管道應(yīng)力導(dǎo)致主風(fēng)機(jī)組異常振動(dòng)及消除措施

謝紅初

（岳陽長嶺設(shè)備研究所有限公司，湖南岳陽 414000）

0 引言

催化裂化裝置一般由反應(yīng)—再生系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)和吸收—穩(wěn)定系統(tǒng)3 部分組成，并且在處理量較大、反應(yīng)壓力較高（一般超過0.25 MPa）的裝置，一般配設(shè)再生煙氣能量回收系統(tǒng)。而反應(yīng)—再生系統(tǒng)除了反應(yīng)器和再生器以外，最為關(guān)鍵的設(shè)備為主風(fēng)機(jī)組，可以說主風(fēng)機(jī)組為催化裂化裝置的心臟設(shè)備，必須連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，主風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，催化裂化裝置也就停止生產(chǎn)。主風(fēng)機(jī)組主要是為再生器失活催化劑燒焦提供氧氣，并保證再生器、燒焦罐內(nèi)的催化劑處于流化狀態(tài)，只有流化狀態(tài)才能使催化劑在兩器內(nèi)正常流動(dòng)，保持工作正常。機(jī)組結(jié)構(gòu)簡圖（圖1）和相關(guān)參數(shù)（表1）。

1 管道應(yīng)力產(chǎn)生的原因與影響

圖1 主風(fēng)機(jī)組結(jié)構(gòu)與測點(diǎn)分布

表1 主風(fēng)機(jī)組相關(guān)參數(shù)

壓力管道應(yīng)力通常是由于外載荷直接產(chǎn)生或是在變形協(xié)調(diào)過程產(chǎn)生的。目前比較通用的分類方法是將壓力管道中的應(yīng)力分為3 大類：一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。一次應(yīng)力是指平衡外加機(jī)械載荷所必需的應(yīng)力；二次應(yīng)力是指相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)自身約束所引起的應(yīng)力。二次應(yīng)力不是由外載荷直接產(chǎn)生的，其作用不是為平衡外載荷，而是結(jié)構(gòu)在受載時(shí)變形協(xié)調(diào)而使應(yīng)力得到緩解；峰值應(yīng)力是由于載荷、結(jié)構(gòu)形狀突變而引起的局部應(yīng)力集中的最高應(yīng)力值，是引起疲勞破壞或脆性斷裂的可能根源。

一般壓力管道上所產(chǎn)生的二次應(yīng)力主要考慮由于熱脹冷縮以及位移受到約束所產(chǎn)生的應(yīng)力。大直徑薄壁管道受到徑向膨脹的影響，管道易發(fā)生塑性變形，如應(yīng)力超出極限會(huì)引發(fā)安全事故。在煉油裝置部分大機(jī)組開機(jī)過程中，由于介質(zhì)溫度較高，很容易導(dǎo)致管道受熱產(chǎn)生蠕變，從而改變機(jī)組軸系的相對(duì)位置，導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)異?，F(xiàn)象。甚至很多機(jī)組會(huì)因?yàn)檩S系位置發(fā)生較大改變，而不得不停機(jī)進(jìn)行調(diào)整，例如某煉油廠催化裝置的主風(fēng)機(jī)組就因管道應(yīng)力導(dǎo)致軸系位置產(chǎn)生較大改變而停機(jī)進(jìn)行調(diào)整。

2 振動(dòng)異常情況分析

某煉油廠1#催化主風(fēng)機(jī)組因煙機(jī)轉(zhuǎn)子故障，于2018年8月8日更換煙機(jī)轉(zhuǎn)子，并對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行維修，于8月11日2時(shí)完成檢修，12 時(shí)引入煙氣預(yù)熱，20 時(shí)從備用風(fēng)機(jī)切換到主風(fēng)機(jī)，且運(yùn)行參數(shù)一切正常。機(jī)組運(yùn)行至26日18 時(shí)，煙機(jī)軸振動(dòng)突然上升；風(fēng)機(jī)高壓X 從66 μm 到85 μm，風(fēng)機(jī)低壓側(cè)變化幅度稍小，風(fēng)機(jī)高壓X、Y、煙機(jī)后Y 軸振動(dòng)通頻值的上升主要是由二倍頻增長引起的，振動(dòng)趨勢見圖2。

現(xiàn)場進(jìn)行工藝調(diào)整，將煙機(jī)蝶閥從67%關(guān)小至57%，風(fēng)機(jī)處理量基本不變，電機(jī)做功增加約300 kW，相當(dāng)于煙機(jī)做功減少300 kW，風(fēng)機(jī)軸振動(dòng)開始下降，煙機(jī)后X/Y 振動(dòng)上升，振動(dòng)平穩(wěn)后，風(fēng)機(jī)高壓Y 略高于波動(dòng)前，其他通道均低于波動(dòng)前，煙機(jī)后X/Y 高于波動(dòng)前，煙機(jī)后X 為46 μm 到75 μm。風(fēng)機(jī)軸振動(dòng)通頻值下降主要是由二倍頻下降引起的，煙機(jī)振動(dòng)增長主要是工頻幅值的上升。運(yùn)行至27日10 時(shí)，煙機(jī)后X 最高達(dá)到85 μm，軸承座測點(diǎn)9H 也從26日的5.1 mm/s 上升到7.2 mm/s，殼體振動(dòng)數(shù)據(jù)見表2，軸承座振動(dòng)頻譜圖見圖3；風(fēng)機(jī)兩側(cè)軸振動(dòng)較為穩(wěn)定。

圖2 1#催化主風(fēng)機(jī)組軸振動(dòng)趨勢

表2 1#催化主風(fēng)機(jī)組殼體振動(dòng)數(shù)據(jù) mm/s

圖3 1#催化主風(fēng)機(jī)組加固前后煙機(jī)軸承座振動(dòng)頻譜

通過現(xiàn)場振動(dòng)測試數(shù)據(jù)和在線系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，造成軸振動(dòng)異常上升的原因?yàn)榇嬖跓煓C(jī)與風(fēng)機(jī)之間的聯(lián)軸器工作異常，或者煙機(jī)與風(fēng)機(jī)軸對(duì)中異常。建議停機(jī)檢查聯(lián)軸器是否有松動(dòng)、內(nèi)外齒的咬合情況，檢查軸對(duì)中情況。11 時(shí)30 分主風(fēng)機(jī)開始切換備機(jī)，降負(fù)荷時(shí)煙機(jī)軸振有明顯下降，煙機(jī)后X 從85 μm 到48 μm，機(jī)組之后停機(jī)。

檢查發(fā)現(xiàn)主風(fēng)機(jī)—煙機(jī)機(jī)組對(duì)中數(shù)據(jù)存在較大偏差，左右徑向偏差200 μm，上下偏差830 μm。分析軸系對(duì)中為何會(huì)出現(xiàn)如此大的偏差，主要原因?yàn)橹黠L(fēng)機(jī)下蝸殼和管道過熱后（主風(fēng)機(jī)出口溫度160 ℃）應(yīng)力釋放，管道蠕變頂起主風(fēng)機(jī)蝸殼。通過緊急搶修，調(diào)整主風(fēng)機(jī)—煙機(jī)機(jī)組對(duì)中數(shù)據(jù)，并對(duì)主風(fēng)機(jī)高壓端（出口）進(jìn)行管道加固（圖4），機(jī)組于31日9 時(shí)啟動(dòng)煙機(jī)，11 時(shí)切換完成，目前主風(fēng)機(jī)B101 運(yùn)行參數(shù)良好，殼體振動(dòng)數(shù)據(jù)見表2。

某煉廠3#催化2017年大檢修開工過程，主風(fēng)機(jī)組振動(dòng)出現(xiàn)異常。6月5日開主風(fēng)機(jī)，機(jī)組開機(jī)正常后，風(fēng)機(jī)高壓軸向殼體振動(dòng)2.6 mm/s，較檢修之前1.0 mm/s 有大幅上升，通過持續(xù)監(jiān)測，6日16 時(shí)，風(fēng)機(jī)高壓軸向殼體振動(dòng)9.5 mm/s，并有進(jìn)一步上升的趨勢，于7日14 時(shí)風(fēng)機(jī)高壓軸向殼體振動(dòng)已上升至11.2 mm/s，已經(jīng)超過絕對(duì)振動(dòng)許可值。風(fēng)機(jī)殼體振動(dòng)頻率成分以旋轉(zhuǎn)頻率為主，各測點(diǎn)殼體振動(dòng)數(shù)據(jù)見表3，軸承座殼體振動(dòng)頻譜見圖5。因風(fēng)機(jī)軸向殼體振動(dòng)值已經(jīng)超過絕對(duì)振動(dòng)許可值，故需立刻判定能否持續(xù)運(yùn)行；對(duì)比機(jī)組各測點(diǎn)軸振動(dòng)軸位移趨勢穩(wěn)定，未見明顯波動(dòng)，軸振動(dòng)和軸位移趨勢穩(wěn)定表明機(jī)組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

圖4 1#催化主風(fēng)機(jī)出口管道加固處理

表3 3#催化主風(fēng)機(jī)組殼體振動(dòng)數(shù)據(jù) mm/s

同時(shí)對(duì)主風(fēng)機(jī)組進(jìn)行潤滑油鐵譜分析和磨粒分析（表4），分析結(jié)果未見軸瓦出現(xiàn)異常磨損。且檢修期間對(duì)主風(fēng)機(jī)管道進(jìn)行改造，所以初步判定振動(dòng)持續(xù)上升主要原因?yàn)楣艿缿?yīng)力變化，導(dǎo)致缸體和軸承座發(fā)生位移和形變，削弱了軸承座的支撐剛度，同時(shí)轉(zhuǎn)子與殼體之間的相對(duì)位置變化也在一定程度上使得振動(dòng)增大。建議先通過加強(qiáng)風(fēng)機(jī)高壓側(cè)支撐剛度，使用導(dǎo)鏈對(duì)高壓側(cè)出口管道施加一個(gè)向低壓側(cè)的拉力，能有效消除風(fēng)機(jī)出口管道的蠕變偏移，同時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)高壓側(cè)出口管道進(jìn)行加固（圖6）。

通過倒鏈和限位器對(duì)出口管道施加一反向作用力，保護(hù)軸承座不受應(yīng)力影響產(chǎn)生形變，從而使軸承座殼體振動(dòng)有所下降。9日風(fēng)機(jī)高壓側(cè)軸向振動(dòng)3.9 mm/s，雖然較檢修前仍然偏高，但殼體振動(dòng)較為平穩(wěn)，建議在軸振動(dòng)趨勢穩(wěn)定且軸承座振動(dòng)不再繼續(xù)上升的前提下繼續(xù)運(yùn)行。

異常振動(dòng)屬于大機(jī)組的重大隱患，振動(dòng)大會(huì)導(dǎo)致機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)，甚至?xí)斐蓹C(jī)器嚴(yán)重?fù)p壞、機(jī)毀人亡，更會(huì)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。1#催化主風(fēng)機(jī)組停機(jī)檢修，煙氣輪機(jī)不能正常使用，只能靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)備用風(fēng)機(jī)，直接電費(fèi)損失每天高達(dá)幾十萬元，還不包括備機(jī)風(fēng)力不足適當(dāng)減產(chǎn)的損失。

3 管道應(yīng)力導(dǎo)致機(jī)組異常振動(dòng)的消除措施

當(dāng)管道集合形狀發(fā)生急劇變化時(shí)，因?yàn)閹缀尾贿B續(xù)產(chǎn)生的應(yīng)力集中，位移范圍與直管相比有所增加。適當(dāng)?shù)卦诠艿郎显鲈O(shè)膨脹節(jié)，改善管系的柔性，能有效減少管道因應(yīng)力集中而對(duì)軸承座產(chǎn)生的軸向推力。尤其對(duì)于高溫介質(zhì)運(yùn)行的煙氣管道或者汽輪機(jī)蒸汽管道，需要增設(shè)多處膨脹波紋管。

在主風(fēng)機(jī)出口管道上增設(shè)限位硬支撐，加強(qiáng)管道支撐，防止管道在運(yùn)行中受應(yīng)力而不能有效支撐引起管道中心上下移動(dòng)，目前1#催化和3#催化主風(fēng)機(jī)組風(fēng)機(jī)高低壓側(cè)風(fēng)管均設(shè)置了限位支撐。

表4 3#催化主風(fēng)機(jī)高壓側(cè)潤滑油磨粒數(shù)據(jù)

圖5 3#催化主風(fēng)機(jī)高壓側(cè)軸向殼體振動(dòng)頻譜

圖6 3#催化主風(fēng)機(jī)出口管道加固處理

對(duì)原有的彈簧支撐的彈簧力進(jìn)行調(diào)整，并且需要按時(shí)對(duì)彈簧支撐進(jìn)行維護(hù)。

檢查主風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管道的支吊架設(shè)置及安裝是否合理，保證管道受力均勻，膨脹自由。

通過對(duì)1#催化和3#催化管道支撐加固和改造后，2 臺(tái)機(jī)組運(yùn)行情況較處理前有明顯改善，且運(yùn)行參數(shù)平穩(wěn)，具體運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)見表2 和表3。

4 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，主風(fēng)機(jī)組出口管道應(yīng)力超過技術(shù)文件要求，將會(huì)對(duì)主風(fēng)機(jī)振動(dòng)異常有著較大的影響。在這一過程中，管道受產(chǎn)生的推力會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)缸體產(chǎn)生拉動(dòng)和對(duì)風(fēng)機(jī)軸承座產(chǎn)生位移和形變，導(dǎo)致主風(fēng)機(jī)組異常振動(dòng)。異常振動(dòng)不僅影響機(jī)組的安全平穩(wěn)運(yùn)行，振動(dòng)達(dá)到一定幅值則需停機(jī)處理，直接影響生產(chǎn)運(yùn)行，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此對(duì)機(jī)組管道支撐和限位器需要進(jìn)行日常維護(hù)和調(diào)整，以確保機(jī)組管道受力均勻、膨脹自由。

此外，主風(fēng)機(jī)組異常振動(dòng)問題具有一定的復(fù)雜性，尤其是煙機(jī)軸振動(dòng)異常波動(dòng)，在解決過程中，要充分了解機(jī)組運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析，能夠?qū)栴}產(chǎn)生的根源予以把握，徹底將異常振動(dòng)問題解決，保證主風(fēng)機(jī)組的安全平穩(wěn)運(yùn)行。