What Causes Piston Gear Pump Shaft Breakage?

        Sau khi một nhà sản xuất mái nhà sử dụng bơm bánh răng bên trong lớn để cung cấp chất trợ dung bitum trong nhiều năm, một số bơm đã gặp phải một số sự cố trục. Những sự cố trục này rất hiếm trong quá khứ và đã được báo cáo với nhà cung cấp bơm. Những bơm này thường hoạt động ở mức 100 gallon mỗi phút (gpm) với áp suất xả dưới 100 pound trên inch vuông (psi). Hệ thống sử dụng mạch gia nhiệt dầu nhiệt để duy trì chất trợ dung bitum ở nhiệt độ cao độc quyền nhằm giảm độ nhớt của sản phẩm xuống mức đủ để đảm bảo dòng chảy trơn tru và giảm sự tích tụ của chất trợ dung bitum rắn trên thành.
       Máy bơm được trang bị động cơ công suất 30 mã lực (hp), 1750 vòng quay mỗi phút (rpm) và hộp số giúp giảm tốc độ bơm xuống 100 vòng/phút ở lưu lượng sản phẩm 100 gpm.
       Các máy bơm này được sử dụng để chuyển chất trợ dung bitum từ các bể chứa trong nhà máy chưng cất đến ứng dụng cuối cùng của chất trợ dung bitum trên dây chuyền sản xuất.
        Cùng một loại bơm đã được sử dụng tại địa điểm này trong hơn 20 năm. Theo quy định, các loại bơm này có tuổi thọ dài hơn nhiều trong những điều kiện như vậy và chưa từng thấy sự cố nào như vậy trong quá khứ. Đáng chú ý, công ty đã sử dụng hai phiên bản bơm cùng kích thước cho hai ứng dụng khác nhau. Một loại được coi là bơm mềm để bơm thông lượng nhựa đường và loại còn lại được coi là bơm nạp cứng để bơm nhựa đường. Các loại bơm cứng có rôto và trục bằng thép tôi để giảm sự mài mòn do chất mài mòn trong nhựa đường đã được đổ đầy.
        Khi nhà cung cấp máy bơm nhận thấy vấn đề với trục bị hỏng, số lượng máy bơm bị hỏng là 6 trong khoảng 12 tháng. Tổng cộng có 18 máy bơm trong ứng dụng này. Trong vài năm qua, số lượng máy bơm bị hỏng trung bình trong cùng kỳ là một. Một số máy bơm bị hỏng trục và kết nối trục/rôto bị cắt đứt, trong khi một số máy bơm khác có trục quay bên trong rôto và vít cố định được cho là giữ nguyên rôto và trục đã bị cắt đứt.
        Trục cắt nằm trên một máy bơm cứng, và trục quay bên trong rôto nằm trên một máy bơm mềm. Sự cố đã được phân tích và các kết quả sau đây đã được xác định và giải quyết theo chỉ dẫn.
        Các nhà cung cấp và nhà sản xuất máy bơm phân tích cẩn thận các máy bơm có trục bị hỏng hoặc quay. Trục và vít cố định đã được kiểm tra kích thước và phân tích luyện kim. Cả hai đều tuân thủ các yêu cầu của nhà sản xuất. Sau khi máy bơm được đốt để loại bỏ phần cao su cứng còn sót lại, hiện tượng mài mòn bất thường ở máy bơm cho thấy áp suất xả quá mức đã làm lệch trục và khiến rôto đập vào vỏ máy bơm ở phía hút (xem hình 2 và 3).
        Có dấu hiệu hao mòn ở phía hút của vỏ nơi rôto bị ép vào thành vỏ. Phía hút của tấm đầu cũng cho thấy dấu hiệu hao mòn và rôto bị uốn cong vào đầu. Các dấu hiệu hao mòn khác trên ống lót, bánh dẫn hướng và lưỡi liềm cũng chỉ ra áp suất quá mức và sau đó là uốn cong và lệch trục. Khi rôto ép vào thân và đầu, mô-men xoắn quá mức có thể khiến trục bên trong rôto bị gãy hoặc quay, cắt đứt vít cố định.
        Theo nhà sản xuất, “Áp suất quá mức sau đó khiến trục bị cong, từ đó gây ra hiện tượng mài mòn thân máy, mài mòn đầu máy và cuối cùng là hỏng cụm rôto/trục”. Sau khi phân tích, nhà sản xuất đã thay đổi thiết kế máy bơm và tiến hành phân tích các quy trình vận hành tại cơ sở.
        Nhà sản xuất máy bơm tuyên bố áp suất cung cấp tối đa là 150 psi cho máy bơm này, một phần là do kích thước của trục và tỷ lệ chiều dài trên đường kính (L/D) tiếp theo của trục. Bất kỳ áp suất nào trên 150 psi đều có thể khiến trục bị cong và lệch, như thấy trong trường hợp vật thể bị vỡ.
        Các quy trình vận hành tiêu chuẩn của đơn vị bù cho áp suất xả tối đa cho phép là 150 psi và đã cẩn thận duy trì nhiệt độ và độ nhớt của thông lượng bitum để áp suất xả không vượt quá giới hạn này. Trên thực tế, khi nhóm bảo trì của cơ sở sau đó thu thập thông tin về quy trình, áp suất hiếm khi vượt quá 100 psi.
        Tuy nhiên, cũng phải xem xét liệu các biện pháp tiết kiệm năng lượng có thể khiến áp suất xả vượt quá áp suất xả tối đa cho phép của máy bơm hay không. Trong thời gian nhà máy ngừng hoạt động, chẳng hạn như vào cuối tuần, nhiệt độ của dòng bitum được duy trì bởi mạch gia nhiệt dầu nhiệt sẽ được giảm xuống để tiết kiệm năng lượng. Sau khi điều tra, người ta xác định rằng thời gian khởi động cần thiết để đưa bitum đến nhiệt độ và độ nhớt chấp nhận được không thể tăng lên để bù cho thời gian ngừng hoạt động vào cuối tuần lạnh hơn. Vì vậy, sau khi ngừng hoạt động vào cuối tuần, nhựa đường có thể quá lạnh và quá nhớt khi khởi động, với áp suất xả của máy bơm vượt quá giới hạn 150 psi. Không có hồ sơ nhiệt độ và áp suất nào trong những lần khởi động hoặc hỏng máy bơm này, vì vậy giả định này đã được đưa ra.
        Với những yếu tố này, nhà sản xuất đã thực hiện các bước để giải quyết vấn đề lệch trục bơm trong khi nhóm bảo trì cơ sở tập trung vào việc giải quyết vấn đề quy trình vận hành tiêu chuẩn. Mỗi nhóm thực hiện hành động để loại bỏ các lỗi trục tiếp theo.
        Nhà sản xuất máy bơm đã sửa đổi thiết kế máy bơm để bao gồm một trục lớn hơn. Đường kính trục tăng 40%.
        Trục dày hơn này giúp giảm độ lệch trục 66%, giảm mài mòn sớm và khả năng hỏng cụm rotor/trục. Trục lớn hơn làm tăng tỷ lệ độ lệch trục L/D và tăng áp suất xả tối đa cho phép lên 200 psi.
        Sự thay đổi thiết kế này sau đó đã trở thành tiêu chuẩn cho các máy bơm có kích thước này trong tất cả các sản phẩm tương lai của nhà sản xuất. Đường kính trục ở phía truyền động của máy bơm không thay đổi, do đó các thiết bị truyền động hiện có như puli và khớp nối vẫn có thể áp dụng cho máy bơm.
        Các nhà cung cấp máy bơm đặt thiết bị giám sát quy trình trên máy bơm thông lượng bitum để đo nhiệt độ mạch quy trình, áp suất xả và dòng điện của động cơ. Đội bảo trì tại chỗ đã ghi lại bằng điện tử cứ sau hai giây và thực hiện giám sát trực quan ba lần một ngày trong ba tháng.
        Nhóm bảo trì cơ sở đã xem xét các quy trình vận hành tiêu chuẩn liên quan cụ thể đến quy trình tắt máy và khởi động cho vòng nhiệt độ chảy bitum. Ban đầu, các thay đổi được thực hiện để ngăn ngừa tình trạng khởi động lạnh.
       Bằng cách phân tích các kiểu hao mòn của bơm để xác định xem bơm có bị quá áp hay không, nhóm nghiên cứu có thể tập trung vào lý do tại sao áp suất cao lại xảy ra và những bước nào có thể thực hiện để ngăn ngừa hỏng trục trong tương lai và thời gian ngừng hoạt động không cần thiết.
        Nhóm quản lý nhà máy đã nghiên cứu cẩn thận nhiệt độ và độ nhớt của sản phẩm trong điều kiện vận hành, trong thời gian ngừng hoạt động và trong quá trình khởi động. Họ xác định rằng có thể điều chỉnh những thay đổi trong quy trình vận hành để ngăn ngừa tình trạng khởi động lạnh có thể làm tăng độ nhớt của thông lượng bitum và gây ra các đợt tăng áp suất cao. Các nhà sản xuất máy bơm đồng ý rằng có thể sử dụng trục lớn hơn trong các máy bơm có kích thước này và có thể đạt được độ lệch trục ít hơn và áp suất cao hơn. Thiết kế này hiện là sản phẩm tiêu chuẩn của nhà sản xuất.
       Bằng cách phân tích nguyên nhân gốc rễ của sự cố, một nhóm gồm những người bảo trì cơ sở, nhà sản xuất máy bơm và nhà cung cấp máy bơm đã nỗ lực để giảm thiểu sự cố máy bơm do gãy trục.