多噴嘴氣化裝置撈渣機圓環(huán)鏈及配套輪系改造

李振家

(陜西未來能源化工有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引 言

兗礦集團陜西未來能源化工有限公司(簡稱未來能化)多噴嘴水煤漿加壓氣化裝置設(shè)有8臺氣化爐(六開兩備)，配套8臺撈渣機，擔負著氣化廢渣的處理工作，其運行穩(wěn)定與否直接關(guān)系著整個系統(tǒng)的運行周期及生產(chǎn)狀況。從系統(tǒng)設(shè)備布局來看，原工藝設(shè)計時因考慮環(huán)保及清潔文明生產(chǎn)方面的要求，未設(shè)計直排渣池，而是2臺撈渣機之間通過旁路互聯(lián)保障氣化爐的正常排渣。這種設(shè)計有一定的獨到之處，但總有意外情況發(fā)生，實際運行中出現(xiàn)過一些狀況，例如：相聯(lián)通的兩系統(tǒng)同時運行的工況下，當一臺撈渣機出現(xiàn)問題通過聯(lián)通管(下渣管三通閥)切換至另一臺撈渣機時，可能由于渣量大使得原本正常運行的撈渣機因超電流而跳車，為避免跳車系統(tǒng)只能降負荷運行；另一種情況是，相聯(lián)通的撈渣機正處于檢修狀態(tài)而無法切換，被迫停車倒爐，給氣化裝置的生產(chǎn)造成較大損失和被動。從設(shè)備結(jié)構(gòu)形式來看，撈渣機主動輪與圓環(huán)鏈配合因結(jié)構(gòu)形式形成“提升式”鏈傳動，其配合接觸面積小、壓應(yīng)力大的同時伴隨滑動摩擦，鏈條、主動輪磨損嚴重，尤其是隨著系統(tǒng)“擴產(chǎn)增容”的實施[通過委托設(shè)計單位充分核算工藝、設(shè)備原始設(shè)計情況，在保證安全的前提下給出系統(tǒng)最高產(chǎn)能的建議，然后未來能化根據(jù)系統(tǒng)的生產(chǎn)實際于2020年逐步進行調(diào)整，包括：煤漿濃度由58%提升至62%，單臺氣化爐精制氣(即凈化氣或精制原料氣)產(chǎn)量由約130 000 m3/h提升至140 000 m3/h、單燒嘴氧量由12 500 m3/h提升至14 500 m3/h，系統(tǒng)壓力由3.8 MPa提升至4.0～4.1 MPa，等等]，工藝條件變化(系統(tǒng)負荷高、渣量大)后，撈渣機長期處于高負荷運行狀態(tài)，即撈渣機結(jié)構(gòu)形式及工況方面的原因使得其運行中不可避免地出現(xiàn)磨損拉伸而造成兩端鏈條不等長，進而導致刮板傾斜、鏈條脫輪等故障，以及鏈條主動輪磨損速率加快而使用壽命大幅縮減的問題，若維持現(xiàn)狀使用，則會使系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行受到極大的困擾及帶來不確定性。簡言之，撈渣機圓環(huán)鏈與其配套輪系傳動方式已不能適應(yīng)新的工況，成為系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行的主要瓶頸問題。

為避免上述各類事故的發(fā)生，提高撈渣機運行的可靠性，有必要通過優(yōu)化技改逐步消除不良影響因素及隱患，提升撈渣機運行穩(wěn)定性以促進其運行周期的延長，盡量減少或避免事故發(fā)生，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的長周期、穩(wěn)定運行。以下對有關(guān)情況作一簡介。

1 撈渣機圓環(huán)鏈結(jié)構(gòu)性缺點分析

高耐磨圓環(huán)鏈因其結(jié)構(gòu)簡單、較強的耐磨性及較長的使用壽命等特點，使其成為撈渣機使用的主流應(yīng)用鏈條，是撈渣機的核心部件。但由于圓環(huán)鏈結(jié)構(gòu)特點及運行環(huán)境(氣化渣硬度高、渣水具腐蝕性)等方面的原因，使得鏈條及配套輪系運行中易磨損而出現(xiàn)鏈條拉長、兩側(cè)刮板偏斜、脫鏈甚至斷鏈、運行周期短等狀況。經(jīng)總結(jié)與梳理，撈渣機圓環(huán)鏈主要缺點如下。

(1)運行結(jié)構(gòu)缺點：平環(huán)與立環(huán)由圓鋼卷制加工，二者平、立連接配合處形成點接觸，運行中鏈條浸泡于渣水中，經(jīng)過主動輪、回程耐磨板、托輪時產(chǎn)生抖動起伏并伴有滑動摩擦，受力過于集中，加劇接觸點滲碳層磨損；圓環(huán)鏈與主動輪配合運行過程中因其結(jié)構(gòu)特點，鏈節(jié)與主動輪弧面接觸傳動形成“提升式”鏈傳動，接觸面積小、壓應(yīng)力大，易導致局部磨損嚴重，長時間運行磨損后同時伴隨滑動摩擦，圓環(huán)鏈的接觸點磨損、自身制造偏差積累及鏈條磨損后自身拉長等原因造成雙邊鏈條的不等長、刮板跑偏、脫輪甚至斷鏈等常見故障出現(xiàn)。

(2)結(jié)構(gòu)屬性缺點：不可拆卸，鏈條磨損拉伸后需氣焊截取鏈節(jié)再接鏈環(huán)恢復，檢修時間長，備件費用高，且對系統(tǒng)穩(wěn)定運行影響大。

2 改造的必要性

撈渣機圓環(huán)鏈由于其結(jié)構(gòu)特點，其磨損特性突出——由于受力點集中，長期運行后兩鏈節(jié)點接觸處表層熱處理耐磨層快速磨損，運行一段時間(3～4個周期，約9 000 h)后抗拉能力減弱而鏈條拉長，當漲緊系統(tǒng)不能有效調(diào)整時則需截鏈節(jié)調(diào)整。圓環(huán)鏈長期運行后，各部位磨損情況加劇惡化，圓環(huán)鏈不斷變長，加之兩側(cè)鏈條磨損不一致，造成兩側(cè)鏈條長度不等，漲緊后漲緊輪就會出現(xiàn)一側(cè)高一側(cè)低的情況,當漲緊輪兩側(cè)高低相差較大時，刮板通過則會出現(xiàn)一側(cè)刮板鉸叉先入較低位置的漲緊輪凹槽中，另一側(cè)刮板鉸叉繼續(xù)升高(上升期間未入到漲緊輪凹槽中)達到最高處，最后落入較高位置的漲緊輪凹槽中，而此時剛好為刮板通過尾部漲緊輪最高位置的時候，由于漲緊機構(gòu)、拖動機構(gòu)均為撈渣機主要受力機構(gòu)，其漲緊機構(gòu)垂直于撈渣機上底板，受力較大，而刮板與漲緊輪相對運動時為鋼性運動形式，此種情況下刮板通過漲緊輪時，總體來看呈現(xiàn)扭曲狀態(tài)，刮板扭曲導致鏈條不能及時進入漲緊輪凹槽中，繼而出現(xiàn)脫鏈現(xiàn)象。

撈渣機圓環(huán)鏈與主動輪配合運行，其“提升式”傳動方式使得傳動鏈節(jié)與主動輪接觸點受力集中，運行中伴有些微滑動摩擦等問題時易致磨損加劇，尤其是系統(tǒng)“擴產(chǎn)增容”后，撈渣機鏈條、主動輪使用壽命大幅縮減。以2#撈渣機為例，原始鏈條(第一套鏈條)使用周期為2015年8月—2018年5月，而第二套鏈條更換時間為2020年7月，統(tǒng)計撈渣機的有效運行時間，第二套鏈條比第一套鏈條有效運行時間縮短30%以上，撈渣機圓環(huán)鏈使用壽命明顯縮短，備件更換周期加快，檢修費用相應(yīng)增加(所用圓環(huán)鏈為國外進口產(chǎn)品，同類型鏈條中其質(zhì)量已屬最好，招標價每節(jié)310～320元，加配套接鏈環(huán)每套圓環(huán)鏈價值約25萬元)。

3 優(yōu)化技改

撈渣機作為煤氣化系統(tǒng)中重要的大型除渣設(shè)備，其核心結(jié)構(gòu)配置主要為鏈條與水下導輪，未來能化通過多年的運行維護總結(jié)，統(tǒng)計其事故率、備件費用約占整套設(shè)備的70%以上，故鏈條、水下導輪運行狀態(tài)及運行周期對撈渣機及氣化系統(tǒng)的運行有著極其重要的影響。此外，鏈條與水下導輪屬配合運行，單一強調(diào)鏈條或水下導輪的作用與實際情況不符，只有通過優(yōu)化技改，消除或弱化兩者的弊端，整體提升運行質(zhì)量，才能保障系統(tǒng)的穩(wěn)定、長周期運行。簡言之，改進撈渣機傳動方式并配合水下導輪技改，是現(xiàn)階段撈渣機運行瓶頸問題解決的較好方法。為此，計劃對撈渣機鏈條、輪系等進行系統(tǒng)性改造——使用模鍛鏈替代圓環(huán)鏈，并更換配套輪系、刮板。

3.1 模鍛鏈替代圓環(huán)鏈

設(shè)備廠家針對圓環(huán)鏈在撈渣機運行過程中表現(xiàn)出的不足進行了設(shè)計升級，從改變鏈條結(jié)構(gòu)形式、鏈節(jié)連接方式、刮板固定方式、傳動方式等方面著手，設(shè)計出替代圓環(huán)鏈的專用于撈渣機的模鍛一體成型耐磨抗拉伸新式鏈條——模鍛鏈。

3.1.1 模鍛鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)點

(1)運行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：鏈節(jié)之間采用銷軸連接，鏈板與銷軸之間柱面接觸(圓環(huán)鏈為點接觸)，受力均衡，不易磨損；鏈板受力截面大于圓環(huán)鏈，故而其抗拉強度、鏈條延伸率均優(yōu)于圓環(huán)鏈。

(2)結(jié)構(gòu)屬性優(yōu)化：鏈節(jié)之間采用銷軸連接，屬創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)，每條鏈節(jié)均可方便地拆卸更換，從而可縮短鏈節(jié)更換時間并免除動火作業(yè)，最大限度減少其對系統(tǒng)運行的影響。

3.1.2 增大接觸面積而降低壓應(yīng)力

圓環(huán)鏈鏈節(jié)之間為點接觸受力，單位面積承受壓力大；模鍛鏈鏈節(jié)之間為面接觸受力，同等拉力下單位面積所受壓力大幅降低，即增大受力面積相當于減小壓應(yīng)力：圓環(huán)鏈鏈節(jié)最初配合接觸處為點接觸，圓環(huán)鏈因運行磨損由點接觸逐步過渡至圓弧面接觸，當圓環(huán)鏈表面滲碳層(原厚度3 mm)磨損量約1 mm時，此時是圓環(huán)鏈最佳運行狀態(tài)(接觸面積增大，磨損速率減緩)，故以此設(shè)定為圓環(huán)鏈與模鍛鏈的比較節(jié)點——此時圓環(huán)鏈接觸面積以100%計，模鍛鏈接觸面積為270%，接近圓環(huán)鏈的3倍，況且模鍛鏈銷軸處設(shè)置密封結(jié)構(gòu)，基本上可避免灰渣浸入形成的磨損，從而可延長鏈條的使用壽命。

3.1.3 具有更大的破斷力

模鍛鏈與高耐磨圓環(huán)鏈破斷力對比試驗表明，現(xiàn)場使用的30 mm×108 mm圓環(huán)鏈破斷力約為565 kN，模鍛鏈破斷力約為802 kN，即模鍛鏈更大的破斷力可使撈渣機運行中出現(xiàn)鏈條卡澀時其抗拉斷能力更強，從而增強撈渣機運行的穩(wěn)定性。

3.2 水下導輪改造

撈渣機水下導輪在整套設(shè)備中占有極其重要的地位，而水下導輪軸封一直以來均采用油封組合密封，由于運行環(huán)境惡劣(浸泡于渣水之中)，油封組合密封軸頸磨損較快，通常使用壽命為氣化爐的2個運行周期，即6個月左右。水下導輪軸磨損后，渣水滲透密封而進入軸承箱，破壞軸承運轉(zhuǎn)，鏈條與導輪由轉(zhuǎn)動配合變?yōu)榛瑒?，致使鏈條、導輪磨損加劇，嚴重時導致鏈條脫輪(設(shè)備過載跳車)，被迫停車處理；水下導輪軸磨損后，檢修措施基本上是更換新軸或堆焊硬化磨損軸徑，沒有太多的選擇余地，檢修頻繁且費用高?？梢?，水下導輪軸間密封是薄弱環(huán)節(jié)，要從根本上延長水下導輪的運行周期、維持其運行穩(wěn)定性，軸間密封改造是關(guān)鍵。

未來能化氣化車間通過試驗性改造并經(jīng)運行驗證，以機械密封替代油封密封，可避免油封與軸徑直接配合磨損的問題，可解決水下導輪運行周期短及穩(wěn)定性方面的問題，可防止灰渣侵入而致的軸承失效，從而可達到延長軸承使用周期而穩(wěn)定撈渣機運行的目的。此外，在水下導輪軸封優(yōu)化設(shè)計之初，機械密封選擇的是“沖洗水式軸封結(jié)構(gòu)”，但在安裝試用過程中因沖洗水壓力不穩(wěn)定及沖洗水管配置而使得現(xiàn)場復雜繁瑣，工藝操作不方便，考慮到水下導輪轉(zhuǎn)速較低(20～30 r/min)、渣水為常壓、動靜環(huán)密封面對渣水中顆粒不是高敏感等因素，最終選用了“免沖洗機封水下導輪”。

4 改造效果

(1)2019年7月先行選擇1臺撈渣機進行“免沖洗機封水下導輪”改造，改造后水下導輪運行狀況良好，無拆檢運行累計長達11 000 h且仍在正常使用，相較于改造前采用的油封組合密封，其運行周期達4倍以上，極大地減少了水下導輪的維修費用。至2021年5月，其余7臺撈渣機全部完成“免沖洗機封水下導輪”改造，為撈渣機的長周期、穩(wěn)定運行奠定了堅實基礎(chǔ)。

(2)2021年5月，未來能化6#撈渣機“模鍛鏈及其輪系”綜合改造完成，并運行至2021年9月系統(tǒng)停車檢修，期間撈渣機運行狀況良好——現(xiàn)場觀察到撈渣機運行平穩(wěn)，模鍛鏈與主動輪輪齒配合平滑有序、過渡自然(減少了圓環(huán)鏈運行時的頓挫抖動感)，與未改造撈渣機運行狀況對比，模鍛鏈運行優(yōu)勢較為明顯，可以預(yù)見其運行周期將會有較大的提升，實際運行驗證模鍛鏈替代圓環(huán)鏈是完全可行的。緊接著，第2臺撈渣機“模鍛鏈及其輪系”綜合改造于2021年6月完成。先行完成2臺撈渣機“模鍛鏈及其輪系”綜合改造的主要目的是進行運行檢驗與確認，2022年將逐步完成其余6臺撈渣機的“模鍛鏈及其輪系”綜合改造。

5 結(jié)束語

未來能化撈渣機圓環(huán)鏈改模鍛鏈以及水下導輪軸封由油封組合密封改為免沖洗機封實施后，保證了撈渣機的穩(wěn)定、長周期運行，降低了撈渣機的運維成本，消除了氣化系統(tǒng)的生產(chǎn)隱患，改造的成功實施對目前業(yè)內(nèi)普遍使用的圓環(huán)鏈撈渣機來說具有極大的參考價值，對“進口備件國產(chǎn)化”也起到了積極的引領(lǐng)及示范作用。當然了，作為煤化工行業(yè)第一家成功改造撈渣機的企業(yè)，還有許多問題需要面對，生產(chǎn)經(jīng)驗也需逐步進行總結(jié)，以進一步優(yōu)化改進，挖掘設(shè)備潛力，保障氣化系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)運行。