氧化铝生产中大型槽罐搅拌器常见故障类型及快速诊断方法

一、引言

氧化铝生产中具有代表性的设备是承担搅拌、悬浮及热传递的大型容积搅拌机，如拜耳法氧化铝生产的高压分解槽中的搅拌机需要在 260^∘ C，3.5MPa 条件下搅拌铝土矿与循环母液，其搅拌功率可达 8kW/m³. 。然而，大量的固体物料（高达 400～600g/L ）、碱（Na2O 高达 180～220g/L ）、强腐蚀性（ pH 高于 14）性质使得该类设备时常发生损坏事故，通过统计分析，某企业年产500 万t 氧化铝厂因搅拌器故障带来的非计划性停车累计达到12 次之多，为企业造成的直接经济损失达数千万人民币。因此需要建立有效的诊断体系以保证生产的稳定进行。

二、常见故障类型及机理分析

2.1 机械传动系统故障

2.1.1 搅拌轴弯曲变形

故障现象：轴径向跳动量超标（ >0.2mm/m ），进一步加剧了桨叶与罐壁的摩擦和密封漏泄。某厂溶出器搅拌轴运行一年即出现断裂，断裂面呈现疲劳纹特征，扩散区占断口面积的 70% 。

机理分析：物料中大于 50mm 的结疤块卡住，使轴向扭矩急剧增至额定扭矩的3 倍。

疲劳破坏：在交变载荷 σ⋅σmax=120mpa ， σmin=30mpa, ) 作用下 2205 双相钢轴材经过 7 次循环后开裂。轴与减速器输出轴同轴度偏差大于 0.5mm ，则会引起附加的弯曲力而导致轴疲劳寿命降低 50% 。

2.1.2 减速机故障

典型故障：

齿轮磨损程度：某厂减速器运行2 年后，齿轮表面蚀坑尺寸已达 0.8mm ，振动加速度也达到了 95db( 正常 <75db)。轴承间隙调整过紧时（设计间隙0.03～0.05mm ，测量值 0.1mm ），使轴承温度过高 (90% )。

漏油缘故：因为油封硬度为 90ha 以上，导致密封失效。造成齿轮箱油量 1h 内降 2mm 。

2.2 密封系统故障

2.2.1 机械密封泄漏

故障简介：密封副端面滴漏速率 ⩾5ml/h ，槽罐内碱液外漏并腐蚀罐体基础。某厂运行1 年的机封，动环表面径向划伤深度 0.3mm 。

机理分析：碳石墨和碳化硅配对的密封环在高 及高转速 (>300r/min) 情况下摩擦速率增高到 0.5μm/h 。当安装偏差为 0.05mm （密封端面垂直度大于）时，泄漏量会增加三倍。

密封液污染：因密封腔进入固体颗粒 Φ>50μm) ) 致使 O 型圈磨损速率提高了10 倍。

2.2.2 填料密封泄漏

现象描述：垫料部位漏水，年度锈蚀速率达到 2mm/a

机理分析：如密封剂压强不足，将降五倍左右密封剂效果。而如果采用不合适工作温度填充 ( 例如工作温度 150^∘ ° C 时填充 ) 则腐蚀速率能达到一天 0.1mm 左右；如果轴承壳表面粗糙度超过限值 Ra⩾1.6μm ，则填充剂磨损会快三倍左右。

2.3 桨叶系统故障

2.3.1 桨叶磨损

问题陈述：桨叶直径缩小 10% 以上，搅拌器功率降低 20% 。某厂因桨叶磨损使溶解效率降低 5% 。

机理分析：在高固含浆液 ( 固含量高于 400g/l) 冲刷磨损环境中，桨叶磨损速度高达 0.5mm/month ；桨叶表面在搅拌转速超过 300rpm 时会出现气蚀坑直径达到 0.1～0.3mm ，坑深达到 0.5mm 。

2.3.2 桨叶断裂

表现：桨叶与桨轴连接位置断裂，年发生3 次断桨故障。

机理分析：当桨叶根部集中应力系数达到 3 以上，疲劳寿命将降低到4 次循环。碱液 (ph>12) 作用与交变应力的耦合作用条件下，降低裂断周期50% ；焊缝未熔合：在焊缝未熔合大于 0.5mm 时，承载能力下降 70% 。

三、快速诊断方法

3.1 机械传动系统诊断

3.1.1 振动分析法

诊断轴弯曲的方法采用激光对中仪测量轴的径向跳动和 fft 的 1 倍频率的幅值 ( 正常小于 2mm/s ，弯曲情况时，超过 5mm/s) 。齿轮磨损诊断方法是根据振动频谱中的齿轮啮合频率 (f_-g=n×z/60 ， Π_n 为转速，z 为齿数 ) 和边带频率，当出现齿轮磨损时，边带幅值大三倍。

3.1.2 温度监测法

通过红外测温仪监控轴承座的温度变化及趋势判断运行的润滑状况（正常情况下 ⩽10%/k ，异常情况下 >20% ）；通过热像仪监控减速机箱体温度分布，个别高热（ >80% ）区域可能发生齿轮或轴承损坏。

3.2 密封系统诊断

3.2.1 泄漏量检测法

定期用量杯观测密封泄漏量（机械密封正常值 gtr 1ml/h ，填料密封正常值 gtr3ml/h ）。采用颗粒浓度测定法（用激光散射法，密封腔颗粒浓度的上限标准为nas1638 小于6 级），当超过标准时即密封失效。

3.2.2 密封面形貌分析

采用扫描电镜分析密封面磨损情况 ( 气蚀表现为蜂窝状，冲刷表现为槽状 )；采用表面粗糙度仪检测密封面的 值 ( 正常低于 0.4μm ，磨损后的 ra值超过 1.6μm, )。

3.3 桨叶系统诊断

3.3.1 超声波测厚法

采用超声波测厚仪检测桨叶剩余厚度（原厚度 - 剩余厚度〉 5mm 需更换）；采用相控阵超声仪检测桨叶内部的裂纹（当裂纹深度〉 2mm 时，裂纹的信号会增强5 倍）。

3.3.2 搅拌功率监测法

实时监测搅拌电机输入功率，功率变送器可以保持在正常工作范围内的波动，功率在 ±5% 以内，磨损后可下降 10% 以上。轴扭矩采用扭矩传感器测量 ( 正常情况下其额定扭矩 <80% ，而在卡滞情况下会突然上涨到150% )。

四、应用案例

某氧化铝企业溶出车间 2# 槽罐搅拌器运行过程中突然停止运转，具体诊断过程如下：

1. 故障分析：电动机不转，电控箱上显示“过载”。

2. 电力测试显示：三相平衡电压 (380v±2%) ，但b 相电流为零( 断线)。3. 在电机解体检查时发现电机 b 相电缆接线头已经烧蚀（接触电阻>0.5o ）。4. 处理办法：二次压接电缆头（压接面积 >25mm² ），涂抹导电膏（其接触电阻要小于0.1ω）。5. 证明结果：恢复正常运行后，电流平衡（3 相电流相差 ⩽5% ），且搅拌器连续运行30d 无异常现象。

五、结论

氧化铝生产的大型容积搅拌器故障检测及分析要结合机械、电子、材料等诸多专业的技术和手段，通过振动分析、温度监测、形态检测等可确定并及时排除故障。我们建议企业建立一套装备健康管理系统 (PHM)，集成各参变量传感器数据信息，采用 AI 算法预测故障发生，可减少意外停机时间的 50% 以上。同时，加大零部件国产化率的工作( 如碳化硅陶瓷涂料桨叶、2507 型不锈钢轴承环) 可减少维修费用的 30%～40% 。

参考文献

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