交流烟机轴承振动异常原因分析

中石化九江分公司Ⅰ套催化烟机振动异常原因分析及处理1概述九江分公司1000kt/a一套催化裂化装置主风机—烟机能量回收机组主要有烟气轮机、轴流式压缩机、齿轮箱、电动/发电机组成，采用三机并列布置（主风机组布置见图1）。轴流式主风机的型号为AV45-14，由陕西鼓风机厂设计制造；烟气轮机型号为YL-6000C，由兰州炼油机械厂生产制造，烟机主要性能参数见表1。图1机组布置总貌该机组于2003年3月安装投用，运行近四年来没有解体检修过，机组运行状况一直良好，与装置同期运转率达100%，累计回表1烟机主要性能参数项目烟气轮机型号YL-6000C形式单级悬臂式入口压力/MPa（abs）0.245出口压力/MPa（abs）0.108入口温度/℃670出口温度/℃541进口流量/m3.min-11850输出功率/Kw6359工作转速/rpm6250第一临界转速/rpm13022收再生烟气能量超过1.7亿度，为装置节能降耗作出了很大贡献，也为企业创造了巨大的经济效益。但2007年元月13日14：10烟机轴瓦4点振动突然上升（通频值趋势图见图2），其中以烟机小头瓦（XIA5104）上升幅度最大，之后烟机轴瓦各点振动多次出现跳变，波动频繁，且呈缓慢上升趋势，机组其他设备（如轴流风机、齿轮箱等）各测点振动幅值稳定。2007年2月4日，烟机小头瓦振动XIA5104由69μm突升至87μm超过报警值80μm。在整个振动变化过程中，XIA5104最高达89μm，最低为33.1μm。由于烟机轴瓦振动值较高，且处于越来越恶化的情况中，如不能及时采取有效措施，降低烟机轴瓦振动值，将直接导致机组故障停车。烟机轴瓦各点振动异常波动前后主要数据见表2。图2烟机轴瓦振动通频值趋势图说明：图中“1”、“2”、“3”、“4”分别表示烟机XIA5101、XIA5102、XIA5103、XIA5104四点的振动参数趋势（以下同）表2烟机轴瓦异常波动前后的主要振动数据振动峰-峰值(μm)1倍频(μm)2倍频(μm)0.5倍频(μm)测点正常异常正常异常正常异常正常异常XIA510112.816.35.29.544.10.10.1XIA510213.719.96.2154.250.40.6XIA510324.425.916.9195.66.20.40.2XIA5104396235.259.73.83.50.20.22烟机振动原因分析2007年元月13日以前，烟机轴瓦各测点振动幅值稳定，XIA5101-XIA5104四点振值分别稳定在12、14、24、36μm的范围内，波动幅度不超过2μm。但自2007年元月13日以来烟机轴瓦振动幅值多次出现突然增大或下降，其后振动值出现频繁波动，总体趋势为上升。至2007年2月5日烟气轮机轴瓦四点振动值分别上升到24、35、34、89μm。烟机轴瓦振动一倍频及相位趋势图见图3。图3烟机轴瓦振动一倍频及相位趋势图2.1烟机振动信号诊断分析从国内烟气轮机运行情况的统计数据来看，由于振动超标引起的故障停车次数约占总故障停车次数的40%。而烟气轮机振动大的原因很多，其中主要有催化剂细粉堆积和结垢、转子磨损、叶片断裂、管道或壳体变形等。2003年中石化催化裂化能量回收机组有15.6%的故障停机是由于烟机转子动平衡破坏引起的，而催化剂细粉堆积和结垢是转子动平衡破坏的重要原因[1]。比较图2和图3以及表2中的数据可以看出，烟机振动幅值上升是由工频幅值增长引起的，烟机振动的能量主要是集中在工频上，且工频能量占整个通频总能量的90%以上，其二倍频和半倍频的幅值基本稳定，无明显的变化。从图3我们还可以看到，每一次振动幅度较明显的跳变都会伴随着出现相位比较明显的变化，分析认为是由于转子不平衡矢量的变化引起的。此外在振动幅度缓慢上升或下降时，相位也有相应的变化。从图4振动突变前后的振动参数列表中可以看到，烟气轮机四个测点的GAP电压稳定，说明振动传感器工作正常，所测振动值是真实的，振动突变发生在18点21分42秒。图42007年元月19日18点左右XIA5104振动参数列表比较图5和图6烟气轮机XIA5104振动突变前后的波形频谱图，发现2倍频和其他谐波幅值变化不明显，时域波形未见异常，其振动波形是比较典型的正弦波。图5烟气轮机XIA5104振动突变后的波形频谱图图6烟气轮机XIA5104振动突变前的波形频谱图图7烟气轮机小头瓦振动突变前、后的轴心轨迹图从图7可以看出，烟气轮机轴瓦振动突变前后的轴心轨迹相似、重复性好，每次转动循环其轴心轨迹基本都维持在同样的位置上，由此可以判断烟气轮机运行状况稳定。但因轴心轨迹较扁，且多处出现锯齿尖角，分析认为存在局部的回转和不光滑，存在周期性的动静碰磨[1][2]。通过对上述各种振动信号的分析，初步得出烟气轮机振动较大且波动是转子存在动平衡故障，原因可能是由于动叶片的不均匀冲刷磨损或催化剂在转子上堆积结垢引起的。2.2烟气轮机叶片的照片分析2004年3月底因装置扩能改造，在停工期间，仅对烟气轮机叶片进行了检查，除发现烟气轮机流道和叶片上有部分松散的催化剂细粉，叶片根部有催化剂结垢，厚度在1-1.5mm左右，且垢样表面有冲刷的痕迹外，未发现其他问题。清理后的烟气轮机叶片没有明显的磨损、冲刷损伤。2004年4月初机组投入生产以来，运行平稳，轴系各点振动一直很稳定。2006年9月15日因电网故障以及2006年11月20日因沉降器旋分系统故障引起的装置停工期间，未对烟气轮机进行解体检查，仅从窥视孔对烟气轮机叶片进行了拍照（见图8和图9）。图82006年9月15日烟气轮机叶片顶部、根部催化剂的堆积和结垢情况从2006年9月15日第一次拍的照片分析，烟气轮机动叶片顶部有较厚催化剂堆积，动叶片根部有催化剂结垢，情形与2004年3月解体检查时大致相同。而从11月24日第二次拍的照片看，烟气轮机动叶片表面光滑，没有催化剂附着，没有明显的磨损和冲刷损伤。从两次拍的照片看，烟气轮机叶片顶部有较均匀的轻微磨损。分析认为是由于催化剂在围带上沉积到一定程度时，引起动静摩擦，摩擦产生的高温、高压使催化剂烧结，从而造成周期性的碰磨引起。图92006年11月24日烟气轮机动叶片图片2.3操作条件分析从目前国内外对烟气轮机结垢的研究和烟气轮机垢样的显微观察分析，烟气轮机结垢的主要原因是：一是进入烟气轮机的烟气中含有大量的催化剂细粉，为烟气轮机结垢提供了物质基础，细粉越多，结垢速度越快。二是催化剂细粉颗粒存在静电吸附作用。当催化剂细粉颗粒的静电吸附力大于其离心力后，便能将小于5μm的细粉逐层吸附加厚形成结垢。三是在细粉表面有粘结物质存在（研究表明硫酸钙在670℃左右时粘结性最强，铁与催化剂成分中的硅和钠发生化学反应，生成低熔点的共熔相物质，也起到了粘结剂的作用，此外在高温下形成的磷酸盐也具有粘结性）。四是在烟气轮机内有一定的温降过程，使催化剂结垢玻璃体逐渐变硬[3]。通过三旋出入口催化剂激光在线分析仪的检测结果，可以看出自2006年11月26日装置开工以来，烟气轮机入口的烟气中催化剂颗粒浓度较停工前有明显上升，烟机入口催化剂浓度和粒度的主要数据见表3。表3烟机入口催化剂浓度以及粒度采集数据时间浓度（mg/m3）平均颗粒直径（μm）0～5（μm）w％时间浓度（mg/m3）平均颗粒直径（μm）0～5（μm）w％2006-08-021020.44198.32006-12-151960.4398.592006-08-201030.44298.192006-12-221900.4398.592006-09-011190.43698.592006-12-291760.42998.592006-10-011030.43298.52007-01-011950.4398.592006-10-081080.43198.592007-01-081960.4398.592006-10-291140.43398.592007-01-152060.4398.592006-12-081850.4398.592007-01-252170.43298.3从表3的数据可以看出，烟机入口催化剂的颗粒浓度在2006年11月20日停工检修前的值一直小于120mg/m3，而从11月26日开工以来，三旋出口催化剂颗粒浓度数值偏大，平均值达到195mg/m3，结合烟机入口催化剂颗粒监测的数据（0～5μm的质量百分比一直在98.57左右，10～20μm催化剂颗粒含量小于0.2%）。分析认为催化剂颗粒浓度偏高的原因是烟气中催化剂细粉含量增加。由于细粉增加，加速了其在烟气轮机叶片、围带等部位的堆积。其次由于大于10μm的催化剂颗粒已基本除净，比较图9，分析认为烟气轮机动叶片被冲刷磨损不应是引起本次振动异常的主要原因。由于催化裂化装置本周期已连续运行了近4年，运行后期沉降器系统催化剂跑损严重，装置被迫于2006年11月20日停工抢修。停工后检查发现沉降器四组旋分器翼阀舌板冲蚀严重，2#及3#翼阀舌板周边密封面已冲蚀穿孔；四组旋分器流道口衬里开裂、鼓包严重，造成空腔内充满硬焦，使得旋流通道面积不到原来的1/3。抢修期间对沉降器四组翼阀进行了整体更换，四组旋分器流道口经修复也恢复正常。抢修前后平衡剂及油浆固体含量见表4。表4装置前修前后平衡剂及油浆固体含量采样数据时间0～20μm（%）0～40μm（%）油浆固体含量(g/l)时间0～20μm（%）0～40μm（%）油浆固体含量(g/l)2007-01-222.6621.5652006-11-131.5920.938.22007-01-151.9719.9152006-11-061.7817.877.62007-01-083.2226.045.42006-10-302.1820.5282007-01-012.423.046.42006-10-231.8917.998.42006-12-253.0225.8962006-10-161.8618.428.82006-12-182.6723.442006-10-092.0319.598.42006-12-112.1522.6952006-10-021.515.928.82006-12-042.4321.1452006-09-251.8519.398.8开工后平均2.6235.2停工前平均1.818.88.4从表4可以看出平衡剂中0～20μm的细粉含量由停工前的平均1.8%上升到现在的平均2.6%；0～40μm由18.8%上升到23%。油浆系统催化剂颗粒含量由抢修前的平均8.4g/l下降到开工后的5.2g/l。分析认为造成抢修前后数据变化的原因主要是由于沉降器旋分系统在抢修后分离效率提高，进入油浆系统的催化剂细粉减少，而分离后的催化剂细粉进入再生器，使平衡剂细粉含量增加，最终导致进入烟气轮机的催化剂浓度上升。其次由于使用了多产丙烯助剂以及降烯烃催化剂的使用，催化裂化平衡剂上稀土含量增加，而稀土元素是最容易产生静电的金属，从而更加强化了小颗粒催化剂在烟气轮机流道上的吸附作用[3]。此外自2006年11月26日装置开工以来，由于掺炼比下降，再生器操作弹性小，易造成三旋出口温度尾燃。工艺上采用喷水降温来控制三旋出口温度。因此烟气中有可能出现冷凝水，使的催化剂在烟气轮机转子上堆积形成结垢[4]。由于此类垢层表面光洁度较低，结构松软，烟气中的催化剂细粉能够更容易被吸附沉积下来。随着烟气轮机运行时间的延长，转子上的垢层越积越厚，导致转子不平衡质量越来越大，同时由于垢层的结合较松散，转子上的结垢物也容易出现随机剥落的情况。这些变化反映到烟气轮机轴瓦振动的趋势图上，导致了烟气轮机振动的突变和变化幅度的增大。2.4诊断分析结果从上述分析中可以认定烟气轮机的振动原因是其自身叶轮的平衡状态劣化所致。由于操作条件的变化，加速了催化剂细粉在烟气轮机转子上的堆积和结垢。当烟气轮机流道及叶片上堆积的催化剂垢层脱落后，就破坏了转子的动平衡，从而引起轴承振动幅度突发性升高和相位的明显突变；当烟气轮机流道及动叶片上堆积的催化剂垢层分布均匀或大部分催化剂垢层在