乙烯裂解爐引風機運行異常原因分析及解決措施

張錫德，李俊慶，米吉龍，袁帆，牛海宏

（1. 中石油獨山子石化塔里木石化分公司，新疆 庫爾勒 841000 ；2. 中石油獨山子石化設備檢修公司，新疆 獨山子 834021）

獨山子石化塔里木石化分公司建設6×105t/a 乙烯裝置、3×105t/a 全密度聚乙烯裝置、3×105t/a 高密度聚乙烯裝置、7.5×105t/a 乙烷回收裝置。乙烯裝置采用中國石油環(huán)球工程公司自主研發(fā)的乙烯蒸汽裂解工藝，全密度聚乙烯裝置采用美國Unipol 低壓氣相流化床工藝，高密度聚乙烯裝置采用德國Basell淤漿法工藝，乙烷回收裝置采用中國石油工程建設有限公司西南分公司深冷分離工藝。

乙烯裝置共配置五臺HQF-GIV40 型氣體原料乙烯裂解爐，四開一備，每臺裂解爐由對流段和輻射段兩部分組成，裂解爐對流段由多個換熱模塊組成，主要目的是回收煙氣熱量，對流段盤管自上而下依次為原料預熱盤管、鍋爐給水預熱盤管、選擇性催化還原脫硝模塊、混合原料預熱盤管 I 段、超高壓蒸汽過熱盤管 I 段、超高壓蒸汽過熱盤管 II 段及混合原料預熱盤管 II 段。裂解爐燃燒器采用全底燒形式，空氣通過自然吸氣方式從爐底風門抽入，經(jīng)空氣預熱器預熱后進入燃燒器輔助燃燒，在裂解爐對流段頂部設置了五臺引風機，用于控制裂解爐膛及對流段的負壓，同時將燃燒煙氣排出。

五臺風機于2020 年9 月進行安裝，2021 年5 月31 日開始單機試運，在試運過程中發(fā)現(xiàn)四臺風機都存在不同程度的軸承異常響聲及振動， 對軸承潤滑情況、風機機械安裝質量進行檢查，復查聯(lián)軸器對中度，檢測軸承座虛腳，對風機振動進行頻譜分析，查出軸承聲響異常、風機振動大的根本原因，并采取相應措施，于2021 年6 月20 日使四臺風機故障得以消除。

1 裂解爐引風機相關情況

引風機為單側進氣，雙支承結構形式，風機由主軸、葉輪、膜片聯(lián)軸器、支撐軸承、止推軸承、殼體、進氣箱、進風口及調節(jié)氣門等組成，型號為8PY19P04h，由某鼓風機集團裝備科技有限公司制造，驅動機為660 伏、變頻調速的三相異步電動機，型號為YBBP355L2-6，用膜片聯(lián)軸器直聯(lián)。

1.1 引風機組基本參數(shù)

引風機組基本參數(shù)見表1。

表1 引風機組參數(shù)Table 1 The fan group parameters

1.2 引風機組監(jiān)控

在引風機組中，電機安裝溫度探頭，信號接入DCS 中，未安裝振動探頭，而風機即安裝了溫度探頭，又安裝了振動探頭，信號均接入DCS 中，通過遠傳，顯示在計算機屏幕上，實現(xiàn)對引風機組振動和溫度的監(jiān)控見圖1。

圖1 引風機軸系圖Fig.1 Drawing of the fan axis

探頭VI12901 、VI12902 、VI12903 及VI12904分別代表引風機四個振動測點，風機軸承采用滾動軸承，TI12901 、TI12902 、TI12903 及TI12904 分 別代表引風機四個溫度測點。

2 引風機運行異常情況

2021 年5 月31 日對乙烯1 號裂解爐引風機進行試運，現(xiàn)場檢查風機軸承有異響聲，隨著轉速升高，異響逐步變大，振動值也在逐步升高，風機轉速為493 r/min 時，風機最大振動值為3.7 mm/s， 轉速為850 r/min 時，風機最大振動值為4.7 mm/s，轉速為910 r/min 時，最大振動值達到5.0 mm/s。

在風機轉速為500 r/min 時，最大振動值達到4.36 mm/s，振動值已超出指標，聯(lián)軸器側軸承能量沖擊值為21.792 gIE， 非聯(lián)軸器側軸承能量沖擊值為42.711 gIE，已超標，加速度最大值為11.355 m2/s，如圖2 所示。

對2、4、5 號裂解爐風機試運，出現(xiàn)了同樣問題，軸承存在異常聲響，振動值及軸承能量沖擊值嚴重超標，對于4 號裂解爐風機，轉速為490 r/min 時，風機最大振動值為3.5 mm/s， 轉速為850 r/min 時，風機最大振動值為4.8 mm/s，轉速為910 r/min 時，最大振動值達到5.2 mm/s，3 號裂解爐風機試運情況較好，轉速為910 r/min 時，最大振動值達到2.7 mm/s。

可以看出1、2、4、5 號裂解爐風機運行異常，為保證機組安全、長周期運行，需對異常原因分析及解決。

3 異常原因分析

3.1 旋轉機械振動標準

3.1.1 國際標準

國際標準如表2 所示[1-2]。

表2 ISO2372 機器振動分級表Table 2 The relevant parameters

3.1.2 廠商標準

廠商標準：廠商資料中承諾，風機振動速度值小于2.8 mm/s，加速度小于20 mm2/s， 軸承能量沖擊值小于15 gIE。

風機功率為250 kW，屬于2 類，四臺風機振動速度值最大均在4.5 mm/s 以上，風機振動值在C 區(qū)，屬不滿意區(qū)間[3-4]。

四臺風機軸承能量沖擊值最大值均在40 gIE 以上，超出廠商指標。

風機振動加速度值最大值小于12.5 mm2/s，滿足廠商指標。

3.2 振動分析

風機運行聲響大及振動異常已是一個普遍問題。為找到風機運行異常原因，重點對1 號裂解爐風機進行技術攻關。

3.2.1 軸承潤滑對風機影響

加脂量過大，會使摩擦力矩增大，溫度升高，消耗量增大，而加脂量過小，則不能獲得可靠潤滑而發(fā)生干摩擦，一般來講，適宜加脂量為軸承內總空隙體積的1/3 ～ 1/2，根據(jù)實際情況，有時則應在軸承邊緣涂脂而實行空腔潤滑[5-6]。

潤滑脂不足，會導致接觸面微凸相互碰撞，產生高頻沖擊脈動振動[7-8]。

因風機兩側軸承處振動速度過大，同時非聯(lián)軸器側軸承有異常聲響，其軸承能量沖擊值遠大于聯(lián)軸器側，決定對非聯(lián)軸器側軸承潤滑情況進行檢查。

經(jīng)檢查，軸承潤滑脂不足，對油脂進行補充。軸承采用油脂潤滑，廠家推薦使用 SKFLGHQ3 油脂或相當于黏度 110 mm2/s、溫度范圍到 150 ℃ 的復合鋰基脂。與廠家溝通后決定選用3#鋰基脂，進行補充，如圖3 所示。

圖3 軸承潤滑脂情況Fig.3 Bearing grease condition

對軸承補充完潤滑脂后，啟機進行試運，未見效果，軸承振動及異響并沒有消除，排除該原因引起的異常。

3.2.2 機械安裝質量對風機影響

風機軸承內圈和軸之間，外圈和座孔之間不允許有相對滑動，當出現(xiàn)打滑時，會導致軸承及其配合件加速磨損，產生噪聲及振動，配合間隙不斷增加，風機振動亦逐漸加大，轉子振動時產生的沖擊力經(jīng)軸承內圈、滾動體及軸承外圈傳遞給軸承座，在長期交變載荷作用下，軸承完全失效，若上述點配合緊力過大，軸承內外圈變形，游隙變小，導致軸承異常聲響和振動，為補償轉子軸熱膨脹量，通常軸承外圈與端蓋之間預留軸向間隙，若間隙過小，在運行時，膨脹力作用在軸承上，易導致軸承出現(xiàn)故障[9-11]。

拆開軸承蓋后，對各部位尺寸進行了測量，情況見表3。

表3 軸承裝配尺寸Table 3 Bearing assembly size

從表中可以看出，軸承安裝數(shù)據(jù)滿足要求，該原因可以排除。

3.2.3 聯(lián)軸器對中度對風機影響

當風機聯(lián)軸器存在不對中時，在運行中，風機轉子軸將產生附加彎矩，對軸承增加附加載荷，軸承負載重新分配，形成附加激勵，引起風機異常振動及軸承異常聲響，聲響及振動值將隨聯(lián)軸器不對中的嚴重程度而增大，嚴重時導致軸承和聯(lián)軸器的損壞[12- 13]。

聯(lián)軸器不對中又可分為三種形式：一是平行不對中；二是角度不對中；三是綜合不對中，為確定聯(lián)軸器對中情況，進行打表測量如圖4 所示。

圖4 聯(lián)軸器對中Fig.4 The coupling axial alignment

經(jīng)測量聯(lián)軸器徑向偏差為0.3 mm，開口偏差為0.03 mm，而徑向偏差標準為≤0.1 mm，開口偏差標準為≤0.03 mm，聯(lián)軸器對中數(shù)據(jù)中開口偏差合格，而徑向偏差不合格，屬于聯(lián)軸器平行不對中。

根據(jù)對中復查結果，對電機基座地腳螺栓處進行墊片調整，徑向偏差為0.08 mm，達到標準。

對中度調整后，風機啟機運行，聲響及振動沒有得到改善，說明對中度偏差不是風機運行異常的主要原因。

3.2.4 軸承故障診斷分析

為進一步量化確定故障原因及部位，采用BH550 離線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對引風機軸承箱進行診斷分析。

風機軸承箱軸承采用SKF 滾動軸承，該軸承具有良好調心性能，支撐軸承型號為C3232/C3，止推軸承型號為23232CC/ W33/C3， 支撐軸承承受徑向負 荷，推力軸承除承受徑向載荷外尚承受軸向負荷。

（1）風機轉速為700 r/min 時，風機軸承故障頻率。

將軸承型號及轉速輸入BH550 狀態(tài)監(jiān)測軟件，便得到軸承故障頻率，見表4 ～ 5。

表4 聯(lián)軸器側軸承（23232CC/ W33/C3）故障頻率Table 4 Failure frequency of the coupling side bearing（23232CC/ W33/C3） Hz

表5 非聯(lián)軸器側軸承（C3232/C3）故障頻率Table 5 Failure frequency of the uncoupling side bearing（C3232/C3） Hz

（2）風機聯(lián)軸器側軸承箱振動頻譜情況，見圖5。

圖5 風機聯(lián)軸器側軸承箱振動頻譜圖Fig.5 Vibration spectrum diagram of the fan coupling side bearing box

在聯(lián)軸器側水平速度頻譜圖5a 中，峰值頻率為84.375 Hz，同時高頻區(qū)域有84.375 Hz 的倍頻，如675 Hz、759.375 Hz 及843.75 Hz 等，與聯(lián)軸器側軸承故障頻率不一致，與非聯(lián)軸器側軸承外圈故障頻率一致。

聯(lián)軸器側軸承加速度頻譜圖5b 中，峰值頻率為84.3 Hz，也是與非聯(lián)軸器側軸承外圈故障頻率一致，同時在高頻區(qū)域有84.375 Hz 的邊帶成分。

（3）風機非聯(lián)軸器側軸承箱振動頻譜情況，見圖6。

在非聯(lián)軸器側水平速度頻譜圖6a 中，峰值頻率為84.375 Hz，同時高頻區(qū)域有84.375 Hz 的倍頻，如1 179.69 Hz、1 264.06 Hz、1 348.44 及1 432.81 Hz 等，與非聯(lián)軸器側軸承外圈故障頻率一致。在非聯(lián)軸器側軸承加速度頻譜圖6b 中，峰值頻率也為84.375 Hz，與非聯(lián)軸器側軸承故障頻率一致，同時在高頻區(qū)域有84.375 Hz 的邊帶成分。

圖6 風機非聯(lián)軸器側軸承箱振動頻譜圖Fig.6 Vibration spectrum diagram of the fan uncoupling side bearing box

（4）風機非聯(lián)軸器側軸承箱水平速度波形圖，如圖7 所示。

圖7 風機非聯(lián)軸器側軸承箱水平速度波形圖Fig.7 Horizontal velocity waveform diagram of the fan uncoupling side bearing box

從波形圖中可以看出，在轉子軸旋轉1 圈（120毫秒）內，出現(xiàn)8 個波峰，說明風機軸承在運行一圈過程中，出現(xiàn)多個沖擊情況。

（5）風機在700 r/min 下的包絡分析圖，如圖8所示。

圖8 風機非聯(lián)軸器側軸承箱包絡分析圖Fig.8 The envelope analysis diagram of the fan uncoupling side bearing box

風機在500 r/min 下，非聯(lián)軸器側軸承能量沖擊值為42.711 gIE，在700 r/min 下，沖擊值為74.79 gIE，說明風機轉速上升，軸承受到的能量沖擊值也在不斷上升。

通過上述圖譜分析，確認風機非聯(lián)軸器側軸承外圈存在故障。

3.2.5 軸承拆檢及原因認定

（1）軸承拆檢

通過圖譜分析，認為風機異常振動及響聲是由非聯(lián)軸器側軸承外圈故障引起的，對該軸承進行了破壞性拆卸見圖9。

圖9 軸承損傷情況Fig.9 Bearing damage codition

檢查情況如下：

① 軸承外圈上有三條較嚴重的軸向方向壓痕，其中一條很嚴重。

② 壓痕部位都在軸承外圈的正下方，外圈側邊部位還有多條輕微的壓痕。

③ 軸承滾柱上有比較深的軸向痕跡。

④ 軸承保持架有輕微磨損，風機試運中，因滾柱振動造成。

（2）原因確診

從上述分析及軸承拆檢情況，可以確認風機不正常異響及振動是由非聯(lián)軸器側外圈內徑上多條軸向壓痕導致的，特別是三條較嚴重的壓痕。

對軸承外圈內徑及滾柱的軸向痕跡進行觀察及分析，這些壓痕均是假性布式壓痕，軸承假性布氏壓痕是指軸承在微振動和搖動期間，在滾動體和滾道輪的接觸部位造成磨損，磨損發(fā)展而產生的印痕[14-16]。

多臺風機都出現(xiàn)了同一問題，在風機啟動后立即產生軸承異常聲響，分析認為該軸向痕跡不是啟動運行造成的，同時在運行時也不易造成軸向痕跡。

① 風機由沈陽某公司生產，該廠距離塔里木施工現(xiàn)場路途遙遠，將近4 000 km 路程，運輸時間較長，在路途中轉子一直存在顛簸狀態(tài)。

② 風機在運輸過程中，未對轉子進行固定，葉輪處于懸空狀態(tài)，整個轉子由兩端軸承來支撐如圖10 所示。

圖10 風機轉子支撐情況Fig.10 Fan rotor support condition

因葉輪靠近聯(lián)軸器側，重心則靠近聯(lián)軸器，則運輸過程中非聯(lián)軸器側軸振動較為嚴重，轉子在擺動過程中滾柱存在轉動，軸承外圈在軸承上蓋的壓緊情況下不存在轉動，導致外圈下部出現(xiàn)較深的壓痕，外圈上方?jīng)]有明顯壓痕。

通過上述分析，風機軸承出現(xiàn)的嚴重壓痕，主要是風機出廠時，未進行轉子固定，在長途運輸過程中，轉子小幅振動，造成軸承外圈下方出現(xiàn)較深的壓 痕。

4 措施及效果

4.1 采取措施

（1）風機軸承更換

因非聯(lián)軸器側軸承外圈下部有多道軸向壓痕，對該軸承進行更換。

在更換時應注意以下方面內容：

① 用量缸表測量出軸承外圈的緊力。

② 測量軸承寬度、軸承兩邊墊片寬度、軸承座裝軸承部位寬度，計算出軸承軸向間隙。

③ 對軸承進行加熱，加熱至120 ℃時，使用量缸表測量出間隙值。

④ 將表打在軸承外圈上，測量軸承外圈端面與軸的垂直度。

上述值均滿足規(guī)范標準。

（2）聯(lián)軸器對中度找正

軸承更換完后，對風機聯(lián)軸器對中度進行再次找正，指標滿足規(guī)范要求。

軸承更換及聯(lián)軸器對中后，于 2021 年6 月10日再次啟動1 號裂解爐風機進行試運，軸承異常聲響消除，在850 r/min 時，進行振動測量，非聯(lián)軸器側水平方向振動值VI12901 為3.2 mm/s，垂直方向振動值VI12902 為2.7 mm/s，聯(lián)軸器側水平方向振動值VI12903 為3.5 mm/s，垂直方向振動值VI12904為0.9 mm/s。

從上述值可以看出，風機運行情況有明顯好轉，但振動值與廠商指標及規(guī)范值2.8 mm/s 比較仍偏大。

（3）風機虛腳處理

虛腳是指因基礎支撐不當，導致一個或幾個支撐腳接觸不良，造成支撐腳受力不好，扭緊螺栓后軸承座變形，導致軸承不對中，軸承產生附加力，同時引起聯(lián)軸器對中度下降，設備振動增大[17-21]。

上述處理后，因振動仍偏大，對非聯(lián)軸器側軸承座與基板之間是否存在虛腳進行檢查，當分別擰松軸承座四個螺栓中的一個或兩個時，風機振動值立即下降，可確定地腳螺栓存在虛腳[22-24]，需要進行調 整。

停機后，將軸承座地腳螺栓松開，用塞尺塞軸承座下部間隙，發(fā)現(xiàn)南側兩地腳螺栓有較大的虛腳，h1和h2分別為0.35 mm 和0.40 mm，使用鋼墊片塞實如圖11 所示。

圖11 軸承座虛腳情況Fig.11 False foot position of the bearing seat

因風機和電機共有一個鋼結構底座，其尺寸較大，分析認為底座發(fā)生變形不平，導致虛腳產生。

4.2 運行效果

（1）1 號裂解爐風機虛腳處理后，再次對聯(lián)軸器進行對中度復查、調整，于2021 年6 月12 日風機再次試機，在850 r/min 時，進行振動測量，非聯(lián)軸器側水平方向振動值VI12901 為2.3 mm/s，垂直方向振動值VI12902 為1.6 mm/s，聯(lián)軸器側水平方向振動值VI12903 為2.0 mm/s，垂直方向振動值VI12904為1.3 mm/s。

（2）對于2、4、5 號裂解爐風機，經(jīng)檢測和分析存在同樣的問題，據(jù)情況，對2 號和5 號裂解爐風機更換非聯(lián)軸器軸承，對4 號裂解爐風機，更換全部前后軸承，同時對風機存在的虛腳進行墊實，聯(lián)軸器進行重新找正、調整[25-27]。

處理后，三臺風機啟動運行收到明顯效果，軸承異常聲音消除，軸承振動值均小于2.8 mm/s，達到了標準要求。

（3） 2021 年8 月30 日 乙 烯 裂 解 爐 投 料 生產，9 月10 日1 號裂解爐風機轉速提至522 r/min，VI12901 振 動 值 為1.2 mm/s，VI12902 振 動 值 為0.6 mm/ s，VI12903 振 動 值 為1.3 mm/s，VI12904 振動值為0.4 mm/s。

2 號風機轉速為571 r/min，振動最大值為0.62 mm/s，4 號風機轉速為526 r/min，振動最大值為0.65 mm/s，5 號風機轉速為566 r/min，振動最大值為1.3 mm/s。

5 結論

裂解爐四臺風機軸承出現(xiàn)異常響聲及振動，對原因分析及排查處理，取得以下幾點認識：

（1）風機軸承外圈存在假性布式壓痕損傷是引起軸承異常響聲及振動的根本原因。

（2）軸承座虛腳對風機振動產生一定影響。

（3）未對轉子進行固定、長距離運輸顛簸導致軸承外圈假性布式壓痕損傷。

（4）風機鋼結構基座變形導致軸承座虛腳產生。

（5）采用離線狀態(tài)頻譜分析儀可準確分析出軸承部件存在的故障。

（6）一側軸承故障通常會引起風機兩側振動異常。

（7）分別擰松軸承座螺栓，查看風機振動值變化，可快速確定軸承座是否存在虛腳。

（8）虛腳會導致軸承對中度下降，對軸承產生額外附加力，對軸承運行產生負面影響。