催化裂化裝置煙氣輪機常見故障分析

張蔭勛 李 磊 魏 杰

(中國石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州730060)

催化裂化裝置煙氣輪機常見故障分析

張蔭勛 李 磊 魏 杰

(中國石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州730060)

煙氣輪機機組振動是制約機組平穩運行最常見的問題，本文通過狀態監測，運用故障診斷分析方法，總結了煙氣輪機常見故障特征機理，并結合機組歷史狀況，通過典型案例所采集的數據分析了煙氣輪機的常見故障，并提出了處理故障的對應方案。

煙氣輪機；狀態監測；故障診斷；頻譜分析

0 前言

煙氣輪機是石油化工行業中常見的關鍵設備之一，它利用催化裂化裝置生產過程中產生的高溫再生煙氣的余熱驅動空氣壓縮機做功或給發電機提供動能，煙氣輪機的工作狀態對保證整個裝置正常運行和節能降耗具有重要意義。

煙氣輪機的工作環境極其惡劣，其轉速為5000～7000r/min；工作介質為煙氣，不僅溫度高達600～700℃，并且其中還含有多種腐蝕性組分，大量的硬質催化劑例子，特別是煙氣輪機工作時，這些因素均呈現出強烈的動態不穩定行，因此煙氣輪機是催化裂化裝置目前故障率最高的動力設備之一。據統計，煙氣輪機平均無故障運行時間不超過280天，有的廠煙機一年停機修理2-3次是很普遍的現象。這與裝置長周期運行的要求相差很遠，頻繁停機導致裝置能耗上升，處理量下降，嚴重的使裝置切斷進料甚至非計劃停工的現象時有發生，嚴重影響了企業的經濟效益。因此，對煙氣輪機常見的故障模式進行分析研究具有重要意義。

為保證煙氣輪機長期安全、可靠、搞笑、經濟運行，須對煙氣輪機重點進行狀態監測和故障診斷，及早識別故障早期征兆，對故障部位、程度及發展趨勢做出準確判斷，在煙氣輪機故障將要發生之前主動實施維修，避免不必要的經濟損失。

1 煙氣輪機典型故障模式

由于煙氣輪機工作在高溫、高轉速、粉塵等不利環境中，因此故障率高。煙氣輪機常見故障主要有轉子不平衡、轉子不對中、轉子缺陷、油膜渦動或油膜振蕩、機組共振、碰摩以及機械松動等。

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，就是煙機轉子的動平衡被破壞，導致振動超標，甚至機組停機。

（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葉片，對煙機流道產生沖刷，在高溫的作用下（通常煙氣入口溫度在620℃以上，我廠煙機入口溫度為700℃），煙氣粉塵對轉子的磨損加劇，磨損嚴重的部位常發生在葉片、臺肩、榫槽等部位，會出現刀刃狀的劃痕，沖蝕嚴重時會出現蜂窩狀。

（2）葉片斷裂

當葉片均勻沖刷時，磨損對煙機轉子的平衡影響不大，而當出現不均勻磨損時，轉子動平衡被破壞，機組振動值上升。當沖蝕現象日益加劇，葉片受損嚴重，同時機組振動逐漸加大，受損葉片在長期振動產生的交變應力作用下極易發生斷裂，葉片突然斷裂又會使煙機轉子動平衡嚴重破壞，振動值巨幅上升。圖1是煙氣輪機葉片斷裂實物圖。

圖1 煙機斷葉片實物圖

（3）粉塵堆積

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

圖2 粉塵堆積

絕大多數情況下，轉子不平衡是引起煙氣輪機振動大的主要原因。機組新安裝或者檢修后，動平衡都符合要求。但是，運行一段時間以后，由于輪盤或動葉片磨損、催化劑粉塵在葉片或者一、二級輪盤間不均勻堆積結塊，造成轉子動平衡破壞。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塊。

1.2 動靜碰摩

對于煙氣輪機來說，由于高溫變形，煙氣粉塵堆積作用更容易發生碰摩故障。另外，分封間隙過小，同軸度偏差過大，油膜不穩，承載力減少等因素都會導致碰摩發生。

動靜摩擦會產生切向摩擦力，使轉子產生渦動，轉子的強迫振動、碰摩自由振動和摩擦渦動疊加到一起，產生出復雜的、特有的振動響應，因為摩擦力表象具有明顯的非線性特征。

1.3 轉子不對中故障

造成機組轉子不對中的原因有安裝誤差、管道應力影響、溫度變化產生的熱變形、基礎沉降不均等。較高的溫度導致煙機和風機的殼體及管線存在熱膨脹，常常會導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力。因此對煙機機組而言，熱變形是導致對中狀況惡化的主要原因。

1.4 油膜渦動

軸在軸頸中作偏心旋轉時，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，多余的油就推動軸頸前進，形成與軸旋轉方向相同的渦動。

軸承產生油膜渦動或油膜振蕩的原因主要有：

a、軸承設計或制造不符合技術要求；

b、軸承間隙不當，軸承殼體配合過盈不足，軸瓦參數不當；

c、潤滑油不良，油溫或油壓不當；

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，機組熱膨脹、熱蠕變等因素造成的機械松動、動葉片鎖片磨損導致葉片松動發生的碰摩、二級靜葉環熱變形造成的碰摩、異物進入導致的碰摩、煙氣輪機入口管線安裝誤差導致的碰摩、煙氣量不穩定而導致的流體渦流激振以及煙氣輪機甩負荷時聯軸器做功主從動關系改變而引起的強振等，在煙氣輪機實際運行中都會出現。

2 煙氣輪機診斷案例分析[3-4]

某石化公司一套催化裂化車間1#主風機組為三機組，即煙機-風機-電機結構，如圖3。煙氣輪機型號為YLII-1000H，軸功率可達12260kW，效率≥84%，雙極懸臂梁結構，生產廠家為蘭煉機械廠，表1為煙機詳細參數。

圖3 140萬噸/年重催主風機組示意圖

表1 煙氣輪機機組參數

2.1 煙機油膜渦動案例

2012年7月6日煙氣輪機機組檢修后正常開機，發現煙氣輪機入口端振動高，接近報警值80um。再次停機檢修所需成本較高，因此，試圖通過狀態監測系統分析尋找振動的原因，以期在不停機的狀態下找到解決辦法。

圖4 煙氣輪機入口端振動頻譜圖

圖5 煙氣輪機0.5倍頻振動趨勢圖

因為是檢修后開機，經過復查，排除機械松動、轉子不平衡等故障。

分析煙氣輪機入口端振動頻譜發現，主要的頻率分量是1倍頻（95HZ）分量，同時存在明顯的0.5倍頻分量和其余低頻成分。從其振動趨勢圖中可以看出0.5倍頻成分波動較大。頻譜圖上0.5倍頻振動過大，且其軸心軌跡圖呈現不規則、擴散形狀，符合油膜渦動的基本特征，因此判斷煙機發生了油膜渦動。

圖6 煙氣輪機入口端軸心軌跡圖

油膜渦動的產生與潤滑油各項品質及軸瓦間隙有著直接的關系。首先分析潤滑油膜減振效果，表2是煙氣輪機潤滑油檢驗標準和結果報告；報告顯示潤滑油品質完全符合標準，因此排除潤滑油減振效果差引起油膜渦動。

表2 煙氣輪機潤滑油檢驗標準及結果

當軸瓦間隙較大時，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油膜渦動。

由于在之前的檢修過程中，軸瓦間隙都為0.22mm左右，開機后潤滑油溫度平均在42℃，未發現有油膜渦動情況發生，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的原因。在開機后無法調整軸瓦間隙，因此只能通過調節潤滑油油壓和油溫來進行控制。當軸瓦間隙變大，則應該降低潤滑油溫度，從而提高潤滑油粘度，使得潤滑油膜形成較為完整，從而降低或消除油膜渦動。

在采取了增大潤滑油油壓，并且降低潤滑油溫度后，煙氣輪機油膜渦動成功消除，如圖7。

圖7 油膜渦動消除后煙機波形頻譜圖

2.2 煙機碰摩故障案例

2013年12月，煙氣輪機因振動過大而停機檢修，通過機組運行時采集到的數據進行頻譜分析，從圖8中可以看出：其波形圖存在明顯的“削波”現象；同時，存在豐富的高次諧波與低次諧波成分；軸心軌跡圖中出現明顯的“尖角”。以上是典型的轉子出現輕微碰摩的故障特征。

圖8 波形頻譜圖

圖9 軸心軌跡圖

車間對潤滑油進行了鐵譜分析，以下是鐵譜分析結論：

圖10 鐵譜分析譜片

該機檢測部位：煙機瓦出口處

檢測結果：該機在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量較之前增多，金屬磨粒最大尺寸約25μ左右，判斷該機組存在輕微磨損。

由以上結論，我們就更可以肯定機組發生了輕度碰摩。在隨后由于裝置自報，煙機停機后打開檢查發現軸瓦表面有磨損痕跡，如圖11所示。

圖11 軸瓦磨損圖

圖中瓦塊表面顯出多道較深的軸向刮痕，從而證實了之前的診斷結論是正確的。

2.3 煙機不平衡故障案例

2012年12月17日，監測到煙機振動值升高，如圖12。

圖12 煙機振動多值棒圖

分析其頻譜圖發現，振動值逐漸升高，其主要成分為1倍頻，并表現出相同的趨勢；軸心軌跡圖為不規則橢圓。

圖13 煙機出口端振動趨勢圖（通頻）

圖14 煙機出口端振動趨勢圖（1倍頻）

圖15 軸心軌跡圖

取得了三旋出口處粉塵含量與煙氣輪機振動的對比數據，如圖16，發現煙機振動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振動對比

經現場檢查煙機、軸承箱支架等地腳螺栓，未發現松動，故可排除此原因。判斷機組振動主要原因為動平衡被破壞。在12月20日機組由于振動較大，而停機檢修，通過拆出的轉子，進一步得出了與之對應的結論。

圖17 粉塵粘附

圖17為轉子拆出時，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，說明煙機運行過程中存在有粉塵堆積引起的動不平衡。隨著煙機轉子的拆卸工作的進行，我們又得到了進一步的證實：圖18為轉子兩級動葉之間的靜葉拆出后經過用風吹掃后的照片，由圖中可以看出存在已經燒結的大塊催化劑硬塊，呈不均勻分布，雖然這種粉塵堆積未分布在葉片上，但是其造成的動平衡破壞卻不可忽視。

圖18 靜葉粉塵粘附

圖19中看到葉片根部存在缺陷，后經化驗證實為煙機葉片耐磨層脫落，同樣情況在該葉片相隔三個葉片處也出現，說明葉片耐磨層因催化劑沖刷磨損而脫落，從而造成轉子動平衡破壞。

圖19 葉片耐磨層脫落

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

為了降低該過程中煙機振動值，就應該盡量使得催化劑細粉在轉子上粘附越少約好，這樣在脫落過程中轉子所受的不平衡力就會降低?；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間，從而有效控制煙機振動值。

在煙機開機后可調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提高，這樣可以有效地降低煙機振動值。下面是改進操作方法前后的煙機葉片對比圖：

圖20 調整前后的葉片

4 總結

本文總結了煙氣輪機常見故障形式、機理及其故障特征，并結合某石化公司140萬噸/年重催裝置煙氣輪機具體故障實例進行了分析。通過實例分析發現，設備的故障診斷必然要經過信息收集——分析判斷——推理——驗證的循環反復的過程，對大型設備尤其像煙機機組這樣復雜的多機組設備，它承受著機械、電氣、熱力等多種變化作用，且工況隨生產需要經常變化，使用單一的分析辦法很難判斷異常所在。在監測時應采用多種方法進行綜合分析，包括振動、鐵譜分析、工藝參數的相互聯系等，不斷完善機組狀態監測手段，提高故障診斷的精確的，確保機組的安全、長周期運行。

［1］陳大禧,朱鐵光.大型回轉機械診斷現場實用技術[M].北京:機械工業出版社, 2002:42-45.

［2］屈梁生.機械故障診斷學[M].上海:上?？茖W技術出版社,1986:25-30.

［3］王建軍.催化裂化裝置煙機機組2003年停機故障分析與改進措施[J].石油化工設備技術,2004,25(2):24-26.

［4］方濤.煙氣輪機機械故障的狀態監測與診斷[J].設備管理與維修,2005(1):32-34.

［責任編輯：李書培］

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)

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.

Fume gas turbine；Condition monitoring；Fault diagnosis；Spectrum analysis

張蔭勛（1990—），男，甘肅蘭州人，中國石油蘭州石化公司，助理工程師，研究方向為旋轉機械狀態監測與故障診斷。