聚氯乙烯生产中离心机常见问题的原因分析和解决

                                      张文东

                   （河北冀中能源集团金牛化工股份公司树脂分公司）

    摘要：在聚氯乙烯生产中，离心机最常见的问题是异常振动，本文从离心机的结构、性能参数、振动原理几个方面进行分析，并结合本厂的生产实际情况，提出方案，最终解决了离心机异常振动的问题，为转动设备类似问题的解决提供了新的思路。

    关键词：离心机

    异常振动

    原因分析

    解决方案

    在金牛化工股份公司聚氯乙烯生产过程中，VCM单体在聚合釜中进行悬浮聚合。生成PVC悬浮液，该悬浮液进入汽提塔脱去VCM气后，形成含水量68%~75%的PVC浆料。在物料进入干燥床之前，必须进行脱水处理，使PVC含水量控制在25%以下。完成脱水工艺的关键设备便是离心机。目前，国内厂家多采用螺旋沉降式离心机，我厂所用螺旋沉降式离心机产于英国Thomas Broadbent&Sons公司，单台处理能力10000kg/h。该离心机作为23万吨/a PVC生产装置的主要设备，于1999年5月投入使用。该种离心机在投入生产以来，以其操作简便，运行弹性大，性能稳定，易损件少，拆装容易等颇受好评，完全能够满足生产需要。但在生产过程中，也暴露出一些问题，最常见的问题是离心机的异常振动。下面就离心机的结构、性能参数和生产中的异常振动情况进行分析和阐述。

    1.离心机的结构、主要技术参数

    （1）离心机的主要技术参数如下。规格：1000*1500mm；处理能力：10T/h（出口水份≤25%Wb）；电机功率：195KW；转速：

    1500rpm 4极；转鼓转速：1300r/min；差速器差速比：39：1；

    主轴承润滑油流量为：1~3L/min；

    振动探测器振动速率≤20mm/s。

    并设有主轴承油温、主轴承

    润滑油流量、振动速率、扭矩和过载保护探测器在线监测。任何一个参数超标，则离心机保护性停车。

    （2）离心机的结构示意图如图1所示。

    以我厂离心机于2007年7月中旬发生异常振动为例说明：

    （1）最初离心机振动曲线突然增大（一般为稳定运转值的1.5~2倍）。引发因素通常为物料流量的波动和开停车时的受力不均匀，同时伴随有周期性低频的轰鸣声，明显感觉噪声增大。在相对稳定运行时，测得主轴承振动数值如表1：

            

    2.离心机在生产过程中的异常振动现象和原理分析

    2.1离心机在生产中的异常振动现象以我厂离心机于2007年7月中旬发生异常振动为例说明：

    （1）最初离心机振动曲线突然增大（一般为稳定运转值的1.5~2倍）。引发因素通常为物料流量的波动和开停车时的受力不均匀，同时伴随有周期性低频的轰鸣声，明显感觉噪声增大。在相对稳定运行时，测得主轴承振动数值如表1。

          

    （2）随着运行时间的延续，偶尔发生振动报警并连锁停机（μ≥40mm/s）。

    （3）振动报警次数增多，频率加大，最终运转情况恶化，离心机被迫停运。

    一般从离心机振动曲线突然增大，到被迫停运，经验数据表明不超过4天；如果负荷波动较大，则至多维持运转2天。

    2.2离心机振动原理分析

    在生产中，表征离心机振动大小的物理量常用振动烈度。

    （1）振动烈度。机器的振动烈度是指回转体旋转过程中，在轴承或机座的特定点、特定方向测得的宽频（10~1000Hz）振动速度信号的均方根值。单位为（mm/s）。振动烈度与不平衡量有关，也与回转体大小、支承条件、运转情况等有关系。表1所测数值即为振动烈度数值。

    （2）机械振动。所谓振动，是一种物理现象，是指描述机械系统运动或位置的量值相对于其平均值随时间变化的现象。其中机械系统指由质量（m）、刚度（k）、和阻尼（c）各元素所组成的系统。按振动产生的原因分类，机械振动可分为：自由振动、受迫振动、参数振动和自激振动四类。

    （3）离心机是一种回转机械。在理想情况下，回转体旋转时与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的。这样的回转体是平衡的回转体。但工程中的各种回转体，比如离心机转鼓，螺旋输送器等零部件，由于材质的不均匀或毛坯缺陷，在加工或装配中产生的误差，使得回转体在以一定的转速ω旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消。这样，以交变的离心惯性力为激励，通过轴承作用于机械及其基础上，就产生了振动。因此，离心机的振动是由离心惯性力引起的受迫振动。

    （4）偏心质量引起的受迫振动计算式。设离心机偏心质量为m。，偏心距为r，离心机的等效质量为m，角速度为ω，则偏心质量引起的离心惯性力为：F。=m。rω2其在竖直方向的分力，即为垂直激振力：

          

    由④式可以看出，对于生产上稳定运行的离心机，系数k、c是固定不变的。在排除进料波动的情况下，m和ω也可认为是常数，则振幅x与偏心质量m。和偏心距r的乘积成正比。由此也可得出结论：在线运转的离心机异常振动或振动烈度数值超标，只与不平衡量（m。r）有关，并且随着不平衡量的增大而增大。

    3.引发离心机异常振动常见的原因

    ①基础的紧固螺栓松动。②离心机进料波动。③离心机经过长期运转，在转鼓内壁或螺旋输送器叶片上附着一层沉积的PVC物料垢层，从而造成离心机动平衡的丧失。④离心机在运转过程中，通过电机带动皮带轮旋转，皮带轮通过转鼓将扭矩传递给差速器外壳；差速器输出轴以一定的速比将扭矩传递给螺旋输送器。螺旋输送器叶片不断地将沉积在转鼓内壁的PVC固体物料刮下并推入滤饼出口。在此过程中，螺旋输送器一直受到来自PVC固体物料的轴向力，此轴向力是通过来自皮带轮侧的推力轴承来平衡的。在长期运转过程中，特别是在变负荷工况条件下运行时，极易造成推力轴承的磨损。如果推力轴承磨损量达到一定程度，会造成螺旋输送器的轴向串动，从而引发异常振动。⑤在螺旋输送器传动轴和转鼓头之间安装有滑动铜套，该铜套外壁与转鼓头内壁为过盈配合，随转鼓同速旋转。该铜套与螺旋输送器传动轴之间存在速度差，形成一对磨擦副。在长期运转过程中，该铜套的磨损量逐渐增大。该磨损量达到一定程度，会造成螺旋输送器和转鼓的同轴度变差，从而也引发异常振动。经验表明，该铜套为易损件，应该每年更换。⑥主轴承的磨损也会造成离心机振动增大。

    4.异常振动的原因及故障部位的判定

    既然离心机常见异常振动的诱因有上述几种，那么具体到上文所述离心机的振动值的增大，确切原因是什么呢？结合其他数据，我们逐个进行分析判断。

    首先，可用力矩扳手，对地脚螺栓是否松动，预紧力是否均匀，做逐个确认。现场测试结果，表明地脚螺栓未松动，预紧力均匀，该原因可以排除。第二，由离心机进料流量计显示数值和离心机主电机电流显示值，表明离心机进料未波动。第三，将离心机进料操作暂停，改为冲水操作，2小时后，振动数值仍在不正常范围，未见好转迹象。这表明：离心机转鼓或螺旋输送器上新粘附PVC物料顽固性垢层的可能性不大；若有垢层也是以前在运行中逐渐粘附的，这在影响离心机振动的多种因素中不是关键性的。第四，主轴承的温度：进料侧56℃，差速器侧53℃，与振动值在正常范围时相比，未见明显升高。故主轴承磨损的可能性也可排除。

    推力轴承的磨损量以及滑动铜套的磨损量是否超标，必须将离心机解体后才能进一步判断。

    5.拆检离心机的现象及测量数据

    按照“离心机检修操作规程”和已往的经验，我们对离心机进行解体，并对有关数据进行测量。

    （1）如图2所示，推力轴承1有明显磨损，磨损量达0.06mm。同时发现轴承压盖3和皮带轮2之间在紧固状态下间隙（图中粗线处）为零。也就是说，在运行状态下，推力轴承和轴承压盖之间可能存在轴向间隙，从而有可能引发螺旋输送器的轴向串动。

                    

    （2）分别测量滑动铜套内径和相对应的螺旋输送器传动轴外径的尺寸，获得铜套间隙尺寸为，差速器侧：δ=0.93；入料侧：δ=1.4，明显大于标准上限值0.5，显然两侧铜套磨损量均过大。

    （3）在转鼓内壁和螺旋输送器叶片上发现有顽固性PVC物料垢层，厚度约0.8~1.2mm，分布较均匀，但清理困难。

    （4）主轴承未见磨损。

    （5）其他传动件包括差速器未见异常。

    6.维修过程

    针对离心机在拆检过程中发现的问题，我们进行了如下处理。

    （1）对主轴承和差速器进行清洗检查，并更换差速器内齿轮油。

    （2）清理转鼓内壁和螺旋输送器叶片上的PVC物料垢层。

    （3）更换推力轴承2套，另外在安装过程中发现轴承压盖在紧固状态时与皮带轮间隙太小(约0.04mm)。为了确保运行状态下推力轴承外圈被顶紧(在充分考虑了各材料线膨胀量的前提下)对轴承压盖内表面进行了车削加工，使上述间隙增大到0.2mm左右。

    （4）更换差速器侧和进料侧铜套并进行机械加工，使铜套内径与相应的螺旋输送器传动轴外径间的间隙，控制在0.5mm经验值以内，并涂抹足够的EP2润滑脂。

    （5）按相应的顺序对各零部件进行回装。

    （6）更换主轴承油箱内润滑油。

    7.试运行情况

    离心机检修完成后，我们进行了试运行。在控制主电机电流165A条件下运行6小时，振动数值见表2：

             

    从上表可以看出，检修后离心机振动数值明显减小并在正常范围以内。

    8.结束语

    振动异常是离心机的常见故障，也是所有转动设备不可回避的问题。此次检修，使离心机运行状况大为改观，取得了明显的效果，达到了预期的目的，并且在随后的生产运行中，状态稳定，未发生振动超标现象。同时，该问题的解决也为类似的问题提供了思路。

    参考文献

    [1]屈维德，唐恒龄，等.机械振动手册[M].北京：机械工业出版社，2000，4

    [2]岳愉，程光旭，丛敬同.化工机械力学基础[M].西安：西安交通大学出版社，1991，6