基于狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)的催化主風機機組故障分析

常文波，彭曦，羅倩，曾柏森，向進，胡玲玲

（1.中國石化長城能源化工（貴州）有限公司，貴州 貴陽 550000；2.中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司，四川 成都 610000）

1 背景介紹

動力裝備是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的機械，一旦動力設(shè)備發(fā)生故障，不僅會影響設(shè)備本身，更會影響整個生產(chǎn)過程的運行，嚴重時危及人身安全，因此，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運行，具有重要的經(jīng)濟和社會價值。

對于動力裝備開展設(shè)備監(jiān)測工作意義重大，設(shè)備監(jiān)測與診斷的主要目的是利用運行設(shè)備所表現(xiàn)出的各種有效信息，全面地分析其當前的狀態(tài)，有效地診斷故障類型和部位，科學地預(yù)測設(shè)備狀態(tài)發(fā)展及維修時間。

2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)

2.1 設(shè)備故障及故障診斷的意義

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，設(shè)備能否安全可靠地以最佳狀態(tài)運行，對于確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高企業(yè)生產(chǎn)能力、保障安全生產(chǎn)都具有十分重要的意義。

設(shè)備的故障就是指設(shè)備從某一零部件的失效引起運行功能喪失。設(shè)備的故障診斷則是發(fā)現(xiàn)并確定故障的部位和性質(zhì)，尋找故障原因，預(yù)報故障的趨勢并提出相應(yīng)的對策。

2.2 振動監(jiān)測與故障診斷技術(shù)

由于旋轉(zhuǎn)機械在工作過程中會產(chǎn)生振動，當旋轉(zhuǎn)機械出現(xiàn)故障時振動的幅度、頻率、方向等信息會發(fā)生改變。因此，可以利用振動信息的改變來監(jiān)測機械運行的情況，通過測振系統(tǒng)對信號采集、存儲并通過網(wǎng)絡(luò)傳送到用戶終端，最終由客戶終端專用分析軟件進行分析。

監(jiān)測與診斷技術(shù)是使用精密的儀器和方法，對簡易診斷難以確診的設(shè)備做出詳細評價的技術(shù)。

（1）精密振動診斷的常用儀器設(shè)備。精密振動診斷所用的典型儀器設(shè)備包括測振傳感器、信號傳感器、信號記錄儀、信號分析與處理設(shè)備等幾大部分。

（2）機械振動信號的分析方法。機械故障診斷與監(jiān)測所需的各種機械物理量一般用相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換為電信號在進行深處理。對于機械故障的診斷而言，時域分析所能提供的信息量是非常有限的。時域分析往往只能粗略地回答機械設(shè)備是否有故障，有時也能得到故障嚴重程度的信息，但不能提供故障發(fā)生部位等信息。

2.3 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)及應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）狀態(tài)監(jiān)測于故障診斷系統(tǒng)。診斷系統(tǒng)實際上包括兩方面的內(nèi)容：信號分析處理、故障診斷。

信號分析處理的目的是把獲得的信息通過一定的方法進行變換處理，從不同的角度提取最直觀、最敏感、最有用的特征信息。

故障診斷系統(tǒng)是在狀態(tài)監(jiān)測與信號分析處理的基礎(chǔ)上進行的。進行故障診斷需要根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測與信號分析處理所提供的能反映設(shè)備運行狀態(tài)的征兆或特征參數(shù)的變化情況，以識別設(shè)備是在運轉(zhuǎn)正常還是存在故障。如果存在故障，要診斷故障的性質(zhì)和程度、產(chǎn)生原因或發(fā)生部位，并預(yù)測設(shè)備的性能和故障發(fā)展趨勢。

（2）狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀。隨著現(xiàn)代化大生產(chǎn)的自動化程度越來越高，設(shè)備故障造成的直接、間接的損失也越來越大，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷越來越顯現(xiàn)了在現(xiàn)代化大工業(yè)生產(chǎn)中降低維修、運行成本、安全生產(chǎn)，增加企業(yè)經(jīng)濟效益所起的重要作用。

3 基于狀態(tài)監(jiān)測及診斷系統(tǒng)的案例分析

3.1 設(shè)備基本信息

機組運行監(jiān)測概貌圖如圖1所示。

圖1 機組概貌圖

設(shè)備信息如表1所示。

3.2 運行概況

XX石化催化主風機機組于2020年6月17日開機，開機過程中各單機振動并未發(fā)現(xiàn)異常，6月19日16:34分，主風機振動突然升高，最大值遠超連鎖停機值，達到180um（報警值106um，連鎖值131um）以上，其余振動測點存在不同程度升高，為了確認能否繼續(xù)開機運行，該石化依托專業(yè)人員對主風機機組進行振動分析，狀態(tài)監(jiān)測人員通過對煙機、齒輪箱、煙機的分析，推斷主風機振動升高是由于主風機轉(zhuǎn)子部件脫落造成的，不能繼續(xù)開機運行，否則，會對機組造成更為嚴重的損傷，需要馬上進行拆檢，根據(jù)該結(jié)論，公司立即組織檢修，拆檢后發(fā)現(xiàn)主風機葉片斷裂，得以及時止損，具體分析如下。

表1

3.3 振動數(shù)據(jù)分析

主風機振動趨勢如圖2所示，16:34分左右，主風機四個測點同步突然升高，振動最大值超過180um，振值升高前振動趨勢平穩(wěn)，沒有異?，F(xiàn)象。

主風機停機過程振動趨勢以及1x頻幅值相位趨勢如圖3～5所示，主風機四個測點突然同步升高，在轉(zhuǎn)速從3727r/min降至3573r/min過程中，主風機1x頻幅值大幅上漲，振動相位出現(xiàn)大幅度變化，進氣側(cè)相位變化172～202度，排氣側(cè)相位變化49～57度；同時，主風機振動變化前后，進氣側(cè)、排氣側(cè)兩個測點相位差基本維持在90±20度范圍；從停機過程看，在1123～1526r/min，振動趨勢上出現(xiàn)一個峰值，同時，相位也存在較明顯波動，推斷為主風機過臨界轉(zhuǎn)速。

圖2 進氣側(cè)停機過程振動趨勢

3.4 診斷結(jié)論及檢修反饋

（1）分析結(jié)論及建議。根據(jù)煙機、齒輪箱、主風機的振動分析結(jié)果，推斷煙機和齒輪箱沒有異常，主要是主風機發(fā)生故障；根據(jù)主風機振動變化的突然性及1x頻譜，相位變化趨勢，說明主風機動平衡狀態(tài)發(fā)生變化，初步推斷主風機轉(zhuǎn)子部件脫落。

建議拆檢主風機，檢查轉(zhuǎn)子及附件、靜葉、密封等；如葉片存在斷裂，需要對動、靜葉做進一步無損探傷檢。

（2）檢修反饋。拆檢后發(fā)現(xiàn)主風機轉(zhuǎn)子斷葉片，如圖6所示。

3.5 故障原因分析

圖3 進氣側(cè)停機過程1x頻幅值相位趨勢

圖4 排氣側(cè)停機過程振動趨勢

圖5 排氣側(cè)停機過程1x頻幅值相位趨勢

圖6 主風機轉(zhuǎn)子斷葉片

主風機葉片的斷裂模式多為疲勞斷裂，預(yù)防措施如下：（1）加強平穩(wěn)操作，避免喘振、逆流、阻塞等危險工況發(fā)生。（2）改進葉型尺寸，通過加厚加寬，降低應(yīng)力，提高抗彎強度。（3）選擇耐腐蝕材料，或葉片表面涂防護層，減少葉片腐蝕坑點的發(fā)生。（4）定期在大修時，對葉片做無損檢測，防止有損傷的葉片進入下一個運行周期。

4 結(jié)語

本文基于狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)對主風機振動異常突升的情況進行精密分析，及時、正確、有效地對設(shè)備的各種異常或故障狀態(tài)作出診斷，預(yù)防或消除故障；同時，對設(shè)備的運行維護進行必要的指導。確?？煽啃浴踩院陀行?，制定合理的監(jiān)測維修制度，保證設(shè)備發(fā)揮最大設(shè)計能力，同時，在允許的條件下充分挖掘設(shè)備潛力，延長其服役期及使用壽命，降低設(shè)備全壽命周期費用，通過檢測、分析、性能評估等，為設(shè)備修改結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計、合理制造及生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)和信息。