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摩根軋機乳化液侵入污染問題分析及處置措施

2012-01-19 00:49
有色金屬設(shè)計 2012年2期
關(guān)鍵詞:軋輥軋機油膜

納 鏗

(云南銅業(yè)股份有限公司,云南昆明650051)

摩根軋機乳化液侵入污染問題分析及處置措施

納 鏗

(云南銅業(yè)股份有限公司,云南昆明650051)

針對摩根軋機乳化液侵入污染問題,根據(jù)摩根軋機的運行實踐,分析了污染產(chǎn)生的原因及危害,提出了解決問題的方法及措施。

摩根軋機;乳化液侵入污染;污染防控

0 引言

摩根軋機潤滑系統(tǒng)為軋機油膜軸承提供潤滑油,用以保障摩根軋機油膜軸承建立正常的承載油膜和潤滑,從而保證軋機正常運行。

作為保障摩根軋機系統(tǒng)正常運行的主要元素——潤滑油的清潔及污染控制始終是設(shè)備管理者給予充分重視和關(guān)注的重點。

據(jù)云南銅業(yè)股份有限公司摩根軋機運行實踐統(tǒng)計,乳化液侵入污染的發(fā)生頻率較高,因乳化液侵入污染受損對象幾乎覆蓋了軋機系統(tǒng)大部分零部件及元器件,污染造成的危害較大,對此須認真分析研究產(chǎn)生問題的原因,進行防范和控制,保障軋機系統(tǒng)的正常運行。

1 污染物侵入途徑分析

(1)乳化液侵入途徑主要為軋機油膜軸承密封件失效或損壞時,軋機工藝用乳化液通過失效或損壞的密封間隙進入軋機內(nèi)部。

(2)潤滑系統(tǒng)周圍環(huán)境較差,濕度和降塵量大,油箱密封不良,空氣過濾器缺失,在軋機潤滑油散熱過程中,通過油箱的呼吸作用吸入環(huán)境中的粉塵和潮濕空氣混入油液。

2 軋機系統(tǒng)侵入污染物來源

(1)乳化液本身的大量水分;

(2)乳化液攜帶入大量的固體污染物(主要是軋制過程產(chǎn)生的細微的銅顆粒和銅氧化皮顆粒、雜質(zhì)等);

(3)軋機系統(tǒng)工作環(huán)境中的濕氣(水分)和粉塵等,這部分污染物量比較小。

3 乳化液侵入污染產(chǎn)生的危害

3.1 油液乳化和稀釋

鑒于軋機潤滑油和水有一定的親和性,油液吸水飽和度約(500~600)×10-6。當(dāng)油液中含水量超過吸水飽和度時,乳化液中過量的水分以游離水和乳化水的形式存在于油液中,使油液稀釋,降低油液黏度及潤滑性能,油膜軸承與軸頸間油膜支承剛度下降,導(dǎo)致油膜軸承與軸頸之間形成邊界摩擦甚至出現(xiàn)干摩擦,油膜軸承和軋輥軸頸快速磨損,甚至產(chǎn)生黏著抱軸燒瓦。

油液稀釋還會影響潤滑系統(tǒng)油泵的供油壓力和流量的穩(wěn)定,嚴(yán)重時甚至?xí)疖垯C系統(tǒng)非正常停機。

3.2 乳化液攜帶混入的固體顆粒物危害

(1)軸頸和油膜軸承磨損:軋機油膜軸承因固體顆粒污染產(chǎn)生磨損是導(dǎo)致軋機故障受迫停機或更換軋機的最直接因素。進入油膜軸承和軋輥軸間油膜間隙中的固體顆粒在運轉(zhuǎn)中,對油膜軸承表面發(fā)生碾壓和搓動,會產(chǎn)生很大的應(yīng)力,可導(dǎo)致軸承表面疲勞磨損而產(chǎn)生剝落;進入油膜軸承和軋輥軸間油膜間隙內(nèi)的堅硬固體顆粒物會嵌入其中較軟的軸承表面,從而在相對運動中產(chǎn)生切削作用,產(chǎn)生次生磨粒及磨損。據(jù)資料記載,Timken軸承公司通過試驗測定滑動軸承的磨損量與油液污染度的關(guān)系得到的結(jié)論是:污染度與磨損量為線性關(guān)系,即油液污染度上升,軸承的磨損量成線性增長;據(jù)統(tǒng)計表明,乳化液侵入污染嚴(yán)重時,72 h(一個工藝周期)即可使軋輥軸軸頸產(chǎn)生0.03~0.05 mm的磨損量(平均值)。

2006~2009 年該公司在線維修和因故障更換軋機原因調(diào)查統(tǒng)計表明:軋機因侵入固體顆粒污染物引起油膜軸承和軋輥軸頸非正常磨損而導(dǎo)致故障的情況,約占更換軋機比例的83%強。乳化液攜帶進入軋機系統(tǒng)的固體顆粒物如果得不到及時的清除,則會產(chǎn)生磨損的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),產(chǎn)生二次及以上顆粒污染物,加速軋機油膜軸承、軸頸、軋輥軸止推軸承和軋輥軸上齒輪齒面的磨損,甚至引起相關(guān)零部件磨損報廢。

(2)降低軋機密封元器件壽命:顆粒污染物迅速引起軋機密封失效,導(dǎo)致系統(tǒng)大量漏油及乳化液混入潤滑系統(tǒng),嚴(yán)重的惡性循環(huán)加速了油液劣化,引起軋機系統(tǒng)故障和受迫停機,同時,大量的顆粒污染物對軋機潤滑系統(tǒng)管道設(shè)備(油泵、閥門等)造成不正常的磨損,加重軋機和潤滑系統(tǒng)元器件(如油泵、閥門等)的磨損,使用壽命降低,引起過濾器淤塞,致使設(shè)備無法正常運行。

(3)潤滑油添加劑析出:乳化液與油液中金屬硫化物和氯化物(來自某些添加劑,如抗磨添加劑等)以及某些氧化物作用產(chǎn)生酸類物質(zhì),腐蝕潤滑系統(tǒng)設(shè)備、元件、油箱及管線內(nèi)壁,增加油液的酸值:其次,乳化液與油液中某些添加劑(如抗氧化劑)作用產(chǎn)生絮狀沉淀物和膠質(zhì)絡(luò)和物等新的有害污染物,加速了油液的變質(zhì)劣化,淤塞過濾器和管道狹窄處,只得受迫停機清理淤塞管道或更換過濾器濾芯,因國內(nèi)過濾器濾芯尚不能達到軋機工作要求,購置進口過濾器濾芯價格昂貴,大大增加系統(tǒng)生產(chǎn)運行和維修成本,據(jù)統(tǒng)計,該公司軋機系統(tǒng)過濾器濾芯因潤滑系統(tǒng)乳化液侵入污染造成淤塞更換約占濾芯更換總數(shù)83%以上,污染嚴(yán)重的一次,管路上新?lián)Q的進口濾芯只使用了不到2 h,而管路至油箱回油口處回油過濾器也因此而淤塞。

4 污染物侵入原因分析

4.1 乳化液侵入原因

(1)軋機密封失效未能及時處置。在軋機運行中當(dāng)密封零件和密封件磨損或損壞時,因生產(chǎn)的工藝周期關(guān)系以及缺乏有效的實時監(jiān)測手段,往往等到油箱液位出現(xiàn)不正常上升甚至油箱滿溢時才能發(fā)現(xiàn)和處理問題,但此時油箱內(nèi)已混入了大量的乳化液,油質(zhì)早已嚴(yán)重劣化甚至喪失了保障軋機運行的功能。

(2)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計問題(見圖1)。該公司摩根軋機分別引進于20世紀(jì)80~90年代,就早期軋機設(shè)計結(jié)構(gòu)以及軋機密封設(shè)計結(jié)構(gòu)看,軋機密封是以封水(乳化液)為主,不能兼顧封油,特別是在軋機油膜軸承或軋輥軸軸頸磨損,油膜軸承與軋輥軸頸間隙增大導(dǎo)致回油壓力增大,油封承壓不足時尤為突出,往往形成油水互滲;后期的摩根軋機在密封設(shè)計上采用了成對配置的油封,但仍不能完全解決問題。

圖1 軋機密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Sealing Structure of Rolling Mill

圖2 微泵滲漏影響Fig.2 Influence of Micro- pump Leakage

(3)微泵滲漏?!拔⒈脻B漏”是軋機因結(jié)構(gòu)和元器件安裝不良產(chǎn)生的一種非正常狀態(tài)(圖2),根據(jù)對軋機結(jié)構(gòu)和運行狀況的分析,“微泵滲漏”產(chǎn)生的原因:①軋機軋輥安裝不到位,拋油環(huán)與軋輥間產(chǎn)生微小間隙,拋油環(huán)未緊固;在軋機運轉(zhuǎn)過程中,拋油環(huán)不與軋輥軸同步旋轉(zhuǎn),與油封密封面間不能形成有效的密封泵吸壓力;同時在進入拋油環(huán)與油封間的乳化液擠壓和進入拋油環(huán)下端面油膜軸承處回油推力作用下發(fā)生軸向位移,沿軋輥軸軸線方向在軋輥與保持架之間往復(fù)竄動,在竄動過程中,將包含于拋油環(huán)和保持架油封之間的乳化液連續(xù)地擠入拋油環(huán)和油封間隙之間,并形成一定的壓力,破壞油封的密封作用,其作用如泵壓一般,持續(xù)地將乳化液通過拋油環(huán)和油封之間的間隙“泵”入軋機內(nèi)部,導(dǎo)致乳化液侵入污染狀況,這一問題在軋機轉(zhuǎn)速400~550 r/min時尤為突出,并且“微泵滲漏”不受軋機立裝還是臥裝方式影響;②軋機結(jié)構(gòu),因軋輥軸軸向止推使用的是面對面安裝的角接觸球軸承,軋機原設(shè)計為保證軸承安裝對心和軋輥軸運轉(zhuǎn)時軸承受熱膨脹后的游隙,軸與軸承采用φD-H/h配合公差,但由于軸承及軋輥軸頸加工工藝標(biāo)準(zhǔn)的不一致性,實際上其軸與軸承配合均形成微小間隙配合,約在0.005~0.009 mm之間(見圖3),運轉(zhuǎn)一段時間后,極易因間隙產(chǎn)生“跑內(nèi)圈”的情況,當(dāng)止推失效時,軋輥軸在軋制過程中因軋制力和坯料的作用也會產(chǎn)生微小軸向竄動導(dǎo)致“微泵滲漏”,致使乳化液侵入潤滑系統(tǒng),這一問題在軋機轉(zhuǎn)速在700 r/min附近反映較為突出。

該現(xiàn)象在檢查中容易忽視,有時甚至在空運轉(zhuǎn)試車也無異常;但在實際負荷運行中,一旦產(chǎn)生“微泵滲漏”,乳化液可以8~10 mL/min左右的速度快速侵入軋機系統(tǒng),軋機潤滑油迅速劣化變質(zhì),6~8 h即可造成軋機系統(tǒng)因乳化液侵入故障而被迫停機檢修;同時,乳化液攜帶混入的固體顆粒物迅速地破壞軋機密封致使密封磨損失效,惡性循環(huán)使污染危害變得尤為嚴(yán)重,往往需要經(jīng)過長時間(6~8個班次)的持續(xù)處理并逐漸添加新油才能使?jié)櫥突謴?fù)到基本可用狀態(tài),污染造成的后果將在其后相當(dāng)長的一段時間影響軋機系統(tǒng)的運行,情況嚴(yán)重時就只能被迫更新潤滑油。

圖3 角接觸軸承配合間隙影響Fig.3 Influence of Angular Contact Bearing Fit Clearance

(4)零配件及密封件問題。該公司摩根軋機為20世紀(jì)80~90年代中葉引進的成套設(shè)備,迄今已運行了很多年,摩根軋機系統(tǒng)的部件以及軸承、軸、襯套、水封、油封均存在著不同程度的磨損或老化。很多零部件已產(chǎn)生磨損和失效,需要更換或修復(fù),同時易損易耗件也需要定期進行更換,但在實際運行中,因購置成本、周期、渠道、生產(chǎn)廠家技術(shù)更替、公司購并等因素制約,無法保障使用可完全互換的原產(chǎn)備件,本地采購和加工零配件成為必然的選擇,在零配件和易損易耗件國產(chǎn)化制造和就地市場采購中,由于相關(guān)資料不完整,采用標(biāo)準(zhǔn)、制式間的差異以及材料、制造技術(shù)和工藝的不一致性和不穩(wěn)定性,國產(chǎn)化零部件和易損易耗件與原產(chǎn)備件產(chǎn)生差異,當(dāng)這種差異因生產(chǎn)制造工藝及安裝工藝問題而導(dǎo)致零部件和易損易耗件產(chǎn)生誤差時,誤差導(dǎo)致的隱性缺陷即成為造成軋機潤滑系統(tǒng)乳化液污染物的侵入污染的因素之一。

4.2 其它污染物侵入原因

(1)因工作環(huán)境較差,軋機系統(tǒng)油箱密封不良,空氣濾清器缺失,軋機油液散熱過程中因呼吸作用混入濕氣(水分)和粉塵。

(2)維修時混入的雜質(zhì)。

5 乳化液污染侵入的防范與控制

(1)加強運行監(jiān)測,認真點檢,定期和隨機檢查潤滑油液位、軋機密封,潤滑油外觀等,發(fā)現(xiàn)隱患及時處置,及時更換失效的軋機密封件,使乳化液侵入隱患在萌芽狀態(tài)即得到有效處置。

(2)規(guī)范安裝作業(yè),消除“微泵滲漏”。我們已知“微泵滲漏”是軋機因結(jié)構(gòu)和元器件安裝不良產(chǎn)生的一種非正常狀態(tài),那么保證安裝正確、規(guī)范就成為了首選措施,其一是要規(guī)范安裝作業(yè)要求,保證軋輥和拋油環(huán)安裝配合到位,認真檢查并監(jiān)督軋輥安裝作業(yè)過程和實際效果;其二是調(diào)整軋機密封元器件配合偏差分布,使軋輥軸與成對面對面安裝的角接觸球軸承在保證軸承安裝對心和軋輥軸運轉(zhuǎn)時軸承受熱膨脹后的游隙的前提下選擇有效的配合公差,據(jù)此,我們采取了對新制軋輥軸軸頸配合尺寸偏差進行調(diào)整,使該軸頸段配合由微小間隙配合變?yōu)楸WC微小過盈配合,過盈量在0~0.009之間。經(jīng)實踐驗證,“微泵滲漏”現(xiàn)象得到消除。

(3)調(diào)整油封配合尺寸及配合公差:軋機密封件原設(shè)計與我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及制式存在差異,密封件安裝困難,密封件安裝極易產(chǎn)生隱性變形,針對這個問題,通過對密封狀態(tài)的現(xiàn)場調(diào)研、軋機密封設(shè)計結(jié)構(gòu)的仿求分析,依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,我們對軋機油封的唇口密封、軸頸尺寸偏差、安裝配合尺寸及偏差和配偶件配合尺寸進行了調(diào)整,改善了密封件的安裝條件,并注意對油封唇口的潤滑,保證軋機密封在設(shè)計規(guī)定的使用和運行狀態(tài)下工作。

(4)保證油液加熱循環(huán)真空脫水裝置使用條件:摩根軋機系統(tǒng)中配置了加熱循環(huán)真空脫水裝置,可對運行中的油液進行不間斷的油水分離作業(yè),但該加熱循環(huán)真空脫水裝置設(shè)計上適應(yīng)能力較弱,雖經(jīng)改造仍顯不足。因此,須保證油液溫度和真空度保持在設(shè)定范圍,其中,油液溫度51.7~65.6℃ (即 125 ~ 150°F),真空度3 466.372 ~3 599.694 Pa(即-26~-27 mmHg的表壓)。通過循環(huán)加熱器和真空脫水裝置返回油箱的潤滑油溫約在50~55℃(這一溫度有利于油液中水分的自行分離及顆粒雜質(zhì)的沉淀);以有效實現(xiàn)油水分離和清除油液內(nèi)顆粒污染物。

(5)合理控制潤滑系統(tǒng)油溫。潤滑油的溫度變化將直接影響到潤滑油的粘度變化,而潤滑油的粘度改變又將直接影響軋機油膜軸承和軋輥軸間油膜的建立以及油膜軸承的支承剛度改變,進而引起軋機油膜軸承和軋輥軸軸頸的磨損甚至損壞。供摩根軋機油膜軸承的潤滑油經(jīng)系統(tǒng)出口處換熱器冷卻,油溫控制在38~40℃之間,保證在油膜軸承與軋輥軸軸頸之間形成正常(理想)的油膜并建立起足夠的支承剛度。

(6)保持油箱合理的高液位運行。軋機系統(tǒng)運行時,油箱液位應(yīng)盡可能保持在設(shè)計要求的上限液位,以保證潤滑系統(tǒng)工作時油泵的進口工作壓力(壓頭)穩(wěn)定,防止油泵因液位過低產(chǎn)生供油壓力和流量波動,盡管有時這種波動甚微,但仍然會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響,特別在油液污染度高的時候更為突出。我們多次觀察到在潤滑系統(tǒng)運行中因油位低導(dǎo)致系統(tǒng)供油泵壓力不穩(wěn)定甚至無法建立壓力的情況。同時,油箱內(nèi)潤滑油液位過低,會因油液加熱器上部油液出現(xiàn)局部高溫導(dǎo)致油液老化、氧化以及添加劑析出等狀況。另外,潤滑油在油箱內(nèi)滯留時間短,系統(tǒng)潤滑油循環(huán)頻率增加,油液在一個循環(huán)周期里不能得到充分沉淀凈化和冷卻時間,長期運行將影響(或降低)潤滑油液的壽命及性能品質(zhì),最終影響軋機設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。所以應(yīng)保持軋機系統(tǒng)潤滑油在“合理高限”的液位上運行。

(7)完善和維護好過濾系統(tǒng)。我公司摩根軋機潤滑系統(tǒng)有三級過濾,在進入軋機系統(tǒng)管路前安裝有一臺雙筒過濾器,精度為β22≥1 000,過濾器濾芯處加有磁片,用于吸附元器件磨損產(chǎn)生的鐵磁性顆粒,循環(huán)加熱器處有一臺單筒過濾器,精度為β12≥1 000,真空脫水罐處有一組濾芯,精度為β10≥1 000,在發(fā)生乳化液侵入污染時過濾器很容易被堵塞,須及時更換處理。過濾器可在不停機的情況下更換和清洗,過濾器濾芯以更換處理為主,過濾器其它部分結(jié)合維修工作安排清洗和維護。

(8)定期排污及排出油箱內(nèi)沉淀分離出游離水分。摩根軋機潤滑系統(tǒng)油箱分為供油和回油兩部分,通過分設(shè)于油箱供油側(cè)和回油側(cè)的液位計可監(jiān)測油箱供油側(cè)和回油側(cè)的液位及含水情況,利用油箱底部排污閥可將沉淀分離出的水分和部分顆粒物排出,從而凈化油液,防止油液氧化、乳化,提高油液的使用壽命。正常情況下,一個月作一次排水及排污工作即可;同時,結(jié)合大修周期,安排系統(tǒng)清潔沖洗,清除軋機系統(tǒng)內(nèi)侵入污染物,過濾潤滑油,提高油液的清潔度,保障軋機系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

6 結(jié)語

通過采取上述措施后,該公司摩根軋機系統(tǒng)基本保持在合格的清潔度、正常粘度、正常的油溫條件下運轉(zhuǎn),含水量≤100×10-6,大大減少了軋機油膜軸承和軋輥軸的磨損,減少了軋機密封件的損耗,有效降低了維修成本,延長了軋機潤滑系統(tǒng)中潤滑油及設(shè)備的使用時限,對保證和延長軋機的使用精度和壽命起到了積極有效的作用。

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[2]胡邦喜.液壓潤滑系統(tǒng)的清潔度控制[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003.

[3]李建國,等.油封動密封機制的有限元分析[J].潤滑與密封,2007(1):96-98.

[4]機械工程手冊:滑動軸承[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[5]黃志堅.軋機軋輥與軸承使用維修技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008.

Analysis on Emulsion Invasive Pollution Problem of Morgan Rolling Mill and Disposal Measures

NA Keng
(Yunnan Copper Co.Ltd.,Kunming 650051,China)

In illusion to emulsion invasive problem of Morgan rolling mill,and based on operation practice of Morgan rolling mill,the reasons of pollution and its danger were analyzed and the methods of solving problems and measures were put forward.

Morgan rolling mill;emulsion pollution;pllution prevention and control

TH117.2

A

1004-2660(2012)02-0051-05

2012-04-10.

納鏗(1957-),男,云南人,工程師.主要研究方向:冶煉加工設(shè)備設(shè)計與制造.

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