What Causes Piston Gear Pump Shaft Breakage?

        După ce un producător de acoperișuri a folosit timp de ani de zile pompe mari cu angrenaje interne pentru a furniza flux bituminos, o serie de pompe au suferit mai multe defecțiuni la arbore. Aceste defecțiuni la arbore au fost rare în trecut și au fost aduse la cunoștința furnizorului de pompe. Aceste pompe funcționează de obicei la 100 de galoane pe minut (gpm) cu presiuni de refulare sub 100 de lire pe inch pătrat (psi). Sistemul folosește un circuit de încălzire cu ulei termic pentru a menține fluxul bituminos la o temperatură ridicată proprie pentru a reduce vâscozitatea produsului la un nivel suficient pentru a asigura o curgere lină și pentru a reduce acumularea de flux bituminos solid pe pereți.
       Pompele sunt alimentate de un motor de 30 de cai putere (CP), 1750 de rotații pe minut (rpm) și o cutie de viteze care reduce viteza pompei la 100 rpm la un debit de produs de 100 gpm.
       Aceste pompe sunt folosite pentru transferul fluxului bituminos din rezervoarele de stocare din instalația de distilare până la aplicarea finală a fluxului bituminos pe linia de producție.
        Aceleași pompe sunt folosite la acest site de peste 20 de ani. De regulă, aceste pompe au o durată de viață mult mai lungă în astfel de condiții și o astfel de defecțiune nu a mai fost văzută în trecut. În special, compania a folosit două versiuni ale pompei de aceeași dimensiune pentru două aplicații diferite. Una este considerată o pompă moale pentru aplicarea fluxului de asfalt, iar cealaltă este considerată o pompă de umplere dură pentru umplerea cu asfalt. Pompele rigide au rotoare și arbori din oțel călit pentru a reduce uzura cauzată de abrazivi în asfaltul umplut.
        Când furnizorul de pompe a observat problema cu arborele spart, numărul pompelor defectate a fost de 6 în aproximativ 12 luni. Există 18 pompe în total în această aplicație. În ultimii ani, numărul mediu de defecțiuni ale pompei în aceeași perioadă a fost unul. Unele pompe aveau un arbore rupt și conexiunea arbore/rotor a fost tăiată, în timp ce altele aveau arborele rotind în interiorul rotorului și șurubul de fixare care trebuia să țină rotorul și arborele intacte a fost tăiat.
        Axa de forfecare este pe o pompă rigidă, iar arborele care se rotește în interiorul rotorului este pe o pompă moale. Eșecul a fost analizat și următoarele rezultate au fost identificate și rezolvate conform instrucțiunilor.
        Furnizorii și producătorii de pompe analizează cu atenție pompele cu arbori sparți sau rotativi. Arborele și șurubul de fixare au fost supuse verificărilor dimensionale și analizelor metalurgice. Ambele respectă cerințele producătorului. După ce pompa a fost arsă pentru a îndepărta smoala întărită reziduală, uzura anormală a pompei a indicat că presiunea excesivă de refulare a deviat arborele și a făcut ca rotorul să se prăbușească în carcasa pompei pe partea de aspirație (vezi figurile 2 și 3).
        Există semne de uzură pe partea de aspirație a carcasei unde rotorul este apăsat pe peretele carcasei. Partea de aspirare a plăcii de cap prezintă, de asemenea, semne de uzură, iar rotorul se îndoaie în cap. Alte semne de uzură pe bucșe, roți de rulare și semilune indică, de asemenea, suprapresiune și îndoirea și deformarea ulterioară a arborelui. Atunci când rotorul apasă pe corp și pe cap, cuplul excesiv poate cauza ruperea sau rotirea arborelui din interiorul rotorului, forfecând șurubul de fixare.
        Potrivit producătorului, „suprapresiunea ulterioară a provocat îndoirea arborelui, ceea ce a cauzat, la rândul său, uzura corpului, uzura capului și, în cele din urmă, defectarea ansamblului rotor/arbore.” Ca urmare a analizei, au fost aduse modificări în proiectarea pompelor de către producător și a fost efectuată o analiză a procedurilor de funcționare a proceselor din instalație.
        Producătorul pompei pretinde o presiune maximă de livrare de 150 psi pentru această pompă, datorită în parte dimensiunii arborelui și raportului ulterior lungime/diametru (L/D) al arborelui. Orice presiune peste 150 psi poate cauza axul să se îndoaie și să se deformeze, așa cum se vede în ruperea obiectului.
        Procedurile standard de operare ale unității compensează o presiune de refulare maximă admisă de 150 psi și s-a avut grijă să se mențină temperatura și vâscozitatea fluxului bituminos, astfel încât presiunea de refulare să nu depășească această limită. De fapt, deoarece echipa de întreținere a unității a adunat mai târziu informații despre proces, presiunea a depășit rareori 100 psi.
        Cu toate acestea, trebuie luat în considerare și dacă măsurile de economisire a energiei pot determina ca presiunea de refulare să depășească presiunea de refulare maximă admisă a pompei. În timpul opririlor instalațiilor, cum ar fi în weekend, temperatura fluxului bituminos menținut de circuitul de încălzire cu ulei termic este redusă pentru a economisi energie. După investigație, s-a stabilit că timpul de pornire necesar pentru a aduce bitumul la o temperatură și vâscozitate acceptabile nu a putut fi mărit pentru a compensa oprirea mai rece din weekend. Deci, după o oprire de weekend, asfaltul poate fi prea rece și prea vâscos la pornire, cu presiunea de refulare a pompei peste limita de 150 psi. Nu au existat înregistrări de temperatură și presiune în timpul acestor porniri sau defecțiuni ale pompei, așa că s-a făcut această presupunere.
        Având în vedere acești factori, producătorul a luat măsuri pentru a aborda problema deformarii arborelui pompei, în timp ce echipa de întreținere a instalației s-a concentrat pe abordarea problemei procedurilor standard de operare. Fiecare grup ia măsuri pentru a elimina defecțiunile ulterioare ale arborelui.
        Producătorul pompei a modificat designul pompei pentru a include un arbore mai mare. Diametrul arborelui a crescut cu 40%.
        Acest arbore mai gros ajută la reducerea deformarii arborelui cu 66%, reducând uzura prematură și șansa de defecțiune a ansamblului rotor/arbore. Arborii mai mari măresc raportul de deformare a arborelui L/D și măresc presiunea de refulare maximă admisă la 200 psi.
        Această modificare de design a devenit ulterior standardul pentru pompele de această dimensiune în toate produsele viitoare de la producător. Diametrul arborelui de pe partea de antrenare a pompei nu s-a modificat, astfel încât echipamentele existente de transmisie a puterii, cum ar fi scripetele și cuplajele, sunt încă aplicabile pompei.
        Furnizorii de pompe plasează echipamente de monitorizare a procesului pe pompele de flux de bitum pentru a măsura temperatura circuitului de proces, presiunea de refulare și curentul motorului. Echipa de întreținere a șantierului a înregistrat electronic la fiecare două secunde și a efectuat monitorizare vizuală de trei ori pe zi timp de trei luni.
        Echipa de întreținere a instalației a revizuit procedurile standard de operare legate în mod specific de procedurile de oprire și pornire pentru bucla de temperatură a fluxului de bitum. Inițial, modificările au fost făcute pentru a preveni o situație de pornire la rece.
       Analizând tiparele de uzură a pompei pentru a determina dacă pompa a fost suprapresurizată, echipa a putut să se concentreze asupra motivului pentru care a apărut presiunea ridicată și pe ce pași pot fi luati pentru a preveni defecțiunile viitoare ale arborelui și timpii de oprire inutile.
        Echipa de conducere a fabricii a studiat cu atenție temperatura și vâscozitatea produsului în condiții de funcționare, în timpul opririi și în timpul pornirii. Ei au stabilit că modificările în procedurile de operare ar putea fi ajustate pentru a preveni condițiile de pornire la rece care ar putea crește vâscozitatea fluxului bituminos și ar putea cauza supratensiuni de presiune ridicată. Producătorii de pompe sunt de acord că arborii mai mari pot fi utilizați la pompe de această dimensiune și că se pot obține o deformare mai mică a arborelui și presiuni mai mari. Designul este acum o ofertă standard pentru producător.
       Analizând cauza principală a defecțiunii, o echipă de întreținerii instalațiilor, producători de pompe și furnizori de pompe au lucrat pentru a reduce defecțiunile pompei din cauza fracturilor de arbore.