What Causes Piston Gear Pump Shaft Breakage?

        Po tym, jak producent pokryć dachowych przez lata stosował duże pompy zębate do dostarczania topnika bitumicznego, w kilku pompach wystąpiło kilka awarii wału. Te awarie wału zdarzały się rzadko w przeszłości i zostały zgłoszone dostawcy pomp. Pompy te zazwyczaj pracują z wydajnością 100 galonów na minutę (gpm) przy ciśnieniu wylotowym poniżej 100 funtów na cal kwadratowy (psi). System wykorzystuje obwód grzewczy oleju termicznego, aby utrzymać topnik bitumiczny w zastrzeżonej wysokiej temperaturze, co zmniejsza lepkość produktu do poziomu wystarczającego do zapewnienia płynnego przepływu i zmniejszenia gromadzenia się stałego topnika bitumicznego na ścianach.
       Pompy napędzane są silnikiem o mocy 30 koni mechanicznych (KM), osiągającym 1750 obrotów na minutę (obr./min) i przekładnią, która redukuje prędkość pompy do 100 obr./min przy przepływie produktu 100 gpm.
       Pompy te służą do przesyłu topnika bitumicznego ze zbiorników magazynowych w instalacji destylacyjnej do miejsca końcowego zastosowania topnika bitumicznego na linii produkcyjnej.
        Te same pompy są używane w tym miejscu od ponad 20 lat. Z reguły pompy te mają znacznie dłuższą żywotność w takich warunkach, a taka awaria nigdy nie miała miejsca w przeszłości. Warto zauważyć, że firma używała dwóch wersji pompy tej samej wielkości do dwóch różnych zastosowań. Jedna jest uważana za miękką pompę do aplikacji topnika asfaltowego, a druga za twardą pompę do wypełniania asfaltem. Sztywne pompy mają utwardzone stalowe wirniki i wały, aby zmniejszyć zużycie spowodowane materiałami ściernymi w wypełnionym asfalcie.
        Gdy dostawca pompy zauważył problem z uszkodzonym wałem, liczba uszkodzonych pomp wyniosła 6 w ciągu około 12 miesięcy. W sumie w tym zastosowaniu jest 18 pomp. W ciągu ostatnich kilku lat średnia liczba awarii pomp w tym samym okresie wyniosła jedną. Niektóre pompy miały uszkodzony wał, a połączenie wału z wirnikiem zostało zerwane, podczas gdy inne miały wał obracający się wewnątrz wirnika, a śruba ustalająca, która miała trzymać wirnik i wał w całości, została odcięta.
        Oś ścinania znajduje się na sztywnej pompie, a wał obracający się wewnątrz wirnika znajduje się na miękkiej pompie. Awaria została przeanalizowana, a następujące wyniki zostały zidentyfikowane i rozwiązane zgodnie z zaleceniami.
        Dostawcy i producenci pomp dokładnie analizują pompy z uszkodzonymi lub obracającymi się wałami. Wał i śruba ustalająca zostały poddane kontroli wymiarowej i analizie metalurgicznej. Oba są zgodne z wymaganiami producenta. Po spaleniu pompy w celu usunięcia resztek utwardzonego skoku, nieprawidłowe zużycie pompy wskazywało, że nadmierne ciśnienie tłoczenia odchyliło wał i spowodowało uderzenie wirnika w obudowę pompy po stronie ssącej (patrz rysunki 2 i 3).
        Istnieją oznaki zużycia po stronie ssącej obudowy, gdzie wirnik jest dociskany do ścianki obudowy. Strona ssąca płyty głowicy również wykazuje oznaki zużycia, a wirnik wygina się w kierunku głowicy. Inne oznaki zużycia na tulejach, kołach napinających i półksiężycach również wskazują na nadmierne ciśnienie i późniejsze wyginanie i odchylanie się wału. Gdy wirnik dociska korpus i głowicę, nadmierny moment obrotowy może spowodować pęknięcie lub obrót wału wewnątrz wirnika, co spowoduje ścięcie śruby ustalającej.
        Według producenta „Następne nadciśnienie spowodowało wygięcie wału, co z kolei spowodowało zużycie korpusu, zużycie głowicy i ostatecznie awarię zespołu wirnika/wału”. W wyniku analizy producent wprowadził zmiany w konstrukcji pomp i przeprowadzono analizę procedur obsługi procesów w zakładzie.
        Producent pompy podaje maksymalne ciśnienie tłoczenia 150 psi dla tej pompy, częściowo ze względu na rozmiar wału i wynikający z tego stosunek długości do średnicy (L/D) wału. Każde ciśnienie powyżej 150 psi może spowodować wygięcie i ugięcie wału, co widać po pęknięciu obiektu.
        Standardowe procedury operacyjne jednostki kompensują maksymalne dopuszczalne ciśnienie wylotowe 150 psi, a także zadbano o utrzymanie temperatury i lepkości topnika bitumicznego, aby ciśnienie wylotowe nie przekraczało tego limitu. W rzeczywistości, jak później zebrał zespół konserwacyjny obiektu informacje o procesie, ciśnienie rzadko przekraczało 100 psi.
        Należy jednak również rozważyć, czy środki oszczędzania energii mogą spowodować, że ciśnienie wylotowe przekroczy maksymalne dopuszczalne ciśnienie wylotowe pompy. Podczas przestojów zakładu, takich jak weekendy, temperatura topnika bitumicznego utrzymywana przez obieg grzewczy oleju termicznego jest obniżana w celu oszczędzania energii. Po przeprowadzeniu dochodzenia ustalono, że czas rozruchu potrzebny do doprowadzenia bitumu do akceptowalnej temperatury i lepkości nie może zostać zwiększony w celu skompensowania zimniejszego przestoju weekendowego. Tak więc po przestoju weekendowym asfalt może być zbyt zimny i zbyt lepki podczas rozruchu, a ciśnienie wylotowe pompy może przekroczyć limit 150 psi. Nie było żadnych zapisów temperatury i ciśnienia podczas tych rozruchów ani awarii pomp, więc przyjęto takie założenie.
        Mając na uwadze te czynniki, producent podjął kroki w celu rozwiązania problemu ugięcia wału pompy, podczas gdy zespół ds. konserwacji obiektu skupił się na rozwiązaniu problemu standardowych procedur operacyjnych. Każda grupa podejmuje działania w celu wyeliminowania dalszych awarii wału.
        Producent pompy zmodyfikował konstrukcję pompy, aby uwzględnić większy wał. Średnica wału wzrosła o 40%.
        Ten grubszy wał pomaga zmniejszyć ugięcie wału o 66%, zmniejszając przedwczesne zużycie i ryzyko awarii zespołu wirnika/wału. Większe wały zwiększają stosunek ugięcia wału L/D i zwiększają maksymalne dopuszczalne ciśnienie wylotowe do 200 psi.
        Ta zmiana konstrukcji stała się później standardem dla pomp tej wielkości we wszystkich przyszłych produktach producenta. Średnica wału po stronie napędowej pompy nie uległa zmianie, więc istniejące urządzenia do przenoszenia mocy, takie jak koła pasowe i sprzęgła, nadal mają zastosowanie do pompy.
        Dostawcy pomp umieszczają sprzęt do monitorowania procesów na pompach do topnika bitumicznego, aby mierzyć temperaturę obwodu procesowego, ciśnienie wylotowe i prąd silnika. Zespół ds. konserwacji obiektu rejestrował dane elektronicznie co dwie sekundy i przeprowadzał monitorowanie wizualne trzy razy dziennie przez trzy miesiące.
        Zespół ds. konserwacji obiektu dokonał przeglądu standardowych procedur operacyjnych, w szczególności dotyczących procedur wyłączania i uruchamiania pętli temperatury topnienia bitumu. Początkowo zmiany wprowadzono, aby zapobiec sytuacji zimnego startu.
       Analizując wzorce zużycia pompy w celu określenia, czy pompa była pod nadmiernym ciśnieniem, zespół mógł skupić się na przyczynach występowania wysokiego ciśnienia i jakie kroki można podjąć, aby zapobiec przyszłym awariom wału i niepotrzebnym przestojom.
        Zespół zarządzający zakładem dokładnie zbadał temperaturę i lepkość produktu w warunkach roboczych, podczas przestoju i rozruchu. Ustalili, że zmiany w procedurach operacyjnych można dostosować, aby zapobiec warunkom zimnego rozruchu, które mogłyby zwiększyć lepkość topnika bitumicznego i spowodować skoki wysokiego ciśnienia. Producenci pomp zgadzają się, że w pompach tej wielkości można stosować większe wały i że można osiągnąć mniejsze ugięcie wału i wyższe ciśnienia. Konstrukcja ta jest obecnie standardową ofertą producenta.
       Analizując przyczynę awarii, zespół składający się z konserwatorów urządzeń, producentów pomp i dostawców pomp pracował nad zmniejszeniem liczby awarii pomp spowodowanych pęknięciami wału.