What Causes Piston Gear Pump Shaft Breakage?

        Після того, як виробник покрівельних матеріалів протягом багатьох років використовував великі внутрішні зубчасті насоси для подачі бітумного флюсу, ряд насосів кілька разів виходили з ладу валів. Ці несправності валу були рідкістю в минулому, і про них було доведено до відома постачальника насоса. Ці насоси зазвичай працюють зі швидкістю 100 галонів на хвилину (gpm) з тиском нагнітання нижче 100 фунтів на квадратний дюйм (psi). У системі використовується контур нагріву термального масла для підтримки високої температури бітумінозного флюсу, щоб знизити в’язкість продукту до рівня, достатнього для забезпечення плавного потоку та зменшення накопичення твердого бітумінозного флюсу на стінках.
       Насоси оснащені двигуном потужністю 30 кінських сил (к.с.), 1750 обертів на хвилину (об/хв) і коробкою передач, яка знижує швидкість насоса до 100 об/хв при потоці продукту 100 галлонів на хвилину.
       Ці насоси використовуються для передачі бітумного флюсу з резервуарів для зберігання дистиляційної установки до кінцевого внесення бітумного флюсу на виробничу лінію.
        Одні і ті ж насоси використовуються на цій ділянці вже понад 20 років. Як правило, ці насоси мають набагато більший термін служби в таких умовах, і подібної поломки ніколи не було в минулому. Примітно, що компанія використовувала дві версії насоса одного розміру для двох різних застосувань. Один вважається м’яким насосом для нанесення асфальтового флюсу, а інший вважається жорстким насосом для заливки асфальту. Жорсткі насоси мають загартовані сталеві ротори та вали для зменшення зносу від абразивів у наповненому асфальті.
        Коли постачальник насосів помітив проблему зі зламаним валом, кількість насосів, що вийшли з ладу, становила 6 приблизно за 12 місяців. Всього в цій програмі 18 насосів. За останні кілька років середня кількість поломок насосів за той самий період становила один. Деякі насоси мали зламаний вал, і з’єднання вал/ротор було розірвано, тоді як у інших вал обертався всередині ротора, а установчий гвинт, який мав утримувати ротор і вал, був відрізаний.
        На жорсткому насосі знаходиться вісь зсуву, а на м'якому - вал, що обертається всередині ротора. Помилка була проаналізована, і наступні результати були виявлені та вирішені відповідно до вказівок.
        Постачальники та виробники насосів ретельно аналізують насоси зі зламаними або обертовими валами. Вал і установчий гвинт піддалися перевірці розмірів і металургійному аналізу. Обидва відповідають вимогам виробника. Після спалювання насоса для видалення залишків затверділої смоли аномальний знос насоса показав, що надмірний тиск нагнітання відхилив вал і спричинив врізання ротора в корпус насоса з боку всмоктування (див. малюнки 2 і 3).
        Є ознаки зносу на стороні всмоктування корпусу, де ротор притиснутий до стінки корпусу. Сторона всмоктування головної пластини також має ознаки зносу, а ротор прогинається в головній частині. Інші ознаки зносу втулок, натяжних роликів і півмісяців також вказують на надлишковий тиск і подальший вигин і прогин вала. Коли ротор тисне на корпус і головку, надмірний крутний момент може призвести до того, що вал всередині ротора зламається або обертається, зрізаючи установчий гвинт.
        За словами виробника, «подальший надлишковий тиск спричинив згинання валу, що, у свою чергу, призвело до зносу корпусу, зносу голови та, зрештою, до поломки вузла ротор/вал». За результатами аналізу виробником внесено зміни в конструкцію насосів та проведено аналіз порядків організації процесів на об’єкті.
        Виробник насоса стверджує, що максимальний тиск подачі для цього насоса становить 150 фунтів на кв. Будь-який тиск вище 150 фунтів на квадратний дюйм може призвести до згинання та відхилення валу, як видно з розбиття предмета.
        Стандартні робочі процедури блоку компенсують максимально допустимий тиск нагнітання 150 фунтів на кв. Насправді, оскільки команда технічного обслуговування підприємства пізніше зібрала інформацію про процес, тиск рідко перевищував 100 psi.
        Однак необхідно також враховувати, чи можуть енергозберігаючі заходи спричинити перевищення тиску нагнітання максимально допустимого тиску нагнітання насоса. Під час зупинки заводу, наприклад у вихідні, температура бітумного флюсу, що підтримується контуром нагріву термального масла, знижується для економії енергії. Після дослідження було встановлено, що час запуску, необхідний для доведення бітуму до прийнятної температури та в’язкості, не можна було збільшити, щоб компенсувати зупинку у холодніші вихідні. Таким чином, після зупинки на вихідних асфальт може бути занадто холодним і занадто в’язким під час запуску, а тиск нагнітання насоса перевищує межу 150 psi. Не було записів про температуру та тиск під час цих пусків або поломок насосів, тому було зроблено таке припущення.
        Враховуючи ці фактори, виробник вжив заходів для вирішення проблеми прогину вала насоса, тоді як команда з обслуговування об’єктів зосередилася на вирішенні проблеми стандартних операційних процедур. Кожна група вживає заходів для усунення подальших несправностей валу.
        Виробник насоса змінив конструкцію насоса, включивши більший вал. Діаметр валу збільшений на 40%.
        Цей більш товстий вал допомагає зменшити прогин вала на 66%, зменшуючи передчасний знос і ймовірність виходу з ладу вузла ротор/вал. Великі вали збільшують коефіцієнт відхилення вала L/D і збільшують максимально допустимий тиск нагнітання до 200 psi.
        Згодом ця зміна конструкції стала стандартом для насосів такого розміру у всіх майбутніх продуктах виробника. Діаметр вала на стороні приводу насоса не змінився, тому наявне обладнання для передачі енергії, таке як шківи та муфти, все ще застосовне до насоса.
        Постачальники насосів розміщують обладнання для контролю процесу на бітумних флюсових насосах для вимірювання температури технологічного контуру, тиску нагнітання та струму двигуна. Команда з обслуговування сайту кожні дві секунди робила електронний запис і здійснювала візуальний моніторинг тричі на день протягом трьох місяців.
        Команда з технічного обслуговування об’єкта переглянула стандартні робочі процедури, зокрема пов’язані з процедурами зупинки та запуску температурного контуру флюсування бітуму. Спочатку зміни були внесені для запобігання ситуації холодного запуску.
       Проаналізувавши закономірності зносу насоса, щоб визначити, чи був у насосі надлишковий тиск, команда змогла зосередитися на тому, чому виникав високий тиск і які кроки можна вжити, щоб запобігти майбутній поломці вала та непотрібним простоям.
        Керівництво заводу ретельно вивчило температуру та в’язкість продукту в умовах експлуатації, під час простою та під час запуску. Вони визначили, що зміни в робочих процедурах можна скоригувати, щоб запобігти умовам холодного запуску, які можуть збільшити в’язкість бітумінозного флюсу та спричинити стрибки високого тиску. Виробники насосів сходяться на думці, що в насосах такого розміру можна використовувати більші вали, і можна досягти меншого прогину вала та більшого тиску. Дизайн тепер є стандартною пропозицією для виробника.
       Аналізуючи першопричину несправності, команда спеціалістів з обслуговування об’єктів, виробників і постачальників насосів працювала над тим, щоб зменшити кількість відмов насосів через руйнування валу.