云南铜业股份有限公司矿山研究院 云南昆明 650000
摘要：3#胶是铜矿粗碎将矿石输送到选厂的主要胶带之一，胶带设计运输能力为10292吨/小时，胶带速度为6米/秒，胶带机总长5.19公里，胶带全长约10.6公里。驱动滚筒采用两台电机拖动一个滚筒的运行方式，共有14个滚筒构成。P7为事故中断裂的7#改向滚筒，同时导致了3#胶带断裂和滑带以及胶带架和辊筒损坏。由此开展断轴分析，目的是为大型矿山机械技术研究及管理提供相关的经验参考。
一、事故简介
3#胶带是大型矿山铜矿粗碎将矿石输送到选厂的主要胶带之一，胶带设计运输能力为10292吨/小时，胶带速度为6米/秒，胶带机总长5.19公里，胶带全长约10.6公里[1]。3#胶带的示意图如图1。
3#胶带驱动站共有14个滚筒，采用双滚筒驱动。驱动站（如图1）位于胶带中部，集中安装着8个滚筒，其中，P4、P6为驱动滚筒，其余为改向滚筒。驱动滚筒采用两台电机拖动一个滚筒的运行方式，电机的额定功率为2250千瓦，额定电流378.1A。两台电机位于滚筒两侧，电机与滚筒之间由液力耦合器连接。P7为此次事故中断裂的7#改向滚筒。3#胶带滚筒分布如图1所示。
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图1 3#胶带及驱动站示意图
二、事故经过简述
2017年2月5日，3#胶带机当班操作人员在驱动站附近巡视时，听到胶带机一声巨响，通过无线对讲机通知了采场粗碎集控室的初级控制工程师。粗碎集控室初级控制工程师索特洛同时发现3#胶带机的停机报警信号，并进行逐级上报及随后进行现场勘查。
2月6日，采场维修副经理卡斯特罗安排检修人员对整条胶带进行损坏情况检查，发现胶带横向断裂和多段有纵向断裂，胶带损坏约1500米；7#滚筒的轴部断裂，支撑它的两个柱子和横梁变形（如图2）；受损上层托辊架340个，受损下层托辊架64个；受损支撑台41个，混凝土基础脱离原位74处等。
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图2 胶带机损坏情况及7#滚筒损伤情况
随即，召开紧急应会议，制定了总行动计划，开展抢修工作。3月1日，3#胶带机抢修完成，通过8小时试车后，13：00正式开车。从2月5日至3月1日，3#胶带共停机597小时，约25天。
三、原因分析
通过对本次事故现场的勘察、约谈有关人员、查阅资料、调查管理流程，阅研天主教大学对断轴进行的分析、各外部公司提供的报告、轴的超声波检测报告等，综合分析认为：
（一）直接原因
3#胶带系统事故的直接原因是7#滚筒轴的断裂。7#改向滚筒轴在堆焊修复过程中，内部或者表面存在缺陷，产生应力集中，形成裂纹。在应力作用下，裂纹不断扩大，是导致断轴的主要原因；运行过程中，由于滚筒安装、轴封硬度匹配、胶带机振动和打滑等因素，加速了裂纹的扩展。
1、7#滚筒轴修复后存在缺陷
2016年6月份，由于7#改向滚筒表面包胶磨损严重，选厂设备可靠性部决定利用停车时间将其更换。但7#改向滚筒备用滚筒的表面没有做耐磨层，不能组装使用。在前期组织检修协调会中，选厂设备可靠性部决定用2#滚筒替代7#滚筒进行安装。2#滚筒轴是2016年5月份运输到利马RECOLSA公司进行修复的，RECOLSA公司在轴修复后给出了质量合格报告[2]，2016年8月23日选厂可靠性部更换后，2017年2月5日滚筒轴发生了断裂。
从事故后现场拍摄的7#滚筒轴断面，断面呈现典型的金属疲劳损坏特征。
（1）在事故发生后，海外矿业公司委托利马天主教大学对轴断面进行高倍显微镜检查，检查数据详见附件7。发现断面存在3种裂纹（详见图3）。其中，I型裂纹为使用过程中磨损产生的；II型裂纹存在于断轴的基础材料内部，最大的裂纹长度为9.217mm；III型裂纹从轴表面延伸至轴本体，是修理后产生的裂纹。
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图3轴断面裂纹照片
（2）2017年6月26日和7月15日，调查组两次安排选厂设备可靠性部维修车间的外协单位CONFIPETROL公司对7#滚筒断轴的未断侧做超声波探伤检查。按照美国标准ASTM A388/A 388M-07检查出4处裂纹，其中，①在轴的修理段距离轴端78.34mm到86mm，深度12.5-13mm处存在5mm裂纹；②在轴的修理段距离轴端188.78mm，深度9mm处存在5mm熔合区裂纹；③轴的本体距轴端面1056.5mm，深12.5-13mm处存在5mm裂纹；④轴的本体距轴端面1614.6mm，深89-93mm处存在30mm裂纹（如下图）。超声波探伤报告[10]。
7#滚筒断轴未断侧修复段中存在2处存在裂纹，按照中国标准《带式输送机》（GB/T10595-2009），标准“4.使用要求条款：4.4.7 滚筒轴探伤质量应符合下列条件：a）不允许有裂纹和白点”的规定，7#滚筒轴已不能使用。
以上述分析，7#滚筒轴在堆焊修复过程中（热处理和之后的加工），内部或者表面产生缺陷。安装使用后，产生了应力集中，形成了裂纹，裂纹不断扩大，最终导致轴瞬间断裂。
2、7#滚筒未严格按标准进行校准
该滚筒于2016年8月进行检修更换，安装后没有安排人员进行验收。更换过程中，维修车间的检修人员没有严格按照安装标准进行校准，且没有测量及校准的参数记录信息。
同时由于校准和调整不正确，在轴的轴承区域，轴封处的温度达150℃以上。滚筒的安装没有严格按照要求进行校准，造成轴与轴封摩擦从而导致轴的温度升高，长时间运行后造成轴的金属特性发生改变，加快了断轴速度。
3、轴封和轴的硬度不匹配
轴封的生产厂家P.T.INTERNATIONAL Corp.的说明书中要求：根据轴封的硬度，适用轴的硬度为45RC[12]。但Flsmidth公司提供的7#改向滚筒轴的硬度只有14RC。轴封的硬度大于轴的硬度，形成划痕后，产生应力集中，降低了轴的使用寿命。通过断轴处的划痕可以确定，在轴的表面产生了2mm的磨损划痕。这个划痕在燧岩型密封件工作区域，由于应力集中，裂纹逐步向轴内延伸[8]。
4、3#滚筒速度传感器速度保护参数更改，造成保护系统动作延时
3#胶带机事故期间，胶带保护系统的动作顺序。根据事故发生时的信号记录[12]，事故发生时，胶带机的速度保护、胶带跑偏保护、断带保护、电机振动保护及刹车系统等设置都正常动作。
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图4 控制系统动作时间轴
原设计方案中，3#滚筒上安装有速度传感器，当胶带速度下降5%会立即报警停机。但实际上，3#滚筒速度传感器的参数设置是：速度下降15%、15秒后停机。MCP流程控制部不知道什么时候更改的参数，胶带保护控制的设计公司Flsmidth公司也没有给出更改这个参数的报告。根据事故发生时的信号记录表明，在19：56：31，3#滚筒传感器下降至85%，15秒后发出动作指令，此时系统已进入停机状态。根据下图13所示在电机停机前，扭矩已经增大。如果按照原有设计，19：56：28，3#滚筒已经下降至为94.71%（如图4），电机会立即断电，电机扭矩将逐渐下降，可以减缓甚至避免因电动机扭矩过大造成的胶带机断带损伤[6]。
5、胶带机的振动和打滑影响轴的寿命
聘请Conveyor Dynamics，INC公司（以下简称CDI公司）对3#胶带机进行了检测[10]。检测报告指出，在设备启动、停车及紧急停车过程中，设备振动为正常工作时的240%，同时存在胶带打滑的现象。由于胶带的振动和打滑，造成改向滚筒包胶层的磨损和破损。胶带和滚筒之间的滑动产生高的应力传递给轴承和轴，缩短了轴的使用寿命[8]。
（二）间接原因
1、未严格执行探伤检测标准
更换前，对滚筒轴做了2次超声波检测，但未发现问题[12]。但2017年6月26日与7月14日，却在修复段和轴本体内发现了有4处裂纹。这四次检查都是按照ASTM A388/A 388M-07美国标准执行的。表明前两次CONFIPETROL公司没有严格执行探伤检测标准。
2、缺失对轴修复及验收的监督管理
在7#滚筒轴修复过程中没有进行监督，RECOLSA维修公司修复后只有检修质量合格证，没有具体的无损探伤报告。修复的轴运回选厂维修车间后，没有监督外包检测公司（CONFIPETROL公司）严格按照检测标准进行检测。
3、3#胶带滚筒的安装资料和控制系统资料交接流程缺失，部分保护参数修改依据不全。
3#胶带安装调试完成后，3#胶带机保护控制设计商Sinergy公司将系统修改参数的报告发送给了原选厂流程控制部主管等3人，胶带参数修改报告详见附件13。但运行过程中，胶带降速从5%立即停机改为85%、15秒后停机这一项保护没有修改依据报告和记录。
4、对轴封匹配问题没有跟进处理
有涉及到轴与轴封的匹配存在问题，但后续未跟进更换处理。
四、小结
结合本次断轴事故的情况，建议不宜采用堆焊方式修复磨损的轴，宜采用高分子修复技术，修复磨损轴；其次，在设备的安装、零部件的更换中应严格执行行业标准，重要部件及受理部件宜进行超声波探伤检查，同时并做好验收工作和相关的检修记录。最后应对检修人员进行技能培训，提高检修人员的检修技能和水平。
参考文献：
[1]3#胶带设备参数.
[2]3#胶带事故维修费用.
[3]ECOLSA公司轴修复报告.
[4]天主教大学断轴显微镜照片.
[5]3#胶带7#滚筒断轴技术报告.
[6]3#胶带控制系统的技术报告.
[7]超声波检查报告.
[8]PTI关于轴与轴封硬度匹配邮件.
[9]控制系统事故的报警数据信息.
[10]CDI公司提供的3#胶带电器保护报告.
[11]滚筒修复后入厂检查20160611.
[12]设备可靠部对掉落滚筒轴的超声波检查20160704.
[13]Synergy公司参数修改报告.