張蔭勛　李磊　魏杰

【摘 要】煙氣輪機(jī)機(jī)組振動(dòng)是制約機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行最常見的問題，本文通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用故障診斷分析方法，總結(jié)了煙氣輪機(jī)常見故障特征機(jī)理，并結(jié)合機(jī)組歷史狀況，通過典型案例所采集的數(shù)據(jù)分析了煙氣輪機(jī)的常見故障，并提出了處理故障的對(duì)應(yīng)方案。

【關(guān)鍵詞】煙氣輪機(jī)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷；頻譜分析

Common Failure Analysis of Fume Gas Turbine in Catalytic Cracking Unit

ZHANG Yin-Xun LI Lei WEI Jie

（PetroChina Lanzhou Petrochemical Company，Lanzhou Gansu 730060，China）

【Abstract】The vibrations of fume gas turbine are the most common problems which limit stable operation of the unit.Using condition monitoring and fault diagnosis methods，the common faults and mechanisms of fume gas turbine are summarized.Combined with the historical condition of the unit，the common faults are analyzed by the typical cases data， and the corresponding solutions are put forward.

【Key words】Fume gas turbine；Condition monitoring；Fault diagnosis；Spectrum analysis

0 前言

煙氣輪機(jī)是石油化工行業(yè)中常見的關(guān)鍵設(shè)備之一，它利用催化裂化裝置生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫再生煙氣的余熱驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)做功或給發(fā)電機(jī)提供動(dòng)能，煙氣輪機(jī)的工作狀態(tài)對(duì)保證整個(gè)裝置正常運(yùn)行和節(jié)能降耗具有重要意義。

煙氣輪機(jī)的工作環(huán)境極其惡劣，其轉(zhuǎn)速為5000～7000r/min；工作介質(zhì)為煙氣，不僅溫度高達(dá)600～700℃，并且其中還含有多種腐蝕性組分，大量的硬質(zhì)催化劑例子，特別是煙氣輪機(jī)工作時(shí)，這些因素均呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定行，因此煙氣輪機(jī)是催化裂化裝置目前故障率最高的動(dòng)力設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煙氣輪機(jī)平均無故障運(yùn)行時(shí)間不超過280天，有的廠煙機(jī)一年停機(jī)修理2-3次是很普遍的現(xiàn)象。這與裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求相差很遠(yuǎn)，頻繁停機(jī)導(dǎo)致裝置能耗上升，處理量下降，嚴(yán)重的使裝置切斷進(jìn)料甚至非計(jì)劃停工的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)煙氣輪機(jī)常見的故障模式進(jìn)行分析研究具有重要意義。

為保證煙氣輪機(jī)長(zhǎng)期安全、可靠、搞笑、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，須對(duì)煙氣輪機(jī)重點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，及早識(shí)別故障早期征兆，對(duì)故障部位、程度及發(fā)展趨勢(shì)做出準(zhǔn)確判斷，在煙氣輪機(jī)故障將要發(fā)生之前主動(dòng)實(shí)施維修，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

1 煙氣輪機(jī)典型故障模式

由于煙氣輪機(jī)工作在高溫、高轉(zhuǎn)速、粉塵等不利環(huán)境中，因此故障率高。煙氣輪機(jī)常見故障主要有轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、轉(zhuǎn)子缺陷、油膜渦動(dòng)或油膜振蕩、機(jī)組共振、碰摩以及機(jī)械松動(dòng)等。

可以將這些故障模式做以下分類[1][2]：

1.1 不平衡及磨損

這一類故障的表象是一致的，就是煙機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡被破壞，導(dǎo)致振動(dòng)超標(biāo)，甚至機(jī)組停機(jī)。

（1）磨損

催化裂化裝置再生煙氣中所含催化劑為主的煙氣粉塵，隨煙氣一起高速通過煙機(jī)葉片，對(duì)煙機(jī)流道產(chǎn)生沖刷，在高溫的作用下（通常煙氣入口溫度在620℃以上，我廠煙機(jī)入口溫度為700℃），煙氣粉塵對(duì)轉(zhuǎn)子的磨損加劇，磨損嚴(yán)重的部位常發(fā)生在葉片、臺(tái)肩、榫槽等部位，會(huì)出現(xiàn)刀刃狀的劃痕，沖蝕嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)蜂窩狀。

（2）葉片斷裂

當(dāng)葉片均勻沖刷時(shí)，磨損對(duì)煙機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡影響不大，而當(dāng)出現(xiàn)不均勻磨損時(shí)，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡被破壞，機(jī)組振動(dòng)值上升。當(dāng)沖蝕現(xiàn)象日益加劇，葉片受損嚴(yán)重，同時(shí)機(jī)組振動(dòng)逐漸加大，受損葉片在長(zhǎng)期振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用下極易發(fā)生斷裂，葉片突然斷裂又會(huì)使煙機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡嚴(yán)重破壞，振動(dòng)值巨幅上升。圖1是煙氣輪機(jī)葉片斷裂實(shí)物圖。

（3）粉塵堆積

煙機(jī)采用飽和蒸汽冷卻、吹掃煙機(jī)輪盤。高溫的煙氣通過混有較低溫度的蒸汽時(shí)，或者吹掃蒸汽本身帶有不飽和蒸汽時(shí)，在水分凝結(jié)作用下，煙氣粉塵會(huì)大量附著在煙機(jī)流道及葉片上。這些結(jié)焦物有時(shí)是均勻分布的，有時(shí)是不均勻的，這將直接影響轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。特別是煙機(jī)高速旋轉(zhuǎn)過程中煙氣條件不斷變化或結(jié)焦物增多、增重后，附著在葉片某部位的結(jié)焦物受離心力作用被甩脫，這樣就嚴(yán)重破壞了轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡，引起機(jī)組振動(dòng)突發(fā)性升高。而當(dāng)結(jié)焦物大部分被甩脫后，煙機(jī)的振動(dòng)又會(huì)降下來。圖2是煙氣輪機(jī)葉片上粉塵堆積的現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖2 粉塵堆積

絕大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)子不平衡是引起煙氣輪機(jī)振動(dòng)大的主要原因。機(jī)組新安裝或者檢修后，動(dòng)平衡都符合要求。但是，運(yùn)行一段時(shí)間以后，由于輪盤或動(dòng)葉片磨損、催化劑粉塵在葉片或者一、二級(jí)輪盤間不均勻堆積結(jié)塊，造成轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡破壞。由于煙氣是氣固兩相流，煙氣中含有催化劑粉塵不可避免，因此目前只能通過一定的措施減緩磨損和催化劑粉塵堆積結(jié)塊。

1.2 動(dòng)靜碰摩

對(duì)于煙氣輪機(jī)來說，由于高溫變形，煙氣粉塵堆積作用更容易發(fā)生碰摩故障。另外，分封間隙過小，同軸度偏差過大，油膜不穩(wěn)，承載力減少等因素都會(huì)導(dǎo)致碰摩發(fā)生。

動(dòng)靜摩擦?xí)a(chǎn)生切向摩擦力，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生渦動(dòng)，轉(zhuǎn)子的強(qiáng)迫振動(dòng)、碰摩自由振動(dòng)和摩擦渦動(dòng)疊加到一起，產(chǎn)生出復(fù)雜的、特有的振動(dòng)響應(yīng)，因?yàn)槟Σ亮Ρ硐缶哂忻黠@的非線性特征。

1.3 轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障

造成機(jī)組轉(zhuǎn)子不對(duì)中的原因有安裝誤差、管道應(yīng)力影響、溫度變化產(chǎn)生的熱變形、基礎(chǔ)沉降不均等。較高的溫度導(dǎo)致煙機(jī)和風(fēng)機(jī)的殼體及管線存在熱膨脹，常常會(huì)導(dǎo)致殼體及管線的熱分布不均勻，造成殼體變形、位移及承受較大的熱應(yīng)力。因此對(duì)煙機(jī)機(jī)組而言，熱變形是導(dǎo)致對(duì)中狀況惡化的主要原因。

1.4 油膜渦動(dòng)

軸在軸頸中作偏心旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸頸從油楔中間隙較大的地方帶入的油量大于從間隙小的地方帶出的油量。由于液體的不可壓縮性，多余的油就推動(dòng)軸頸前進(jìn)，形成與軸旋轉(zhuǎn)方向相同的渦動(dòng)。

軸承產(chǎn)生油膜渦動(dòng)或油膜振蕩的原因主要有：

a、軸承設(shè)計(jì)或制造不符合技術(shù)要求；

b、軸承間隙不當(dāng)，軸承殼體配合過盈不足，軸瓦參數(shù)不當(dāng)；

c、潤(rùn)滑油不良，油溫或油壓不當(dāng)；

d、軸承磨損、疲勞損壞、腐蝕及氣蝕等。

除上述幾種典型故障外，機(jī)組熱膨脹、熱蠕變等因素造成的機(jī)械松動(dòng)、動(dòng)葉片鎖片磨損導(dǎo)致葉片松動(dòng)發(fā)生的碰摩、二級(jí)靜葉環(huán)熱變形造成的碰摩、異物進(jìn)入導(dǎo)致的碰摩、煙氣輪機(jī)入口管線安裝誤差導(dǎo)致的碰摩、煙氣量不穩(wěn)定而導(dǎo)致的流體渦流激振以及煙氣輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)聯(lián)軸器做功主從動(dòng)關(guān)系改變而引起的強(qiáng)振等，在煙氣輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行中都會(huì)出現(xiàn)。

2 煙氣輪機(jī)診斷案例分析[3-4]

某石化公司一套催化裂化車間1#主風(fēng)機(jī)組為三機(jī)組，即煙機(jī)-風(fēng)機(jī)-電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖3。煙氣輪機(jī)型號(hào)為YLII-1000H，軸功率可達(dá)12260kW，效率≥84%，雙極懸臂梁結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)廠家為蘭煉機(jī)械廠，表1為煙機(jī)詳細(xì)參數(shù)。

2.1 煙機(jī)油膜渦動(dòng)案例

2012年7月6日煙氣輪機(jī)機(jī)組檢修后正常開機(jī)，發(fā)現(xiàn)煙氣輪機(jī)入口端振動(dòng)高，接近報(bào)警值80um。再次停機(jī)檢修所需成本較高，因此，試圖通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析尋找振動(dòng)的原因，以期在不停機(jī)的狀態(tài)下找到解決辦法。

因?yàn)槭菣z修后開機(jī)，經(jīng)過復(fù)查，排除機(jī)械松動(dòng)、轉(zhuǎn)子不平衡等故障。

分析煙氣輪機(jī)入口端振動(dòng)頻譜發(fā)現(xiàn)，主要的頻率分量是1倍頻（95HZ）分量，同時(shí)存在明顯的0.5倍頻分量和其余低頻成分。從其振動(dòng)趨勢(shì)圖中可以看出0.5倍頻成分波動(dòng)較大。頻譜圖上0.5倍頻振動(dòng)過大，且其軸心軌跡圖呈現(xiàn)不規(guī)則、擴(kuò)散形狀，符合油膜渦動(dòng)的基本特征，因此判斷煙機(jī)發(fā)生了油膜渦動(dòng)。

圖6 煙氣輪機(jī)入口端軸心軌跡圖

油膜渦動(dòng)的產(chǎn)生與潤(rùn)滑油各項(xiàng)品質(zhì)及軸瓦間隙有著直接的關(guān)系。首先分析潤(rùn)滑油膜減振效果，表2是煙氣輪機(jī)潤(rùn)滑油檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)果報(bào)告；報(bào)告顯示潤(rùn)滑油品質(zhì)完全符合標(biāo)準(zhǔn)，因此排除潤(rùn)滑油減振效果差引起油膜渦動(dòng)。

當(dāng)軸瓦間隙較大時(shí)，油膜形成較厚并且形成較為困難，其減振效果較差，油膜受力不均就可能出現(xiàn)油膜渦動(dòng)。

由于在之前的檢修過程中，軸瓦間隙都為0.22mm左右，開機(jī)后潤(rùn)滑油溫度平均在42℃，未發(fā)現(xiàn)有油膜渦動(dòng)情況發(fā)生，而本次檢修后軸瓦間隙為0.24mm；因此，軸瓦間隙變大可能是造成油膜渦動(dòng)的原因。在開機(jī)后無法調(diào)整軸瓦間隙，因此只能通過調(diào)節(jié)潤(rùn)滑油油壓和油溫來進(jìn)行控制。當(dāng)軸瓦間隙變大，則應(yīng)該降低潤(rùn)滑油溫度，從而提高潤(rùn)滑油粘度，使得潤(rùn)滑油膜形成較為完整，從而降低或消除油膜渦動(dòng)。

在采取了增大潤(rùn)滑油油壓，并且降低潤(rùn)滑油溫度后，煙氣輪機(jī)油膜渦動(dòng)成功消除，如圖7。

2.2 煙機(jī)碰摩故障案例

2013年12月，煙氣輪機(jī)因振動(dòng)過大而停機(jī)檢修，通過機(jī)組運(yùn)行時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，從圖8中可以看出：其波形圖存在明顯的“削波”現(xiàn)象；同時(shí)，存在豐富的高次諧波與低次諧波成分；軸心軌跡圖中出現(xiàn)明顯的“尖角”。以上是典型的轉(zhuǎn)子出現(xiàn)輕微碰摩的故障特征。

車間對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行了鐵譜分析，以下是鐵譜分析結(jié)論：

該機(jī)檢測(cè)部位：煙機(jī)瓦出口處

檢測(cè)結(jié)果：該機(jī)在12月25日的圖譜上存在片狀和鏈狀金屬膜粒，有少量錫金磨粒，非金屬顆粒和纖維，金屬磨粒和非金屬磨粒的數(shù)量較之前增多，金屬磨粒最大尺寸約25μ左右，判斷該機(jī)組存在輕微磨損。

由以上結(jié)論，我們就更可以肯定機(jī)組發(fā)生了輕度碰摩。在隨后由于裝置自報(bào)，煙機(jī)停機(jī)后打開檢查發(fā)現(xiàn)軸瓦表面有磨損痕跡，如圖11所示。

圖中瓦塊表面顯出多道較深的軸向刮痕，從而證實(shí)了之前的診斷結(jié)論是正確的。

2.3 煙機(jī)不平衡故障案例

2012年12月17日，監(jiān)測(cè)到煙機(jī)振動(dòng)值升高，如圖12。

取得了三旋出口處粉塵含量與煙氣輪機(jī)振動(dòng)的對(duì)比數(shù)據(jù)，如圖16，發(fā)現(xiàn)煙機(jī)振動(dòng)值隨著煙氣粉塵濃度的升高而增大。

圖16 煙氣粉塵含量與煙機(jī)振動(dòng)對(duì)比

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查煙機(jī)、軸承箱支架等地腳螺栓，未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)，故可排除此原因。判斷機(jī)組振動(dòng)主要原因?yàn)閯?dòng)平衡被破壞。在12月20日機(jī)組由于振動(dòng)較大，而停機(jī)檢修，通過拆出的轉(zhuǎn)子，進(jìn)一步得出了與之對(duì)應(yīng)的結(jié)論。

圖17為轉(zhuǎn)子拆出時(shí)，催化劑粉塵黏附的情況，可以清楚看出催化劑附著較多，為均勻分布，說明煙機(jī)運(yùn)行過程中存在有粉塵堆積引起的動(dòng)不平衡。隨著煙機(jī)轉(zhuǎn)子的拆卸工作的進(jìn)行，我們又得到了進(jìn)一步的證實(shí)：圖18為轉(zhuǎn)子兩級(jí)動(dòng)葉之間的靜葉拆出后經(jīng)過用風(fēng)吹掃后的照片，由圖中可以看出存在已經(jīng)燒結(jié)的大塊催化劑硬塊，呈不均勻分布，雖然這種粉塵堆積未分布在葉片上，但是其造成的動(dòng)平衡破壞卻不可忽視。

綜合以上各種因素，得出最終診斷結(jié)論為：由于煙氣中催化劑粉塵粘附及磨損葉片，從而造成轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡被破壞，引起煙機(jī)振動(dòng)過高。

為了降低該過程中煙機(jī)振動(dòng)值，就應(yīng)該盡量使得催化劑細(xì)粉在轉(zhuǎn)子上粘附越少約好，這樣在脫落過程中轉(zhuǎn)子所受的不平衡力就會(huì)降低?；蛘呤惯@粘附物盡量早的脫落下來，降低從黏附到脫落這一周期的時(shí)間，從而有效控制煙機(jī)振動(dòng)值。

在煙機(jī)開機(jī)后可調(diào)整煙氣量和輪盤冷卻蒸汽量。車間選擇了控制輪盤冷卻蒸汽量，即將輪盤冷卻蒸汽量在一定范圍內(nèi)提高，這樣可以有效地降低煙機(jī)振動(dòng)值。下面是改進(jìn)操作方法前后的煙機(jī)葉片對(duì)比圖：

4 總結(jié)

本文總結(jié)了煙氣輪機(jī)常見故障形式、機(jī)理及其故障特征，并結(jié)合某石化公司140萬噸/年重催裝置煙氣輪機(jī)具體故障實(shí)例進(jìn)行了分析。通過實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)備的故障診斷必然要經(jīng)過信息收集——分析判斷——推理——驗(yàn)證的循環(huán)反復(fù)的過程，對(duì)大型設(shè)備尤其像煙機(jī)機(jī)組這樣復(fù)雜的多機(jī)組設(shè)備，它承受著機(jī)械、電氣、熱力等多種變化作用，且工況隨生產(chǎn)需要經(jīng)常變化，使用單一的分析辦法很難判斷異常所在。在監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)采用多種方法進(jìn)行綜合分析，包括振動(dòng)、鐵譜分析、工藝參數(shù)的相互聯(lián)系等，不斷完善機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段，提高故障診斷的精確的，確保機(jī)組的安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

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[責(zé)任編輯：李書培]