气自动调角空冷风机叶片断裂原因分析及处理措施

2022-03-28廉海军

当代化工研究 2022年5期

＊廉海军

（中海石油舟山石化有限公司浙江 316015）

前言

空冷器作为炼油厂、石油化工厂等行业冷却系统冷凝、冷却应用最多的一种换热设备，相较水冷却系统有不可取代的优势，所以其运行的可靠性对于装置安全平稳生产尤为重要，作者所在单位抽提装置空冷风机在设计选型阶段侧重于节能以及操作方便等方面的考虑，选用了气动机械调角空冷风机（型号为G-BF36L4-VS22），抽提装置空冷风机自2008年开工以来也发生过多起风叶断裂事件，且考虑到不停机调节空冷叶片安装角度气动调节机构复杂，故障率高，维护保养不易，于2010年拆除了空冷风机机械调角控制系统，保留了原有设计结构，空冷风叶断裂频次得到有效控制。2021年作者所在部门针对近期（2021年8月）发生空冷风机（AC4201A）叶片断裂事件进行了总结、分析和讨论，提出了初步的整改建议。2022年2月份部门按照既定方案对抽提空冷风机AC4101B风叶固定座进行了改造并且开机试运正常，为后续抽提装置空冷风机改造提供了技术支撑。

1.自动调角空冷风机结构及工作原理

表1

抽提装置选用水平鼓风式空冷器，空冷风机置于管束下方，从下往上鼓风冷却管束，这种形式空冷器主要缺点就是气流分布不均匀。

空冷风机结构结合装置生产实际选用气动叶片调角空冷风机（如图1所示），风机叶片选用模压铝合金叶片，机翼型截面，扭曲外形空心结构，这种叶片强度高、质量轻、惯性小、寿命长；风机叶轮共有4片叶片，每个叶片和轮毂分体平衡，维护互换性较好；风机叶片通过轴承座固定在气自调角轮毂上，叶片与轴承座之间用锁紧螺母锁紧定位，滑动连板与叶片间的联动主要靠调角拉杆的连接和轴承座的作用。

图1

不停机调节空冷风机叶片角度的工作流程：根据生产装置冷后温度的需求，操纵气动自调轮毂使滑动连扳进行上下移动，滑动连扳带动调角拉杆联动改变叶片在轴承座内周向角度，最终完成不停机叶片角度的调整。

2.风机运行过程中叶片断裂情况分析

2021年8月21日，某炼油厂抽提装置夜班内操发现空冷AC4201冷后温度上涨过快，联系外操现场确认，发现空冷风机皮带断裂，电机空转。因临近下班交予白班处理，在白班检修过程中发现空冷4片风叶已断其3，通过检查现场叶片断口、皮带断口等情况，判断此次空冷叶片断裂首先从一根叶片叶根固定端处由向风侧往背风侧折断，而断裂的叶片卷入高速运转空冷叶片间（如图2、图3所示），导致其余三根风机叶片不同程度断裂、破损，其中有一根叶片将轴承座拉裂后整根叶片脱落被夹在叶片与风筒间（如图4所示），待风机滞动后把皮带拉断，从电气后台处了解到，凌晨7点左右空冷风机电流最大达35A，之前一直在26-28A之间波动。

图2

图3

图4

从图3叶片断口检查确定向风侧叶轮叶轴处的断痕是老的断痕，断口呈暗黑色，是铝合金冲刷腐蚀后的颜色与叶身型面颜色一致，断面呈颗粒状锈斑且表面积灰。而图2背风侧叶轮叶轴处的断痕呈现亮色与铝合金母材颜色一致，为新断口，且断面平滑。

从图2、图3我们可以清晰的看到铝合金叶片的空腹结构，叶片重量较轻，叶轴部位是叶片加强加固的部位（叶片应力集中的部位），不随叶片摆动，同时也是叶片的径向支点，类似于悬臂梁的端部支点，叶片截面宽度从叶根至叶尖逐渐变窄，所以叶片靠近叶尖的部位晃动越大，综上所述，叶片向风侧（叶片工作面）的叶轴部位是最易出现疲劳裂纹的。

由此可以判断叶片叶轴处是先有裂纹，而后叶片运行中失稳折断，后续检查中对该处进行无损检测，未发现其他部位有裂纹，所以分析叶片断裂主要有以下几种情况：

（1）风机叶轴处属于应力集中的部位，空冷风机运行时震颤频率或风机检修叶片装配质量的影响，导致风机中叶片晃动较大在应力集中部位出现疲劳而产生裂纹。

（2）AC4201原设计是一种不停机自动调角型空冷，虽然调角机构已经弃用，但风机叶片的固定座还是原设计的轴承座，以调角拉杆固定，而轴承座内轴承从开工至今就未进行过保养，轴承锈蚀或局部疲劳破损或风机运行中轴承随叶片晃动等情况的发生，并不能保证风机叶片安装角为绝对定值，空冷风机的4根叶片安装角度也就不能保证同步一致，这种情况下空冷风机4个叶片将会受力不同，风机整体动平衡破坏，振动加剧，设备应力集中部位疲劳加剧而出现裂纹，最终导致叶片的断裂。风机断叶片事件发生后，部门对同类型结构的空冷风机进行了排查，排查的结果和上述原因分析一致，有几台空冷风机存在同组叶片安装角度不一致的情况，角度最大相差达4°。

（3）叶片固定轴承座与调角轮毂的连接螺栓在空冷风机长期运行过程中，因风机固有振动频率或因地缘关系叶片背风面风压不均引起的振动失衡等原因均可能导致连接螺栓疲劳松动，破坏风机整体动平衡，而最终发生风机叶片的断裂的情况。

综上所述：通过后续同类型结构的空冷风机的检查，排除了第1种与第3种分析情况的发生，确定了叶片断裂的主要原因是风机运行过程中叶片在轴承座内发生了相对旋转，导致风机叶片结构性失衡、振动异常而引发的叶片疲劳折断。

3.空冷风机叶片固定座的改造

2022年2月，依据AC4201风机断叶片分析报告，部门决定以空冷风机（AC4101B）作为试验设备来对风机叶片固定结构进行改造攻关。初步的设想：借鉴手动调角轮毂上采用U型螺栓固定风机叶轴的形式（如图5所示），将气自调角轮毂上的轴承座进行剖分加工。将历经1个月时间，风机叶片轴承座的改造经过2次反复加工实验、试运行，成功解决了抽提空冷风机叶片结构性失衡的问题。

图5

(1)第一次轴承座改造攻关情况

首先风机（AC4101B）4根叶片在气自调角轮毂上检修拆卸至建安公司施工厂房，拆除4根叶片轴承座内轴承（每根2套轴承），机加工对叶片轴承座上水平中分面剖分线切割成2半；利用30mm厚钢板加工4对风机叶片配合夹具安装在原轴承部位（如图6所示）；利用DN40不锈钢钢管水平剖分成两半（长10公分）作为风机叶轴上下压块放置在轴承部位配合夹具上（如图7所示)；改造后的轴承座中分面在组装中留有5mm间隙，主要目的是要保证风机叶轴部位的夹紧力，防止叶轴部位的松动（如图8所示）。