劉巖

北京燕山威立雅水務(wù)有限責(zé)任公司 北京 102500

1 前言

涼水塔作為工業(yè)循環(huán)水場循環(huán)水溫度控制和調(diào)節(jié)最主要的設(shè)施，其主要工作原理是將從生產(chǎn)裝置經(jīng)過熱交換而升溫的循環(huán)水，通過涼水塔布水管線、布水噴頭直接噴灑在涼水塔內(nèi)部的填料層上，通過水與空氣的接觸，由上部安裝的風(fēng)機(jī)帶動(dòng)塔內(nèi)氣流由下至上流動(dòng)，與自上至下流下的循環(huán)水在填料層內(nèi)進(jìn)行換熱，風(fēng)機(jī)將與水換熱后的熱氣流帶出，從而達(dá)到降低循環(huán)水溫度的冷卻效果。由于填料部分受限于涼水塔的構(gòu)造及原始設(shè)計(jì)，在其正常使用周期內(nèi)，都能夠處于較好的運(yùn)行狀態(tài)，這也就進(jìn)一步突出了涼水塔風(fēng)機(jī)在循環(huán)水場尤其是夏季熱負(fù)荷較高的循環(huán)水場中的生產(chǎn)重要性。目前在工業(yè)開式循環(huán)水場的涼水塔中，軸流風(fēng)機(jī)是應(yīng)用較為廣泛的一種，其主要部件包括：配套電機(jī)、傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器、減速機(jī)、葉片輪轂組件等，這其中傳動(dòng)軸作為連接電機(jī)與減速機(jī)的主要功能組件，在整臺風(fēng)機(jī)中也是非常重要的組件之一。傳統(tǒng)的傳動(dòng)軸采取的是普通不銹鋼材質(zhì)，其在使用初期還能夠處于較好的運(yùn)行狀態(tài)，但隨著運(yùn)行時(shí)間的累積，振動(dòng)上升、運(yùn)行電流上升、材質(zhì)腐蝕等問題也陸續(xù)出現(xiàn)，對風(fēng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行及節(jié)能運(yùn)行非常不利。

2 涼水塔風(fēng)機(jī)的基本運(yùn)行狀況

2.1 循環(huán)水場概況

某大型石油化工企業(yè)煉油系統(tǒng)循環(huán)水場設(shè)計(jì)處理總量為7000噸/小時(shí)，所帶生產(chǎn)裝置均為煉油裝置，其涼水塔為開式?jīng)鏊?。其中一座為橫流式機(jī)械通風(fēng)涼水塔，該座水塔處理水量為3000噸/小時(shí)，水塔分為兩間，分別安裝一臺由國內(nèi)某主要生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的L85型風(fēng)機(jī)。

2.2 運(yùn)行風(fēng)機(jī)概況

由于該循環(huán)水場所帶生產(chǎn)裝置熱負(fù)荷較高，系統(tǒng)循環(huán)水溫差達(dá)到7-10℃，造成風(fēng)機(jī)年度累計(jì)運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他循環(huán)水場的同類設(shè)備。該涼水塔風(fēng)機(jī)的基本構(gòu)造和基本參數(shù)情況分別如圖1、表1所示：

表1 L85型風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)

由圖1及風(fēng)機(jī)在涼水塔風(fēng)筒中所處的位置可以看出，傳動(dòng)軸部分分布于整個(gè)涼水塔風(fēng)筒的內(nèi)外兩個(gè)區(qū)域，其在運(yùn)行過程中前后兩個(gè)區(qū)域處于截然不同的兩個(gè)環(huán)境，即風(fēng)筒內(nèi)部為潮濕、高溫的環(huán)境，風(fēng)筒外部為通風(fēng)、低溫的環(huán)境，這也是傳動(dòng)軸在長周期運(yùn)行后陸續(xù)出現(xiàn)故障情況的主要原因之一。

3 不銹鋼傳動(dòng)軸運(yùn)行過程中的主要問題

不銹鋼傳動(dòng)軸作為目前涼水塔風(fēng)機(jī)上普遍采取的傳動(dòng)軸種類，其具備自身的一些使用特性，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，不銹鋼傳動(dòng)軸及其附件的多種問題也隨之體現(xiàn)，而這些問題對于風(fēng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生了非常大的影響，這也就使得解決不銹鋼傳動(dòng)軸的隱患問題成為了風(fēng)機(jī)保運(yùn)工作中的重點(diǎn)內(nèi)容。

3.1 傳動(dòng)軸易彎曲、不平衡性高的問題

由于該循環(huán)水場冷卻水負(fù)荷高，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間、啟動(dòng)頻次也均較高，造成風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障的頻次隨之上升，這其中因?yàn)閭鲃?dòng)軸的原因?qū)е嘛L(fēng)機(jī)振動(dòng)上升的情況也頻繁出現(xiàn)。傳動(dòng)軸主要傳遞單向扭矩，基本屬于連續(xù)工作，停止和啟動(dòng)不頻繁。零件設(shè)計(jì)要求軸不發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞，法蘭與軸不發(fā)生連接破壞，螺栓孔不發(fā)生擠壓破壞。依據(jù)軸的受力狀態(tài)，可以將其簡化為兩端承受扭矩的圓管。該臺風(fēng)機(jī)經(jīng)過多年運(yùn)行后，其傳動(dòng)軸由于彎曲和不平衡直接造成了減速機(jī)的振動(dòng)隨之上升的情況，對風(fēng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行不利。

該臺L85風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)軸在3m以上，支架于循環(huán)水池之上，長時(shí)間處于高溫蒸汽環(huán)境中，耐腐蝕要求較高。傳統(tǒng)工藝一般使用不銹鋼經(jīng)過機(jī)械加工制成，質(zhì)量較大，整體結(jié)構(gòu)笨重，運(yùn)行效率低，能耗大，安裝和維修難度高，并且耐循環(huán)水中氯離子腐蝕能力差，壽命較短。與此同時(shí)不銹傳動(dòng)軸預(yù)熱會導(dǎo)致軸的不平衡，不銹鋼的塑性作用較為明顯，且其塑性變形后會導(dǎo)致振動(dòng)的增加，進(jìn)而加速不銹鋼軸的疲勞，而不銹鋼軸的塑性特性對系統(tǒng)的運(yùn)行沒有任何的積極作用，這個(gè)惡性循環(huán)過程使不銹鋼軸在系統(tǒng)中的壽命明顯短于設(shè)計(jì)預(yù)期。傳動(dòng)軸彎曲帶來的不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)往往是振動(dòng)值增高，縮短風(fēng)電機(jī)使用壽命

以本臺ф8.53m風(fēng)機(jī)冷卻塔為例，驅(qū)動(dòng)ф8.53m風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為160KW，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1400r/min，冷卻塔風(fēng)筒外的電機(jī)開啟后，以1400r/min高速傳動(dòng)來驅(qū)動(dòng)一根約3m，直徑150mm的不銹鋼鋼傳動(dòng)軸，然后傳輸?shù)斤L(fēng)筒內(nèi)中心部位冷卻塔減速機(jī)輸入軸上。長度大于3m的傳動(dòng)軸在沒有任何支撐架的情況下高速旋轉(zhuǎn)，以行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的加工精度，無法保證同軸度誤差為零。同時(shí)傳動(dòng)軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，振動(dòng)值會隨著同軸度精度誤差而起伏變動(dòng)。傳統(tǒng)的不銹鋼傳動(dòng)軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)如果無法消除，必將使傳動(dòng)軸產(chǎn)生疲勞性損傷。隨著疲勞程度不斷加劇，導(dǎo)致傳動(dòng)軸彎曲度隨之加大，最終發(fā)生傳動(dòng)軸斷裂事故。輕者導(dǎo)致風(fēng)機(jī)因振動(dòng)高停機(jī)，影響涼水塔冷卻效果，以及電機(jī)、風(fēng)機(jī)、冷卻塔減速機(jī)、風(fēng)筒、收水器、填料等損壞現(xiàn)象的發(fā)生，重者出現(xiàn)傳動(dòng)軸或風(fēng)機(jī)葉片飛出風(fēng)筒外傷人現(xiàn)象，這是傳統(tǒng)材質(zhì)傳動(dòng)軸本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的隱患和缺陷。具體如圖2所示。

圖2 出現(xiàn)故障的不銹鋼傳動(dòng)軸

本套循環(huán)水場的這臺在用風(fēng)機(jī)就出現(xiàn)了因?yàn)閭鲃?dòng)軸長時(shí)間運(yùn)行后，造成軸彎曲度超標(biāo)的情況，起初表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)減速機(jī)的振動(dòng)趨勢逐漸上升，最高時(shí)已經(jīng)達(dá)到了5.4mm/s。經(jīng)過對減速機(jī)解體檢查、多方檢測后，最終才確定為是由于不銹鋼傳動(dòng)軸的不平衡性才導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)振動(dòng)上升。

3.2 不銹鋼聯(lián)軸器膜片的損壞問題

不銹鋼聯(lián)軸器膜片的損壞也有可能會直接導(dǎo)致聯(lián)軸器軸心角的超標(biāo)，即便傳動(dòng)軸沒有出現(xiàn)工程意義上的彎曲，聯(lián)軸器膜片的損壞也有可能給傳動(dòng)軸系統(tǒng)帶來超過1°的彎曲，聯(lián)軸器都起著傳遞扭矩和緩沖減振的作用，其中不銹鋼膜片聯(lián)軸器的彈性膜片都是彈性元件，可以補(bǔ)償軸線的彈性元件也會失效，隨之帶來的就是傳動(dòng)軸及整個(gè)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的上升。

4 碳纖維傳動(dòng)軸的運(yùn)行優(yōu)勢

碳纖維復(fù)合材料由于較高的比強(qiáng)度和比模量以及較小的密度，在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，目前正在逐步向民用產(chǎn)業(yè)擴(kuò)展。沿著纖維的方向，復(fù)合材料的抗拉和抗壓性能較好，因此纖維方向被稱為復(fù)合材料的主方向。傳動(dòng)軸是復(fù)合材料的一個(gè)重要應(yīng)用方面，目前在航天飛機(jī)、高性能汽車、賽車以及特殊用途的機(jī)械中得到了較多應(yīng)用。復(fù)合材料傳動(dòng)軸一般為薄壁圓管構(gòu)件，多數(shù)以承受扭矩為主，可以采用纖維纏繞法或在纖維套管中壓注樹脂法等多種工藝制成，其中纏繞工藝因具有操作簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為普遍。

4.1 碳纖維傳動(dòng)軸的主要特點(diǎn)

碳纖維傳動(dòng)軸由于其材質(zhì)本身的特性，具備很多不銹鋼傳動(dòng)軸沒有的特點(diǎn)，對于循環(huán)水場涼水塔風(fēng)機(jī)的長周期運(yùn)行及日常檢維修工作都起到了較好的作用，下面分別進(jìn)行簡述：

碳纖維傳動(dòng)軸抗拉強(qiáng)度是普通鋼材傳動(dòng)軸的6-12倍，彈性模量高于鋼材，具有優(yōu)良的抗蠕變性能和耐腐蝕、抗疲勞性；

還可以根據(jù)不同要求合理布線、均勻漲力，達(dá)到在不影響整體彎曲度的前提下，增加如與風(fēng)筒接觸部位等重點(diǎn)部位的強(qiáng)度，以確保達(dá)到更加穩(wěn)定的運(yùn)行效果；

碳纖維傳動(dòng)軸重量僅為普通鋼材的1/10，韌性好、噪音小、施工便捷、施工質(zhì)量有保證；

碳纖維軸具有良好的耐久和耐腐免維護(hù)，抗疲勞性是鋼材的10倍，使用壽命20年以上，大大超過不銹鋼傳動(dòng)軸的使用壽命，同時(shí)也降低了不銹鋼傳動(dòng)軸修復(fù)及風(fēng)機(jī)大修的頻次和修理費(fèi)用；

同心度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，由于一次成型，軸管與法蘭無需二次聯(lián)接，從而使傳動(dòng)軸同軸同心；

碳纖維傳動(dòng)軸扭矩范圍為1000Nm-15000Nm，大大提高了傳動(dòng)軸的運(yùn)行穩(wěn)定性；

碳纖維傳動(dòng)軸采用膜片聯(lián)接方式，配用的聯(lián)接用膜片是高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料加工而成，由于碳纖維材料具有無限次反復(fù)彎曲和高強(qiáng)度的特性，所以膜片承載交變載荷的能力提高，使用壽命也相應(yīng)延長；

傳動(dòng)軸采用一次成形的工藝，軸管通透，不會出現(xiàn)傳動(dòng)軸在冷熱交替時(shí)，軸內(nèi)產(chǎn)生凝結(jié)水，引起軸振動(dòng)的情況，大大降低了傳動(dòng)軸的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；

碳纖維軸配套使用的碳纖維材質(zhì)的聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器較之其他材料加工的聯(lián)軸器有以下特點(diǎn)：a、重量輕，同樣型號的聯(lián)軸器不銹鋼的是30公斤，碳纖維材料的是8.5公斤；b、強(qiáng)度高；c、耐腐蝕，由于冷卻塔大多安裝在高酸、高堿、高鹽、腐蝕性較高的環(huán)境中，使用這種聯(lián)軸器，耐酸、耐堿、耐鹽、耐腐蝕、大大延長了聯(lián)軸器的使用壽命。

4.2 碳纖維傳動(dòng)軸的運(yùn)行效果

碳纖維傳動(dòng)軸是薄壁金屬傳動(dòng)軸的升級換代產(chǎn)品，是為提高涼水塔風(fēng)機(jī)性能，專門研制的新產(chǎn)品。本循環(huán)水場該傳動(dòng)軸在更換為碳纖維材質(zhì)的傳動(dòng)軸后，從減速機(jī)監(jiān)測情況來看，整臺風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況得到了明顯的改善，具體如表2所示：

表2 風(fēng)機(jī)更換碳纖維傳動(dòng)軸后運(yùn)行數(shù)據(jù)對比情況

4.3 碳纖維傳動(dòng)軸的節(jié)能效果

（1）降低維護(hù)費(fèi)用。碳纖維傳動(dòng)軸由于其重量遠(yuǎn)輕于不銹鋼傳動(dòng)軸，在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中亦達(dá)到較好的節(jié)能效果。本循環(huán)水場L85不銹鋼傳動(dòng)軸重量為110公斤，維修安裝均需動(dòng)用吊車，定期還需要做動(dòng)平衡，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用較高。

將不銹鋼傳動(dòng)軸更換為碳纖維傳動(dòng)軸后，由于其重量僅為11公斤，維修安裝無需動(dòng)用吊車，人工即可進(jìn)行拆卸、搬運(yùn)、安裝等，且無需定期做動(dòng)平衡，且碳纖維傳動(dòng)軸正常使用壽命為20年，是不銹鋼傳動(dòng)軸使用壽命的幾倍，這就大大降低了傳動(dòng)軸部分的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

（2）降低運(yùn)行電流。從本循環(huán)水場風(fēng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際數(shù)據(jù)可以看出，原L85不銹鋼傳動(dòng)軸正常運(yùn)行電流為190A，更換為碳纖維傳動(dòng)軸后正常運(yùn)行電流為185A，每小時(shí)節(jié)約電耗：1.732×380×0.85×（190-185）/1000=2.8度，每小時(shí)節(jié)約資金：2.8×0.86=2.4元，該風(fēng)機(jī)每年按照平均運(yùn)行5200小時(shí)計(jì)算，每年可以節(jié)約電耗：2.4×5200=12509元。由此也可以看出，不銹鋼傳動(dòng)軸改為碳纖維傳動(dòng)軸后，節(jié)能效果顯著，且一根碳纖維傳動(dòng)軸的投資回報(bào)期僅為1年，運(yùn)行優(yōu)化效果也非常明顯。

從以上論述可以看出，碳纖維材質(zhì)的傳動(dòng)軸在工業(yè)循環(huán)水場涼水塔風(fēng)機(jī)的長周期平穩(wěn)運(yùn)行過程中起到了越來越重要的作用，而且從其連續(xù)運(yùn)行多年的實(shí)際效果來看，也完成能夠滿足現(xiàn)場的各種要求。同時(shí)從降低維護(hù)強(qiáng)度、減少維護(hù)費(fèi)用支出、降低運(yùn)行能耗、提升設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行水平等多個(gè)方面都表現(xiàn)出了傳統(tǒng)不銹鋼傳動(dòng)軸所不具備的優(yōu)勢，由此可見，碳纖維傳動(dòng)軸在涼水塔風(fēng)機(jī)配件升級改造工作中具有非常重要的意義和作用。