HSJ200型搅拌机短轴开焊的分析及处理

技术知识

2022-08-29

【摘要】：根据托克托电厂（下称托电）五期灰库搅拌机投产以来搅拌机短轴开焊频繁缺陷发生的实际情况，在大量统计资料及试验基础上，对故障原因进行了分析，并针对短轴设计的缺陷做了处理，对运行方式进行了优化，消除了设备存在的隐患。

引言

随着我国经济的持续快速发展，城市进程和工业化进程的不断增加，环境污染日益严重，国家对环保的重视程度也越来越高。在国家的“十三五”规划中明确指出：国家要紧紧抓住改善环境质量这个核心，实施质量和总量双管控，加强和完善环境监测体系建设，科学决策、系统治污，重点要攻克大气、水体、土壤污染防治。而作为治理大气污染主要大户的火力发电厂肩负着不可推卸的重要责任。输灰系统就是火力发电厂中控制面源性污染的重要环节，而灰库搅拌机的主要职责就是控制汽车放灰时的扬尘，防止发生面源性污染事件。如何保证搅拌机在有效输灰的同时能够稳定可靠地运行，是保证灰库设备工作任务完成的关键。为此，在托电五期灰库搅拌机频繁故障后，相关人员针对搅拌机的设计、质量和运行方式等方面进行了调整，消除了设备的重大隐患，保证了设备的安全、稳定、可靠运行。

1 设备概况

托克托电厂五期机组设有三座直径15米、有效容积3300立方米的灰库，其中两座粗灰库，一座细灰库，可满足两台机组同时满负荷运行48小时排灰量的储存要求。每座灰库顶部设有两台布袋除尘器，每台布袋除尘器有10列20排布袋，每座灰库下安装三台湿式搅拌机，均为HSJ200型双轴搅拌机。1个卸灰口直接卸湿灰，通过加湿搅拌机装车外运，供综合利用；其它2个供管带机输送用。为保障灰库内部飞灰不板结，设有灰库气化风系统[1]。HSJ200型双轴搅拌机采用双轴式主机型式和剖分式轴承座，双轴传动应为同步齿轮传动方式。轴承采用双列调心滚子轴承及推力轴承的组合形式，外壳及轴承牢固可靠，主轴材质为#45钢。该型号搅拌机是利用2根互相平行的叶轮轴的同步转动，在工作时，物料通过进料口进入搅拌槽体，两根搅拌轴在电机驱动下反向旋转，搅拌轴上装有搅拌刀片，搅拌刀片在搅拌轴上呈螺旋线状分布，物料受搅拌刀片旋转推动而随之同向位移，相互混合完成搅拌作用，驱使粉状物料从干状物料变成湿态便于运输[2]。

2 HSJ200型双轴搅拌机的结构及工作原理

双轴搅拌机由机体和传动部分组成。传动部分包括电机、联轴器（或链轮、链条）、减速机机体包括主动轴、从动轴、机壳、齿轮、喷水装置组成。传动过程：电动机通过联轴器带动减速器，再通过十字联轴器（或链条传动）带动从动轴作相对旋转运动。工作物料的传递过程：当物料由进料口进入槽体后，喷水装置立即喷水，通过叶片的搅拌输送，使物料由干态变成湿态，经出口输出。

3 搅拌机短轴开焊故障现象

HSJ200型搅拌机在托克托电厂五期机组长周期运行期间，发生了3次搅拌机主动轴驱动端的短轴焊接点开裂的恶性事件，故障现象为：落灰筒停止下灰、搅拌机电机运行但电流下降至空载电流，链条转动但主被动轴不转，搅拌机箱体内部大量积灰，并伴有摩擦的异响。

4 故障原因分析

故障点在搅拌机主动轴的短轴与法兰连接的焊接点处，开焊的均为拉裂的痕迹。根据现场调查和数据对比，分析出了搅拌机主动轴短轴连接点开焊的主要原因有以下3个方面：

4.1 搅拌机长时间超出力运行

调查发现，放灰操作间布置在在灰库0米，便于观察灰车装车的情况，但放灰人员在放灰操作期间，这样就不具备监视搅拌机运行状态的条件。而为了降低汽车放灰时的扬尘，运行人员直接将加湿水手动门开为100%，放灰时直接按钮操作电动门的开关，供水量达到30t/h。而调查周期内汽车内的湿灰含水量检测结果为18%左右，远大于要求的15%的含水量。询问灰库放灰人员共4名，均表示不知道搅拌机运行电流和相应的限值。现场调查远传监视点和现场均无明显标识，进一步加剧了放灰人员对于搅拌机实际运行状态失控的问题。汽车装灰的时间大约为10分钟一次，根据汽车装载量35-40吨来计算，搅拌机的即时出力大约210-240t/h，远超出了搅拌机200t/h的额定出力。搅拌机长期过负荷运行的危害：（1）由于扭矩的增加，搅拌机叶片上所承受的弯曲应力增加；同时叶片、主軸由于进灰量的过大所承受的应力与引起的变形也增加。（2）由于进灰量的增加，轴向推力增加，使减速机、链条、主轴承受的径向力增加，容易发生链条脱硝的状况，严重时造成减速机移位、主轴变形的情况。（3）由于搅拌机设计的加湿水量是根据搅拌机满出力状态下设计的，一旦干灰输送量过高就会导致加湿水无法满足，搅拌机搅拌性能明显下降，输灰不均的问题，严重时就会发生放灰大量扬尘的面源性污染事件。因此不允许搅拌机过负荷运行。

4.2 搅拌机根据车辆进行频繁启停

由于汽车放灰的方式最重要的操作元素就是拉灰车辆。当拉灰车辆出库后，因为没有了接灰的箱体，一旦放灰操作没有停止，就会导致大量的湿灰积存在地面上造成面源性污染。可连续的灰车进出库时存在一个交接的时间差，2-5分钟不等，于是在灰车进出过程中就产生了搅拌机在短时间内频繁启停的问题。这种现象本身对于设备就是一种损坏，尤其是在搅拌机叶片不可避免存在积灰的情况，带载启动搅拌机就会对主轴产生径向的大扭矩加剧了设备的突然受力，造成设备损坏。

搅拌机频繁启停的危害：（1）搅拌机启动是一个状态从静止到设备空载的过程，各种参数也是从零到空载的过程，减速机、链条、搅拌机轴都承受一个突然的应力，这段不稳定的时期最容易发生设备的损坏时间，启动期间振动一般要比正常运行时大，频繁启停很容易使搅拌机损坏。（2）搅拌机电机启动瞬时电流很大，造成绕组温度升高，频繁启动，会降低绕组的绝缘性能，损坏电机；所以一般要求电机要有启动间隔时间。（3）另外频繁启停会损伤搅拌机各密封组件，导致轴头、盘根等处漏灰。还会降低搅拌机的整体寿命，影响设备的经济性和安全性。

4.3 搅拌机短轴设计不合理，采用焊接方式进行了简单处理，不符合标准工艺

根据调查，搅拌机短轴的材质为#45优质合金钢，而法兰的材质为普通碳素钢，为两种不同的金属材质，合金成分有偏差，耐磨耐热不同，一旦焊接不良就会发生焊接部位磨损、断裂的后果；采用焊接方式的短轴的中心很容易因为热胀冷缩发生中心偏移，进一步影响整个搅拌机的轴系振动；焊接处进行过热处理后，容易膨胀变形；焊接的轴体不能保证没有缺陷，影响搅拌机的寿命。而且搅拌机的短轴和法兰焊接宽度只有5mm，根本无法承受大出力搅拌机的轴向拉力，很容易在启动的大扭矩下发生撕裂。

5 故障处理

5.1 根据现场条件优化放灰操作和运行方式

针对五期灰库汽车放灰操作间布置在灰库0米，放灰人员进行放灰操作时，对二层搅拌机失去实时监控，无法判断设备运行状态。发电部综合车间和设备部各个专业进行了协商整改。具体的措施为：将五期灰库各搅拌机的插板门开关、给料机启停、搅拌机启停、加湿水门开关按钮移至灰库二层，方便放灰人员对设备实时监控，设备出现异常时，逃生较为容易。在五期灰库二层地面开孔，并用有机玻璃或其他方式遮拦，方便放灰人员观察放灰车辆装灰情况，同时对放灰的干湿情况进行手动调节，在保证放灰不扬尘的情况下最大限度地降低搅拌机加湿水量，控制搅拌机电流不超限。在主控室的DCS监视画面中增加了“五期辅控-干渣除灰系统-灰库”显示选项，画面中包含了灰库料位、搅拌机运行状态、搅拌机运行电流、给料机电流等测点。并在就地控制箱上增加电流表，并按照红黄蓝颜色的分类对搅拌机运行电流、额定电流、过流的区域进行了标记。维护人员与放灰操作人员共同进行汽车放灰是加湿水门开度调整工作，共同确定号搅拌机加湿水手动门的大致开度和搅拌机电流的变化区间，达到了设备稳定运行和放灰连续环保的双重目的。放灰的关键点就是“灰、水”的同步，而下灰量的调节主要由给料机和气化风来共同控制。于是在优化放灰操作的同时，也进行了气化风机运行方式的优化工作。经过多次试验，将灰库气化风机的运行方式由原来的“单对单，三用一备”改为了“一对多，一用三备”，在保证放灰量的前提下，也减少了气化风机的运行台数，降低了设备的耗电量，降低了设备的寿命损耗。

如上图所示，进行了设备改造和运行方式优化后，攪拌机的电流下降明显，大约15-20A，也表征着搅拌机各个部位受力的减少。

5.2 搅拌机启停方式的优化

针对搅拌机频繁启停导致搅拌机径向频繁受到大扭矩冲击的问题，优化了搅拌机的启停方式：在车辆充足的情况下，走空机后保持搅拌机空载运行，不进行启停操作，只停止灰水的输送，停运给料机，关闭加湿水门。这样一来，搅拌机频繁启停的问题就得到了解决。

5.3 重新进行短轴的设计更换

与厂家协调后，结合搅拌机的检修计划，对搅拌机的短轴进行了更换，由原来简单的焊接式逐步更换成了短轴外增加轴套、轴套与法兰采用键连接的方式，排除了搅拌机运行时的巨大隐患。