催化煙機(jī)振動異常案例分析與處置

徐成裕，張軍軍，徐玉棠

(中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

煙氣輪機(jī)(簡稱煙機(jī))是催化裂化裝置的核心設(shè)備，同時也是該裝置主要的節(jié)能設(shè)備。該機(jī)通過再生煙氣的壓力和熱能進(jìn)行膨脹做功，從而有效帶動主風(fēng)機(jī)運(yùn)行及發(fā)電，其運(yùn)行情況直接影響到裝置的運(yùn)行周期和能耗水平。本裝置(簡稱Ⅱ催化，340萬t/a)主風(fēng)機(jī)組采用煙機(jī)+軸流風(fēng)機(jī)+電動(發(fā)電)機(jī)的三機(jī)組模式，于1999年11月投入運(yùn)行。2007年配合裝置擴(kuò)能，煙機(jī)同步改造，軸功率由16 389 kW提升至18 500 kW，控制系統(tǒng)也由GHH改為TRICON。該機(jī)為軸向進(jìn)氣，垂直向上排氣的單級煙氣輪機(jī)，轉(zhuǎn)子采用單級懸臂結(jié)構(gòu)，主要由進(jìn)氣殼體組件、排氣渦殼組件、轉(zhuǎn)子組件、軸承座組件以及底座等6大部分組成。煙機(jī)結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 煙機(jī)結(jié)構(gòu)示意

1 振動變化及分析處置

1.1 振動問題的產(chǎn)生

受結(jié)垢影響，該煙機(jī)存在振動波動的情況，但總體運(yùn)行穩(wěn)定，滿足裝置同步運(yùn)行的要求。在2014年檢修時，首次發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流錐進(jìn)氣段支撐位置變形(見圖2)，分析認(rèn)為是長期受高溫及應(yīng)力環(huán)境影響，材料產(chǎn)生高溫疲勞引起的。到2016年檢修時，發(fā)現(xiàn)變形有擴(kuò)展，已有3個部位明顯凹陷，隨即安排采購新導(dǎo)流錐。

圖2 導(dǎo)流錐進(jìn)氣段支撐位置變形部位

2018年裝置停工檢修時，導(dǎo)流錐進(jìn)氣段原變形量又有擴(kuò)大。原計(jì)劃更換導(dǎo)流錐，但因靜葉端面間隙、輪盤氣封間隙、導(dǎo)流錐螺栓孔分布等配合問題，新導(dǎo)流錐無法安裝。2018年6月裝置開工后，煙機(jī)軸振動測振點(diǎn)出現(xiàn)振蕩上升(軸系測點(diǎn)分布見圖3，其中XI1431A/XI1432A為輪盤側(cè)徑向振動測點(diǎn)；XI1433A/XI1432A為對輪側(cè)徑向振動測點(diǎn))，單點(diǎn)(XI1431A)瞬間最高上升至110 μm(高報值57 μm，聯(lián)鎖停機(jī)值95 μm，2取2)。

圖3 軸系測點(diǎn)分布

停工檢修前、后振動趨勢對比見圖4。2018年5月19日停工檢修前，XI1431A振動最大值在80 μm以下；6月10日檢修完開機(jī)后， 振動逐漸升高，最高達(dá)到97 μm(因捕捉頻率低，該趨勢圖中未顯示110 μm的最大值)，之后有所回落。

1.2 問題初步分析

圖5和圖6分別是2018年7月29～31日、2019年1月12～17日煙機(jī)軸振動4個測點(diǎn)(輪盤側(cè)XI1431A、XI1432A和對輪側(cè)XI1433A、XI1434A)的變化趨勢。

圖4 停工檢修前、后振動趨勢對比(XI1431A)

圖5 煙機(jī)振動測點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)變化趨勢(2018年7月29～31日)

圖6 煙機(jī)振動測點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)變化趨勢(2019年1月12～17日)

從圖5和圖6可以看出：測點(diǎn)振動存在同步上升及同步下降現(xiàn)象，振動最高點(diǎn)XI1431A超過90 μm，其他3個點(diǎn)相對較低，均在60 μm以下。振動的上升和下降呈突然跳躍的態(tài)勢，跳躍幅度高的超過30 μm，且沒有規(guī)律。

查看煙機(jī)振動跳躍前后裝置各運(yùn)行參數(shù)發(fā)現(xiàn)，均未發(fā)生明顯波動，旋分壓降和三旋出口細(xì)粉含量均穩(wěn)定(小于3%，符合要求)，細(xì)粉粒度無明顯變化，排除了工藝異常引起煙機(jī)振動變化的可能。

檢查結(jié)果顯示，潤滑油路溫度、壓力穩(wěn)定，軸瓦進(jìn)油壓力及回油溫度穩(wěn)定，排除了油路問題。

利用機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)對振動變化進(jìn)行分析。振動通頻值上升主要是由工頻幅值增長引起的，工頻相位出現(xiàn)同步變化趨勢，二倍頻成分幅值存在同步小幅度變化，二倍頻相位呈同步變化趨勢。對比煙機(jī)前、后軸工頻橢圓軌跡發(fā)現(xiàn)，初相點(diǎn)出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)移。煙機(jī)轉(zhuǎn)子存在不平衡矢量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，變化前后工頻橢圓進(jìn)動方向不變。

通過機(jī)組在線監(jiān)測分析診斷，轉(zhuǎn)動過程無機(jī)械摩擦，振動變化是“動不平衡量”變化引起【1】。

1.3 工藝操作上的應(yīng)對

為維持煙機(jī)的正常運(yùn)行，避免異常停機(jī)，裝置從多方面進(jìn)行了調(diào)整。

1.3.1 降低超細(xì)粉對煙機(jī)結(jié)垢的影響

一般認(rèn)為：煙機(jī)入口粉塵濃度高，尤其是超細(xì)顆粒含量高是煙機(jī)結(jié)垢的直接原因。超細(xì)粉由于受到范德華力的影響容易在葉片、轉(zhuǎn)子、尾帶上粘附集聚，形成垢片【2】。隨著垢片的不斷增大， 在離心力作用下將會脫落， 導(dǎo)致煙機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡被破壞， 振動升高。中石化專家團(tuán)隊(duì)調(diào)研結(jié)果表明： 煙機(jī)結(jié)垢嚴(yán)重程度與入口粉塵濃度及粉塵中<5 μm的顆粒含量有直接關(guān)系，其含量越高，煙機(jī)結(jié)垢越嚴(yán)重【3】。

表1是Ⅱ催化三級旋分出口煙氣細(xì)粉粒度分布數(shù)據(jù)。從表1可以看出：三級旋分出口煙氣細(xì)粉中，<5 μm的超細(xì)粉含量平均值達(dá)到98.94%，<3 μm的超細(xì)粉含量平均值達(dá)到93%，基本不含10 μm以上的顆粒。

為限制超細(xì)粉產(chǎn)生，主要做了以下工作：

1) 降低采購新鮮催化劑的磨損指數(shù)，減少超細(xì)粉的產(chǎn)生。磨損指數(shù)指標(biāo)從原來的1.4%下調(diào)至1.1%，<40 μm細(xì)粉含量指標(biāo)從15%下調(diào)至12%。要求三效助劑廠家提高助劑的球形度，減少細(xì)粉產(chǎn)生。從圖7電鏡分析可以看出，2019年2月生產(chǎn)的三效助劑球形度較2018年8月有所改善，但仍需繼續(xù)提高。

圖7 三效助劑電鏡分析

2) 避免同時使用多種強(qiáng)度相差較大的新鮮劑或助劑(在無法避免使用助劑時，對助劑的強(qiáng)度與球形度加強(qiáng)監(jiān)控)。

3) 降低再生器中煙氣流速，以減少催化劑顆粒高速碰撞產(chǎn)生的細(xì)粉。一方面控制進(jìn)入燒焦罐的主風(fēng)量，在維持再生催化劑定碳穩(wěn)定的情況下，煙氣氧含量盡量低；另一方面盡量提高再生器壓力。

4) 避免再生溫度過高和稀相尾燃，避免內(nèi)、外取熱器泄漏蒸汽進(jìn)入再生器以及避免燃燒油噴嘴等處蒸汽長期進(jìn)入再生器，以減少催化劑熱崩產(chǎn)生超細(xì)粉。

表1 三級旋分出口煙氣細(xì)粉粒度分布 單位：μm

1.3.2 其他操作條件的優(yōu)化

1) 控制煙機(jī)入口溫度，保證其不超溫，穩(wěn)定維持在678～685 ℃。

2) 降低系統(tǒng)中水汽濃度，減緩煙機(jī)結(jié)垢。煙氣中的水汽主要來源有焦中氫燃燒生成的水汽、煙機(jī)輪盤冷卻蒸汽、再生器各循環(huán)管松動蒸汽、燃燒油噴嘴保護(hù)蒸汽、主風(fēng)事故蒸汽暖管蒸汽等。實(shí)際生產(chǎn)過程中，要監(jiān)控好焦中氫含量，將其控制在6%～9%；再生器各循環(huán)管松動點(diǎn)應(yīng)遵循宜風(fēng)則風(fēng)、宜汽則汽的原則，盡量減少用汽點(diǎn)；燃燒油噴嘴保護(hù)采用非凈化風(fēng)替代蒸汽；控制好主風(fēng)事故蒸汽暖管小旁路流量，避免開度過大。

3) 確保煙機(jī)輪盤冷卻蒸汽是過熱蒸汽，避免帶水。適當(dāng)減少輪盤蒸汽用量，輪盤溫度控制在330～350 ℃。

1.3.3 煙機(jī)在線清垢

經(jīng)過工藝調(diào)整，仍不能有效緩解煙機(jī)振動的上升趨勢，參考其他企業(yè)煙機(jī)實(shí)施在線清垢的經(jīng)驗(yàn)，2019年2月19日，對本裝置煙機(jī)實(shí)施了在線清垢。開啟備用風(fēng)機(jī)，將煙機(jī)機(jī)組負(fù)荷切出，利用垢層與機(jī)體金屬熱膨脹系數(shù)不同的特性，通過轉(zhuǎn)速、輪盤冷卻蒸汽的大幅擾動，使垢層分離、脫落并被吹除，達(dá)到在線清除煙機(jī)結(jié)垢的目的。

清垢后煙機(jī)振動單點(diǎn)最大值(XI1431A)從最高的141 μm下降至68 μm，取得一定效果。但重新投入運(yùn)行后振動上升較快。2月27日，XI1431A振動值再次上升至高于115 μm，且居高不下。

1.4 振動問題的再次確認(rèn)

3月7日安排煙機(jī)停機(jī)檢修。解體檢查，發(fā)現(xiàn)煙機(jī)導(dǎo)流錐進(jìn)氣段內(nèi)錐體局部凹陷變形量較上次檢修時有所增加(見圖8和圖9)。

測量轉(zhuǎn)子與進(jìn)氣側(cè)端面間隙，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣側(cè)上部2～3點(diǎn)鐘方向端面間隙4.1～8.9 mm(標(biāo)準(zhǔn)為12～13 mm)；移開導(dǎo)流錐后測量靜葉頂間隙，發(fā)現(xiàn)靜葉部分頂?shù)綄?dǎo)流錐臺階；對導(dǎo)流錐焊縫進(jìn)行著色檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部4處焊縫有裂紋，外部5處焊縫有裂紋；且轉(zhuǎn)子輪盤背面堆積脫落的催化劑較多。

圖8 2019年3月導(dǎo)流錐變形凹陷情況及裂紋部位

圖9 導(dǎo)流錐凹陷變形位置示意

由煙機(jī)轉(zhuǎn)子與進(jìn)氣側(cè)端面間隙減小(2018年檢修完扣蓋時測量進(jìn)氣側(cè)端面間隙為7～10 mm)的現(xiàn)象可以判斷，導(dǎo)流錐內(nèi)錐體端面已向轉(zhuǎn)子側(cè)移動。結(jié)合進(jìn)氣段內(nèi)錐體的變形判斷，認(rèn)為是材料高溫蠕變造成了動、靜端面間隙不均勻減小，同時內(nèi)錐體中心偏離，造成局部靜葉葉頂頂?shù)綄?dǎo)流錐臺階。

導(dǎo)流錐殼體的裂紋，判斷是材質(zhì)在長期高溫、應(yīng)力環(huán)境下產(chǎn)生的高溫疲勞裂紋。

另外主推力瓦有1塊瓦塊存在微裂紋，汽封梳齒有輕微翻邊，梳齒間有少量催化劑。其他煙機(jī)部件正常，無明顯影響軸振動的因素。

檢修中更換推力瓦塊、汽封體煙機(jī)轉(zhuǎn)子(2臺轉(zhuǎn)子輪流使用，換下后清洗、噴涂、做動平衡)和各部位高溫螺栓。

因新購導(dǎo)流錐返廠加工未完成，不得已嘗試對原導(dǎo)流錐變形進(jìn)行矯正。但實(shí)際矯正時，因該部位壁厚14 mm，矯正難度大，效果不明顯。且強(qiáng)行矯正會導(dǎo)致靜葉環(huán)封嚴(yán)重變形、動靜配合間隙超標(biāo)等問題。因此，在無新配件的情況下，只能安裝使用原導(dǎo)流錐。導(dǎo)流錐中心的偏移及端面位移造成的配合間隙超標(biāo)，檢修已無法消除。

進(jìn)氣錐與靜葉、輪盤間隙以及葉輪與殼體間隙示意見圖10，前、后殼體間隙拆裝對比見表2。

3月14日開機(jī)投運(yùn)后，煙機(jī)振動持續(xù)升高(見圖11)，4月9日已突破80 μm，且較以往不同的是，振動變化周期縮短。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，煙機(jī)結(jié)垢需要一定時間的積累，運(yùn)行超過1個月以后才會出現(xiàn)振動的突變。而此階段運(yùn)行中，振動突變頻繁，1天內(nèi)可出現(xiàn)3～4次，與煙機(jī)結(jié)垢現(xiàn)象不符。

圖10 各部件間隙示意

表2 進(jìn)氣錐與靜葉、輪盤間隙以及葉輪與前、后殼體間隙拆裝對比 單位：mm

分析認(rèn)為：導(dǎo)流錐的變形對煙機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動狀態(tài)的影響加劇；振動的上升屬于不可逆發(fā)展，必須通過檢修消除。

2 “動不平衡” 故障消除

2019年5月21日，決定再次停機(jī)檢修，更換導(dǎo)流錐。6月5日檢修完開機(jī)后運(yùn)行至今，振動單點(diǎn)最大值穩(wěn)定在40 μm左右。由此可以斷定，導(dǎo)流錐引起的煙氣流不穩(wěn)定是導(dǎo)致本周期煙機(jī)振動異常的主要原因，“動不平衡”的現(xiàn)象消失，煙機(jī)振動的故障也隨之消除(見圖12)。

3 關(guān)于導(dǎo)流錐材質(zhì)問題

煙機(jī)從1999年11月投用至今，導(dǎo)流錐使用已超過19年。導(dǎo)流錐進(jìn)氣錐材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，長期在670～685 ℃的高溫環(huán)境下運(yùn)行，且受應(yīng)力影響，材質(zhì)出現(xiàn)了高溫疲勞蠕變變形(或開裂)。

圖11 2019年3月14日開機(jī)后振動異常上升

圖12 2019年6月5日開機(jī)后振動穩(wěn)定

對該材質(zhì)長期高溫蠕變的研究，尚缺少數(shù)據(jù)的支撐。設(shè)計(jì)計(jì)算時，一般也以鋼材在設(shè)計(jì)溫度下經(jīng)10萬h蠕變率為1%的蠕變極限來考慮材質(zhì)的高溫蠕變量問題。對于材質(zhì)運(yùn)行超過10萬h的蠕變量，既無理論計(jì)算量也無經(jīng)驗(yàn)值。而C會與晶界處的Cr結(jié)合，形成Cr3C2并析出，隨著長時間的累積，當(dāng)晶界處的Cr含量低于12%時，發(fā)生晶間腐蝕開裂的幾率就會變大。

且長期高溫、應(yīng)力條件下，本來輕微的表層氧化也會逐漸向材料內(nèi)部深入。相關(guān)報道中已有ZG304(304鑄鋼)材質(zhì)的導(dǎo)流錐開裂的記載，并在材質(zhì)斷口分析報告中，指明了材料的晶間腐蝕以及高溫氧化問題。所以有必要在合適的時間對導(dǎo)流錐部件進(jìn)行材質(zhì)升級。

4 結(jié)論

導(dǎo)流錐蠕變變形引起煙機(jī)振動異常的問題，在行業(yè)中出現(xiàn)較少。但隨著煙機(jī)投入運(yùn)行時間的增加，材料高溫疲勞的問題會逐漸顯現(xiàn)出來，且振動異常時，機(jī)組在線監(jiān)測頻譜分析也難以診斷。故在煙機(jī)檢修時，需重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)流錐的變形情況，盡量提前處置應(yīng)對。建議設(shè)定振動的主動停機(jī)檢修指標(biāo)，避免缺陷惡化后突發(fā)故障造成設(shè)備損壞。對材質(zhì)高溫疲勞的問題也亟待進(jìn)一步深入研究。操作優(yōu)化對避免煙機(jī)振動異常始終是一項(xiàng)十分重要的工作。