)葉頂間隙對(duì)葉尖渦及外部性能的影響研究[J].流體機(jī)械,2011,39(9):26-29.

[3]朱宏奇.冷卻塔風(fēng)機(jī)葉片固定座結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息,2011,15(24):188-189.

Causes of fracture of U-bolts of fans in cooling towers and its solutions

CHE Huai-yong
(Sinopec Sichuan Vinylon Works,Chongqing 401220,China)

High-strength U-bolts of fans in the cooling towers fractured after working for 3000 hours.It was found that the fracture happened in the place of shearing,and the fracture surfaceswere flush with each other.The reason was that there were flaws of the design of the hub structure,which led to the loosening U-bolts under alternating loads and the increased shearing force during fans'running,resulting in U-bolts brittle fracture.Double plate hub structure was adopted to solve the problem,in which the bolts would't loose at high loads and could lock bladeswell to reduce the brunt generated by the blades'shaking.After improvement,the vibration value of fanswas reduced by half,and no bolt fracture happened during 18months of running.

cooling tower fan;U-bolt;shearing force;brittle fracture;double plate hub

TQ05

B

1001-9219(2015）02-58-05

2014-12-04；作者簡(jiǎn)介：車(chē)懷勇（1978-），男，工程碩士，電話023-68977645，電郵chyccccc@163．com。