某铜冶炼风机事故分析及应对措施

浏览数量:38     作者:本站编辑     发布时间: 2022-01-07      来源:本站

摘要:某铜冶炼厂风机运行时间不足一个即发生飞车事故,轮盖及叶片整体从轮盘上断裂脱落 。分析表明风机进口管路设计不合理,大酸液冲击腐蚀风机叶轮是事故发生的根本原因通过改进现场的进口,有效减少了进入风机的酸液 叶轮受到的冲击腐蚀明显减弱,风机的工作环境得到极大改善,确保了风机的正常运行目前风机使用状况良好,改进效果显著

关键词:铜冶炼风机; 叶片断裂;事故分析;冲击腐蚀;管路设计

0 引 言

风机转子在使用过程中出现的故障和事故多数都是由强度不足[1]、疲劳失效[2-4]转子共振[5-6]、动平衡被破坏[7]况引起也有部分是由于对风机的使环境认识不足[8] 风机和管路系统的设不够合理所致。冶炼行业由于高粉尘、 高腐蚀,离心风机的工作环境通常较恶劣在进行风机和管路设计时要充考虑风机的使用条件,通过优化设计风机创造出个相对良好的使用环境。否则在使用过程中很可能会造成风性能达不到要求,甚至会出现故障和全事故。

针对某铜冶炼厂风机在使用过程中 出现的飞车事故,本文从叶轮强度、动平衡精度及振动速度、叶轮破损状态风机使用环境等多方面进行了综合分析结果表明,风机进口管路设计不合理、大量酸液冲击腐蚀风机叶轮是 发生该事故的根本原因通过对进口管路的改进,有效减少了进入风机的酸液, 降 低 叶轮受到的冲击腐蚀显 著 改善了风机的作环境,从 而确保了风机的常运行

1现场情况及问题分析

1.2 现场情况

某铜冶炼厂风机的主要技术参数为: 进口体积流量 4 500m3/h, 进气压- 3 000Pa(G),温度 0- 80°C , 全压 5 600Pa,气体介质为含 H2S、S0 2、硫酸酸雾的饱和气,粉尘含为微该风机运行时间不足个月即出现振动突然 变大机 壳破裂的情况,风机被迫紧急经检查,叶轮轮盖与叶片已整体从轮盘上断裂脱落(见 图 1),风机机壳被脱落的轮盖切出一道长达约米的口子(见图2)事故发生冶炼厂立即组织人力,从叶轮强度、动平衡精度及振动速度、叶轮破损状态使用环境等多方面对该风机进行了综合分析

1 断裂的叶轮 图2 风机机壳

1.2 叶轮强度计算分析

由于该风机升压较低,气体介质的温度也不高,离心叶轮所受的气动压力载荷和因温度产生的热应力相对很小,故不予考虑。强度计算时只考虑了叶轮旋转时产生的离心力。

1.2.1 叶轮建模和边界条件设置

为最大程度地减小数值计算带来的误差,三维建模时只忽略了轴盘工艺孔,其他位置未作任何简化。利用三维造型软件对该风机的叶轮进行实体模型(见图3),叶轮的主要设计参数见表l。

1 叶轮的主要设计参数






项目

术参


Im 材料

盘厚Imm

0.625

316L

5


盖厚Imm

3


叶片厚度/mm

3


叶片数I

12



最高丁作转/(r/nun)

2950



叶轮网格划分见图 4, 全部采用四面体单元, 共计24 958个单元,47 178 个节点。叶轮边界条件设置为:轴孔内壁面施加轴向位移和周向转动约 束,整个叶轮模型给定转速。

图4 叶轮网格建模

1.2.2 结果分析

图5 为计算出的叶轮表面应力分布,其中 (a) 为整个叶轮的应力分布情况 ,( b) 显示 的是60MPa 以上的应力分布区域。由图可以看出,叶轮最大应 力主要集中在轮盖前缘以及叶片前缘的叶中区域。轮盘与叶片的焊接部位应力相对较低,并 不是主要的应力集中区。叶轮所受的最大应力仅为100.8MPa, 远低于316L材料的屈服极限(170MPa ) ,设计上该叶轮的强度已足够 。

 

图5 叶轮应力分布


1.3 叶轮动平衡精度及振动速度

根据风机制造商提供的检验报告,叶轮平衡采用的是单面静平衡方法,平衡品质等级打到G2.5,符合JB/T9101通风机转子平衡的要求。

依据提供的现场试车记录,风机轴承部位各方向的振动速度有效值均小于2.0m/s ,低于JB/T8689 通风机振动检测及其限值规定的最大值(4.6m/s),符合标准要求,且试车时风机振动情况稳定,无异常情况发生。


1.4 叶轮破损状态分析和模拟计算验证

叶轮的破损状态(见图 6)具有如下的特征 :所有叶片均发生断裂,且断裂部位一致,均靠近叶片根部的热影响区,即紧贴着焊缝断裂开;焊缝本身 没有断裂或者裂开的痕迹,焊缝较为光滑,焊接质量较好,未见咬边、夹渣等缺陷,叶片损坏严重厚度平均已不足 1mm, 全部卷曲并贴近轮盖;轮盖严重变形,表面有一定的腐蚀痕迹;原本光滑的轮盘表面布满了细长的小凹槽,凹槽痕迹以轴为中心呈放射状。

由上可以分析推断出:由于气体介质中粉尘含量为微量,可以排除叶轮受粉尘磨损的可能性;气体介质为含 H2S、S0 2、硫酸酸雾,遇水后即强酸,酸液不断附着在叶轮上,然后被旋转的叶轮甩出,轮盘的凹槽痕迹完全系酸液腐蚀冲刷所致,叶片设计厚度 3mm , 到叶轮破损时已不足 1mm,显然,受酸液的冲击腐蚀影响最大;由于叶片厚度大幅度减薄,强度被严重削弱:叶轮旋转时产生的应力已超出叶片能承受的范围,导致叶片从叶根处所有叶片断裂;所有叶片断裂后,轮盖被甩出,在强大的离心力作用下 ,撞到风机机壳上致使其变形严重,同时也将风机的蜗壳切出一道长长的口子。

图6 叶轮破损情况图


为验证上述推断的真实性,这里模拟断裂前的叶轮受力,将叶轮的叶片厚度由3mm调整至1mm,其 他设计参数不变,重新进行叶轮三维建模和网格划分,并设置叶轮的边界条件,得到叶片厚

1mm 时叶轮的受力情况(见图7 )。从图中可以看出,叶片上的最大应力已达到812MPa,远远超出叶轮材料的屈服极限,且最大应力位置恰恰处于叶片靠近轮盘的位置。从模拟结果来看,在如此大的载荷作用下,叶片会直接全部断裂并飞出,断裂位置为最大应力处,即叶片靠近轮盘的位置。模拟结果与实际情况完全吻合。

图片1

图7 叶片厚度1mm时叶轮的应力分布

1.5 现场使用环境及安装布局

该风机管路上游介质温度接近70℃ ,由于沿程管线较长且没有保温措施,管道内的气体温度 下降较快,到风机下游介质温度约为 40°C, 风机介质在上下游的温差达到了30°C。而该风机的过流介质为含 H2S、S02、硫酸酸雾的饱和空气,介质在管路内流动时随着温度的下降会不断地析出水雾,水雾溶解H2S、SO2 硫酸从而形成酸雾 ,酸雾进一步凝聚形成酸液,S02为微量,溶于水后与 H2S反应还原成硫,因此形成的酸液为微量的硫酸及H2S的混合溶液。

该风机管路进口高度为4m, 出口高度6m, 风机安装在地面上,处于管线的最低点。整个管道完全密闭,仅风机机壳底部设计有一个低点排液口

(见图8)。所有进口管道内形成的酸液积聚在进口管路内,积聚到一定程度漫过风机进风口后流入风机的叶轮 ,然后经叶轮甩出到机壳壁面沿壁面汇聚到机壳底部,再通过低点排液口排出;出口管道由于是垂直朝上,部分 酸液会沿机壳内壁流入风机,部分 会以液滴的型式滴在旋转的叶轮上。由于叶轮一直处于高速旋转中,酸液与叶轮之间存在较大的速度差。酸液流量越大,对叶轮的冲击腐蚀程度就越大,尤其是直接受到酸液冲击的叶片,受影响的程度最大。

现场备用风机在使用过程中,机壳壳体底部的低点排液口一直处于排液状态,这也进一步证实了上述分析。

根据文献[9], 316L不锈钢抗应力腐蚀开裂(SCC )的性能相对不高,H2S 和Cl-等 腐 蚀介质是引起SCC的主要原因,Cl一的吸附引发裂纹的萌生并促进腐蚀的进行,H2S 的毒化作用会加速SCC裂纹的扩展。卢向雨[ IO] 通过试验发现 H2S 溶液降低了316L焊接接头母材区和焊缝区的耐蚀性,且焊缝比母材更易受到腐蚀。事故叶轮的叶片焊缝较为光滑,受腐蚀的影响很小,说明酸液本身的腐蚀性并不高。根据文献的结论,单从腐蚀性来考虑,叶片应比焊缝受到的腐蚀影响更小,而实际情况是叶片的厚度从3mm 减薄至1mm。这表明,酸液的冲击是叶片减薄的主要因素,酸液的腐蚀起促进作用。酸液的冲击+腐蚀是造成叶片变薄并开裂的主因。

图8 风机管路系统示意图

根据理想气体状态方程、湿空气的气体常数及气体的质量流量公式,并查饱和水与饱和水蒸气表(按温度排列)[11] , 可以计算出气流在通过整个风机管线时冷凝的水量:

式中,B为湿空气的绝对压力,Pa;pv 为湿空气的水蒸气分压力,Pa;T为湿空气的温度,K;V为湿空气的体积流量,m³ /h。

由上可以计算得出,析出的液态水流总量达740kg/h 其中风机上游析出的水流量为612kg/h( 风机进口温度约为 50℃),占总量的82.7%, 下游仅为128kg/h。

综合分析可以得出,风机上游析出的水量大, 形成的酸液多,对叶轮的危害力度也更强;风机下游析出的水量小,形成的酸液少,对叶轮的危害力度也较小。进口管路设计不合理,管内积存的酸液大量进入风机并对叶轮形成持续地冲击腐蚀,造成风机叶片厚度不断变薄,当叶片厚度减薄到其所受的应力远超出材料的屈服极限时,即造成了该次事故。

2 应对方案及现场改进效果


2.1 应对方案

1)将风机进口端的直管改成近似 U 型管,并加装阀门(如图9) , 这有利于促进气流中的酸雾进一步凝结成酸液,并附着在管壁和阀门的导叶上沉降至 U 型管底;同时在进口管道的低点安装排液口,将积聚在管底的酸液及时排出

2)风机出口由竖直向上的方向改为水平方向,即由逆90° 改为逆 180°。这样出口管路内形成的酸液会直接积聚在风机底部从风机的低点排液口排出,而不会有液滴滴入叶轮。

经过以上的改进之后,风机管路内大部分的酸雾都会形成酸液并及时从排液口排出,只有少量的酸雾会随气流进入风机叶轮。这样,酸液对叶轮的冲击得以避免 ,酸雾对风机的腐蚀也大幅削弱,叶轮的工作环境得到极大地改善。

3)风机的上下游管道采取保温措施,防止介质温度下降太快,从而减少酸液流量

9 风机进口管路改进方案

2.2 实际改进措施及效果

图 10 为结合现场实际 进行的改进。进口管路将90°弯头的地方改为T 型三通结构 ,垂直的管道底部设置了排液口 ,侧面管道进入风机,同 时在管道上加装了阀门 ;出口管路由于改动量要求较大,风机的设计也需要变动,同时考虑到下游形成的酸液较少,对风机的危害也较小,故现场未进行动。如此,现场的改动工作量较改进方案大为减少。改进后风机巳投入使用一年 ,目前 运行状况良好,改进效果显著。由于现场管道的改进效果已达到预期,故未进一步进行后续的管道保温处理。

图 10 现场风机管路的实际改进措施

3 结论

1)风机的使用运行是一项系统工程,需要充分考虑风机及风机前后管路设计的合理性,设计不当,很可能会造成风机性能达不到要求 ,严重甚至会出现风机机械故障和事故。

2)该风机由于进口管路设计不合理,大量酸液对叶轮形成持续地冲击腐蚀 ,使风机叶片厚度不断减薄,是此次飞车事故发生的根本原因。通改进进口管路,有效减少了进入风机叶轮的强酸,改善了风机的工作环境,确保了风机的正常运行. 得到了长时间实际运行的验证。


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