周 波
(大唐河北發(fā)電有限公司馬頭熱電分公司,河北 邯鄲 056044)
大唐河北發(fā)電有限公司馬頭熱電分公司9、10號機組脫硫設施為每爐配置1套石灰石-石膏濕法脫硫裝置,每座吸收塔漿液循環(huán)系統(tǒng)設置四層噴淋裝置,各配備 A、B、C、D 4臺漿液循環(huán)泵(簡稱“泵”)。電機與泵之間采用減速機連接傳動,減速機的主動軸與齒輪采用鍵連接。減速機的主要銘牌參數(shù)見表1。
表1 減速機的主要銘牌參數(shù)
自2010年脫硫系統(tǒng)試運通過后的1年多時間里,9、10號機組A、B、C 6臺泵的減速機共發(fā)生8次主動軸斷裂或出現(xiàn)裂紋的故障,壽命周期僅為半年左右。在入口二氧化硫濃度超設計值時,脫硫效率難以保證,導致出口煙氣二氧化硫濃度超標排放。D泵減速機至今運行正常。
2010年9月4日15:32,運行人員發(fā)現(xiàn)9B泵的電流由48A升至53A后突降至18A,入口壓力由82kPa升至100kPa,停止9B泵運行。打開減速機上蓋檢查,發(fā)現(xiàn)減速機主動軸在小齒輪內部斷裂,斷口在軸齒輪內部鍵槽處,斷口截面從軸中心向外擴散(見圖1)。
圖1 9B泵減速機主動軸斷裂
2011年6月15日5時15分,運行人員發(fā)現(xiàn)10B泵啟動后掉閘,對減速機進行解體開蓋檢查發(fā)現(xiàn),主動軸出現(xiàn)裂紋,位于與齒輪安裝連接的鍵槽部位,裂紋沿軸肩部位延伸至4號軸承端(見圖2)。
圖2 10B泵減速機主動軸裂紋
查看10B泵減速機主動軸斷裂前各部位振動值及溫度均在正常范圍內,未發(fā)現(xiàn)異常波動和超標情況。
調閱減速機10B泵減速機主動軸斷裂前后的電流曲線:啟動時間為6月15日05:15:51,啟動最大電流119.3A;05:16:05電流降至額定54A(電流恢復時間、電流值與正常啟動運行時相同);05:16:21電流突升至100A;05:16:40電流降至空載電流25.6A(空載維持時間7s):05:16:48電流降至0。根據電流曲線可以看出,10B泵啟動后經14s恢復額定電流后,電流突升至100A,然后降至接近空載電流,符合斷軸瞬間變化曲線(見圖3)。
圖3 主動軸斷裂前后10B泵運行曲線
一般情況下,設備的設計都是按理論值計算的,但因設備的使用場合、環(huán)境、工作時間等都不相同,所以要將理論值乘一個系數(shù),以確保設備的安全使用,這個系數(shù)就叫工況系數(shù)。
減速機的工況系數(shù)等于減速機設計的額定功率除以應用功率,計算得出A、B、C、D泵減速機設計工況系數(shù)分別為1.79、1.59、1.70、2.10。A、B、C泵減速機的工況系數(shù)均較D泵小,而D泵減速機至今未發(fā)生斷軸事件,因此懷疑A、B、C泵減速機的工況系數(shù)設計不合理,特別是在頻繁帶載啟停運行方式下,減速機主動軸頻繁受交變力沖擊,主動軸齒輪鍵槽位置是應力的集中區(qū)域,從而造成主動軸產生疲勞損傷并逐步向基體內擴展,截面有效承載面積逐漸減小最終發(fā)生斷裂現(xiàn)象。
為進一步驗證減速機主動軸的工況系數(shù)設計是否合理,利用扭轉強度對主動軸進行校核,計算出主動軸的最小直徑。
由實心圓軸扭轉強度條件公式
式中:τ為軸的剪應力,MPa;T為扭矩,N·mm;Wρ為抗扭截面系數(shù),mm3;對圓截面Wρ=πd3/16≈0.2d3;P為軸傳遞的功率,kW;n為軸的轉速,r/min;d為軸的直徑,mm;[τ]為許用切應力,MPa。
對于轉軸,可將式(1)簡化為:
式中:A為由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)。機械設計手冊中給出的幾種常用材料的A值見表2。
表2 幾種常用材料的A值
在下述情況時,A取較小值,彎矩較小或只受扭矩作用、載荷較平穩(wěn)、無軸向載荷或只有較小的軸向載荷、減速機的低速軸、軸只做單向旋轉;反之,A取較大值,直徑≤100mm的軸,有1個鍵槽時,軸徑增大5%~7%,有2個鍵槽時,應增大10%~15%[1]。
由于減速機主動軸為高速軸,且泵進行反沖時減速機也反轉,其材質為35SiMn,故A選取較大值為112。并且主動軸上有1個鍵槽,其軸徑應至少增加5%,將應用功率與轉速代入公式(2)計算得出各減速機主動軸的最小軸徑:dA≥84.98mm,dB≥88.38mm,dC≥88.38mm,dD≥91.98mm。
除D泵減速機主動軸軸徑為100mm外,A、B、C泵減速機主動軸軸徑設計均為80mm,無法滿足最小軸徑的要求,進一步驗證了設計工況系數(shù)選擇偏小,無法滿足實際運行需要。因此在重載頻繁啟停的情況下,減速機主動軸出現(xiàn)疲勞損傷并逐步擴大,最終導致主動軸斷裂。
由于減速機主動軸頻繁斷裂的主要原因是主動軸軸徑設計不合理,工況系數(shù)選擇偏低,因此需要對現(xiàn)有的A、B、C泵減速機進行改型,增加主動軸軸徑尺寸,確保在重載工況下的抗疲勞強度。
為了有效利用現(xiàn)有減速機的基礎,綜合考慮,將A、B、C泵減速機主動軸軸徑增加至100mm,同時主(從)動軸與齒輪的連接方式改為齒輪軸形式;增大齒輪模數(shù)及齒寬,增加齒輪強度。改型后的減速機的主要銘牌參數(shù)如表3所示。
表3 改型后減速機的主要銘牌參數(shù)
改型后的A、B、C泵減速機工況系數(shù)分別達到了2.31、2.06、2.19,主動軸軸徑均滿足大于最小軸徑的要求,能夠適應工作需求。
2011年10月對10號機組A、B、C 3臺泵的減速機進行了改型,截止目前,改型后的減速機運行狀態(tài)良好,停備后開蓋檢查主動軸和齒輪,沒有發(fā)現(xiàn)異常,初步判定改造方案可行。長期運行效果還有待時間檢驗。
隨著國家環(huán)保政策的日趨嚴格,要求發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)可靠運行達到與主機同等重要的地位。漿液循環(huán)泵減速機改型后,不僅可以延長其運行周期,避免因設備異常損壞造成二氧化硫排放濃度的超標,而且還可以有效減少污染物排放總量,符合當前國家環(huán)保要求,有助于電廠的長遠發(fā)展。
[1] 成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2008.