湿法脱硫浆液循环泵减速机频繁故障的原因分析及解决措施

周 波

（大唐河北发电有限公司马头热电分公司，河北 邯郸 056044）

1 设备概况

大唐河北发电有限公司马头热电分公司9、10号机组脱硫设施为每炉配置1套石灰石－石膏湿法脱硫装置，每座吸收塔浆液循环系统设置四层喷淋装置，各配备 A、B、C、D 4台浆液循环泵（简称“泵”）。电机与泵之间采用减速机连接传动，减速机的主动轴与齿轮采用键连接。减速机的主要铭牌参数见表1。

表1 减速机的主要铭牌参数

2 存在的问题

自2010年脱硫系统试运通过后的1年多时间里，9、10号机组A、B、C 6台泵的减速机共发生8次主动轴断裂或出现裂纹的故障，寿命周期仅为半年左右。在入口二氧化硫浓度超设计值时，脱硫效率难以保证，导致出口烟气二氧化硫浓度超标排放。D泵减速机至今运行正常。

3 原因分析

3.1 外观检查情况

2010年9月4日15：32，运行人员发现9B泵的电流由48A升至53A后突降至18A，入口压力由82kPa升至100kPa，停止9B泵运行。打开减速机上盖检查，发现减速机主动轴在小齿轮内部断裂，断口在轴齿轮内部键槽处，断口截面从轴中心向外扩散（见图1）。

图1 9B泵减速机主动轴断裂

2011年6月15日5时15分，运行人员发现10B泵启动后掉闸，对减速机进行解体开盖检查发现，主动轴出现裂纹，位于与齿轮安装连接的键槽部位，裂纹沿轴肩部位延伸至4号轴承端（见图2）。

图2 10B泵减速机主动轴裂纹

3.2 断裂前后的减速机运行状况

查看10B泵减速机主动轴断裂前各部位振动值及温度均在正常范围内，未发现异常波动和超标情况。

调阅减速机10B泵减速机主动轴断裂前后的电流曲线：启动时间为6月15日05：15：51，启动最大电流119.3A；05：16：05电流降至额定54A（电流恢复时间、电流值与正常启动运行时相同）；05：16：21电流突升至100A；05：16：40电流降至空载电流25.6A（空载维持时间7s）：05：16：48电流降至0。根据电流曲线可以看出，10B泵启动后经14s恢复额定电流后，电流突升至100A，然后降至接近空载电流，符合断轴瞬间变化曲线（见图3）。

图3 主动轴断裂前后10B泵运行曲线

3.3 工况系数分析

一般情况下，设备的设计都是按理论值计算的，但因设备的使用场合、环境、工作时间等都不相同，所以要将理论值乘一个系数，以确保设备的安全使用，这个系数就叫工况系数。

减速机的工况系数等于减速机设计的额定功率除以应用功率，计算得出A、B、C、D泵减速机设计工况系数分别为1.79、1.59、1.70、2.10。A、B、C泵减速机的工况系数均较D泵小，而D泵减速机至今未发生断轴事件，因此怀疑A、B、C泵减速机的工况系数设计不合理，特别是在频繁带载启停运行方式下，减速机主动轴频繁受交变力冲击，主动轴齿轮键槽位置是应力的集中区域，从而造成主动轴产生疲劳损伤并逐步向基体内扩展，截面有效承载面积逐渐减小最终发生断裂现象。

3.4 主动轴的扭转强度计算

为进一步验证减速机主动轴的工况系数设计是否合理，利用扭转强度对主动轴进行校核，计算出主动轴的最小直径。

由实心圆轴扭转强度条件公式

式中：τ为轴的剪应力，MPa；T为扭矩，N·mm；Wρ为抗扭截面系数，mm3；对圆截面Wρ＝πd3/16≈0.2d3；P为轴传递的功率，kW；n为轴的转速，r/min；d为轴的直径，mm；［τ］为许用切应力，MPa。

对于转轴，可将式（1）简化为：

式中：A为由轴的材料和承载情况确定的常数。机械设计手册中给出的几种常用材料的A值见表2。

表2 几种常用材料的A值

在下述情况时，A取较小值，弯矩较小或只受扭矩作用、载荷较平稳、无轴向载荷或只有较小的轴向载荷、减速机的低速轴、轴只做单向旋转；反之，A取较大值，直径≤100mm的轴，有1个键槽时，轴径增大5%～7%，有2个键槽时，应增大10%～15%［1］。

由于减速机主动轴为高速轴，且泵进行反冲时减速机也反转，其材质为35SiMn，故A选取较大值为112。并且主动轴上有1个键槽，其轴径应至少增加5%，将应用功率与转速代入公式（2）计算得出各减速机主动轴的最小轴径：dA≥84.98mm，dB≥88.38mm，dC≥88.38mm，dD≥91.98mm。

除D泵减速机主动轴轴径为100mm外，A、B、C泵减速机主动轴轴径设计均为80mm，无法满足最小轴径的要求，进一步验证了设计工况系数选择偏小，无法满足实际运行需要。因此在重载频繁启停的情况下，减速机主动轴出现疲劳损伤并逐步扩大，最终导致主动轴断裂。

4 解决措施及效果

由于减速机主动轴频繁断裂的主要原因是主动轴轴径设计不合理，工况系数选择偏低，因此需要对现有的A、B、C泵减速机进行改型，增加主动轴轴径尺寸，确保在重载工况下的抗疲劳强度。

为了有效利用现有减速机的基础，综合考虑，将A、B、C泵减速机主动轴轴径增加至100mm，同时主（从）动轴与齿轮的连接方式改为齿轮轴形式；增大齿轮模数及齿宽，增加齿轮强度。改型后的减速机的主要铭牌参数如表3所示。

表3 改型后减速机的主要铭牌参数

改型后的A、B、C泵减速机工况系数分别达到了2.31、2.06、2.19，主动轴轴径均满足大于最小轴径的要求，能够适应工作需求。

2011年10月对10号机组A、B、C 3台泵的减速机进行了改型，截止目前，改型后的减速机运行状态良好，停备后开盖检查主动轴和齿轮，没有发现异常，初步判定改造方案可行。长期运行效果还有待时间检验。

5 结束语

随着国家环保政策的日趋严格，要求发电厂脱硫系统可靠运行达到与主机同等重要的地位。浆液循环泵减速机改型后，不仅可以延长其运行周期，避免因设备异常损坏造成二氧化硫排放浓度的超标，而且还可以有效减少污染物排放总量，符合当前国家环保要求，有助于电厂的长远发展。

［1］ 成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2008.