Что вызывает поломку вала поршневого шестеренчатого насоса?

        После того, как производитель кровельных материалов в течение многих лет использовал большие насосы с внутренним зацеплением для подачи битумного потока, у ряда насосов произошло несколько отказов вала. Эти отказы вала в прошлом были редки и были доведены до сведения поставщика насосов. Эти насосы обычно работают со скоростью 100 галлонов в минуту (gpm) с давлением нагнетания ниже 100 фунтов на квадратный дюйм (psi). Система использует контур нагрева термического масла для поддержания битумного потока при запатентованной высокой температуре, чтобы снизить вязкость продукта до уровня, достаточного для обеспечения плавного потока и уменьшения накопления твердого битумного потока на стенках.
       Насосы приводятся в действие двигателем мощностью 30 лошадиных сил (л. с.), вращающимся со скоростью 1750 оборотов в минуту (об/мин), и редуктором, который снижает скорость насоса до 100 об/мин при расходе продукта 100 галлонов в минуту.
       Эти насосы используются для перекачивания битумного флюса из резервуаров для хранения на дистилляционной установке к месту конечного применения битумного флюса на производственной линии.
        Те же насосы использовались на этом объекте более 20 лет. Как правило, эти насосы имеют гораздо более длительный срок службы в таких условиях, и такой отказ никогда не наблюдался в прошлом. Примечательно, что компания использовала две версии насоса одного размера для двух различных применений. Один считается мягким насосом для нанесения асфальтового флюса, а другой — жестким насосом для заливки асфальта. Жесткие насосы имеют закаленные стальные роторы и валы для снижения износа от абразивов в заполненном асфальте.
        Когда поставщик насоса заметил проблему со сломанным валом, количество отказавших насосов составило 6 примерно за 12 месяцев. Всего в этом приложении 18 насосов. За последние несколько лет среднее количество отказов насоса за тот же период составило один. У некоторых насосов был сломан вал и соединение вала/ротора было срезано, в то время как у других вал вращался внутри ротора, а установочный винт, который должен был удерживать ротор и вал в целости, был срезан.
        Ось сдвига находится на жестком насосе, а вал, вращающийся внутри ротора, находится на мягком насосе. Отказ был проанализирован, и следующие результаты были выявлены и устранены в соответствии с указаниями.
        Поставщики и производители насосов тщательно анализируют насосы со сломанными или вращающимися валами. Вал и установочный винт были подвергнуты размерным проверкам и металлургическому анализу. Оба соответствуют требованиям производителя. После того, как насос был обожжен для удаления остаточного закаленного пека, ненормальный износ в насосе показал, что чрезмерное давление нагнетания прогнуло вал и привело к удару ротора о корпус насоса со стороны всасывания (см. рисунки 2 и 3).
        На стороне всасывания корпуса, где ротор прижимается к стенке корпуса, имеются следы износа. На стороне всасывания головной пластины также имеются следы износа, а ротор прогибается в головку. Другие следы износа на втулках, холостых колесах и серповидных шестернях также указывают на избыточное давление и последующий изгиб и прогиб вала. Когда ротор прижимается к корпусу и головке, чрезмерный крутящий момент может привести к поломке или вращению вала внутри ротора, срезая установочный винт.
        По данным производителя, «Последующее избыточное давление привело к изгибу вала, что в свою очередь вызвало износ корпуса, износ головки и в конечном итоге выход из строя узла ротор/вал». В результате анализа производителем были внесены изменения в конструкцию насосов и проведен анализ процедур эксплуатации технологических процессов на объекте.
        Производитель насоса заявляет максимальное давление подачи 150 фунтов на квадратный дюйм для этого насоса, что отчасти обусловлено размером вала и соответствующим отношением длины к диаметру (L/D) вала. Любое давление выше 150 фунтов на квадратный дюйм может привести к изгибу и деформации вала, как это видно по разрушению объекта.
        Стандартные рабочие процедуры установки компенсируют максимально допустимое давление нагнетания в 150 фунтов на квадратный дюйм, и были приняты меры для поддержания температуры и вязкости битумного потока, чтобы давление нагнетания не превышало этот предел. Фактически, как позже собрала группа по техническому обслуживанию объекта информацию о процессе, давление редко превышало 100 фунтов на квадратный дюйм.
        Однако необходимо также учитывать, могут ли энергосберегающие меры привести к тому, что давление нагнетания превысит максимально допустимое давление нагнетания насоса. Во время остановок завода, например, в выходные дни, температура битумного потока, поддерживаемая контуром нагрева термомасла, снижается для экономии энергии. После исследования было установлено, что время запуска, необходимое для доведения битума до приемлемой температуры и вязкости, не может быть увеличено для компенсации более холодного отключения в выходные дни. Таким образом, после отключения в выходные дни асфальт может быть слишком холодным и слишком вязким при запуске, при давлении нагнетания насоса, превышающем предел в 150 фунтов на квадратный дюйм. Во время этих пусков или отказов насоса не было никаких записей о температуре и давлении, поэтому было сделано это предположение.
        Учитывая эти факторы, производитель принял меры для решения проблемы прогиба вала насоса, в то время как группа по техническому обслуживанию объекта сосредоточилась на решении проблемы стандартных рабочих процедур. Каждая группа принимает меры для устранения дальнейших отказов вала.
        Производитель насоса изменил конструкцию насоса, включив в нее вал большего размера. Диаметр вала увеличился на 40%.
        Этот более толстый вал помогает уменьшить прогиб вала на 66%, снижая преждевременный износ и вероятность выхода из строя узла ротора/вала. Более крупные валы увеличивают отношение прогиба вала L/D и увеличивают максимально допустимое давление нагнетания до 200 фунтов на кв. дюйм.
        Это изменение конструкции впоследствии стало стандартом для насосов этого размера во всех будущих продуктах производителя. Диаметр вала со стороны привода насоса не изменился, поэтому существующее оборудование для передачи мощности, такое как шкивы и муфты, по-прежнему применимо к насосу.
        Поставщики насосов размещают оборудование для мониторинга процесса на насосах битумного потока для измерения температуры технологического контура, давления нагнетания и тока двигателя. Команда по техническому обслуживанию на объекте записывала данные в электронном виде каждые две секунды и проводила визуальный мониторинг три раза в день в течение трех месяцев.
        Группа по техническому обслуживанию объекта пересмотрела стандартные рабочие процедуры, в частности, связанные с процедурами отключения и запуска температурного контура битумного флюсования. Первоначально изменения были внесены для предотвращения ситуации холодного запуска.
       Проанализировав характер износа насоса и определив, находится ли насос под избыточным давлением, команда смогла сосредоточиться на причинах возникновения высокого давления и на том, какие шаги можно предпринять для предотвращения будущих отказов вала и ненужных простоев.
        Команда управления заводом тщательно изучила температуру и вязкость продукта в рабочих условиях, во время простоя и во время запуска. Они определили, что изменения в рабочих процедурах могут быть скорректированы для предотвращения условий холодного запуска, которые могут увеличить вязкость битумного потока и вызвать высокие скачки давления. Производители насосов согласны, что в насосах такого размера можно использовать валы большего размера и что можно достичь меньшего прогиба вала и более высокого давления. Теперь эта конструкция является стандартным предложением для производителя.
       Проанализировав основную причину отказа, группа специалистов по техническому обслуживанию объектов, производителей и поставщиков насосов работала над сокращением количества отказов насосов из-за трещин вала.