裂解爐風機故障分析及改造

常建朝

（福建古雷石化有限公司化工一部，福建漳州 529600）

0 引言

裂解爐風機是乙烯裝置的關鍵設備，一般設置在裂解爐頂部的框架上，采用引風式，為裂解爐燃燒器提供充足的助燃空氣。風機的運行狀態(tài)關系到裂解爐的安全平穩(wěn)運行，風機故障停機，裂解爐必須停車。某公司100 萬噸/年乙烯裝置擴能改造項目中，新增裂解爐風機初始運行1 個月便出現(xiàn)聲音異常、振動值變大、頻譜異常等故障信號，導致裂解爐被迫停車。

1 風機概況

該風機是上海某公司生產，結構為單吸入離心式，進氣口水平、排氣口垂直朝上。支撐方式為前后雙支撐，前后端軸承均為SKF 1226M/C3。潤滑方式為脂潤滑，轉速控制方式為變頻電機調節(jié)，結構如圖1 所示，設計參數(shù)見表1。

表1 風機設計參數(shù)

圖1 風機結構

2 故障特征

風機連續(xù)運行時間28 d，后端出現(xiàn)異常持續(xù)噪聲；前后端軸承箱振動值均增大，后端軸承垂直振動比故障前增加4 倍；后端溫度也有所升高。檢查軸承潤滑情況良好。具體振動和溫度測量數(shù)據(jù)（表2、圖2）。

圖2 風機故障前后對比

表2 故障前后狀態(tài)數(shù)據(jù)

3 故障分析

3.1 軸承頻譜分析

在出現(xiàn)故障特征后，采用頻譜儀在后端軸承箱進行采樣分析，分析結果見圖3 頻譜圖，采樣轉速764 r/min。查閱SKF 軸承手冊，1226M/C3 相關參數(shù)如下：

Number of Balls/Rollers n：21

Ball/Roller Diameter d：0.9375

Pitch Diameter of Races D：7.090

Contact Angle（Degrees）α：7.3

則圖3 中12.74 Hz 為風機的轉頻。頻譜圖除了轉頻，還出現(xiàn)了111 Hz 的頻率，并且出現(xiàn)了非常明顯的系列諧波，且幅值超過了轉頻的幅值。該頻率111 Hz 接近軸承外圈的故障特征頻率BPO。估初步推斷，該風機后端軸承外圈存在故障。

圖3 風機后端軸承頻譜

3.2 軸承拆解檢查

從軸承拆解情況可見，后端外圈外側滾道有連續(xù)剝落，內側滾道有磨痕，但無麻點、無壓痕、無剝落，手感光滑；一個滾珠有剝落情況，其余滾珠有壓痕；內圈未見明顯痕跡，一側有滾動痕跡，且偏內圈中心位置。另外一側滾道未見明顯缺陷。

根據(jù)以上現(xiàn)象推斷如下：

（1）該軸承連續(xù)運行1 個月，滾動體和軸承外圈有剝落情況，在潤滑良好的情況，如此短時間的剝落一般由過載或軸承選型不當引起。

（2）內圈滾動痕跡明顯偏向一側，另外一側滾道無明顯痕跡，內圈單列滾子受力明顯偏大，通常是軸向力偏大引起。

圖4 軸承拆解

（3）軸承外圈的剝落也外側一列的滾道上，而另一側滾道上，除了磨痕，無可感知的缺陷。也可印證該軸承承受了較大的軸向力。

3.3 軸承壽命校核[1]

3.3.1 徑向載荷計算

轉子重量G＝3000 kg，重心如圖5 所示。

圖5 徑向載荷

后端徑向載荷Fr1＝10.29 kN，方向朝下。

前端徑向載荷Fr2＝19.11 kN，方向朝下。

3.3.2 軸向載荷計算[2]

負值方向朝向出口端（前端），其中D 是葉輪吸入口直徑0.9 m，d 是葉輪輪轂直徑0.2 m，P2是葉輪入口口壓力-2060 Pa，P1是葉輪出口壓力200 Pa，Qm是入口體積流量203 451 kg/h，V是入口流速127 m/s。

3.3.3 當量動載荷計算

查閱SKF 軸承手冊得知e＝0.19[3]。

其中，Y2查詢SKF 軸承手冊為5.1[3]，因前后端軸承選型相同，F(xiàn)r取徑向載荷最大值19.11 kN。

3.3.4 軸承基本壽命核算

其中C 為基本額定動載荷，查詢SKF 軸承手冊C＝127 kN[3]；n 為轉速，n＝960 r/min；ε 為壽命指數(shù)，球軸承ε＝3。

綜上述，該風機軸承基本壽命只有480 h，嚴重低于3 年，該軸承選型不當。

3.4 軸膨脹量核算

根據(jù)上述分析，風機軸承承受較大的軸向載荷，現(xiàn)對風機在熱態(tài)下的軸向膨脹量進行核算，以核實軸承是否存在附加軸向力。風機正常運行介質溫度120 ℃，燒焦期間介質溫度200 ℃，則風機軸的膨脹量：ΔL＝βLΔT＝6.6 mm。

其中β 為熱膨脹系數(shù)，軸的材料為45#鋼，則β＝12.32E-6；L為軸的長度；ΔT 為溫差變化，常溫20 ℃到燒焦狀態(tài)下，ΔT＝200-20＝180 ℃。

根據(jù)以上計算，軸在熱態(tài)下的膨脹量達到6.6 mm，而該軸承無軸向游隙，這將使軸承承受很大的軸向力。

3.5 軸承故障原因

通過以上分析，軸承故障的原因是該軸承額定壽命僅為480 h，嚴重低于3 年的要求，且軸存在較大軸向膨脹，使軸承承受了額外的附件軸向載荷。最終導致該軸承過載，軸承滾道和滾動體表面剝落，而發(fā)生軸承損壞。

4 風機軸承改造

針對軸承故障原因的分析，對該風機軸承按以下方案進行改造：

（1）風機前端軸承改為SKF23026CC/W33，經計算該軸承滿足3 年的額定壽命[1-3]。

（2）風機后端軸承改為C3026，該軸承允許的軸向位移可達16.5 mm[3]，完全滿足軸的膨脹量。

（3）將原軸承箱更換為與新軸承相匹配的軸承箱SN3026。

（4）原軸承箱中心高150 mm，新軸承箱中心高125 mm，增加24 mm 厚墊板焊接在舊軸承箱底座上，墊板表面加工，并與新軸承箱對應位置加工4-M24 螺紋孔，以便軸承箱與底座連接。

5 結語

通過采用頻譜分析和軸承拆解檢查，分析出風機軸承故障可能存在的原因。繼而對軸承壽命進行核算、對軸的熱膨脹量進行核算，證實了軸承故障的原因是選型錯誤和承受了額外的軸向載荷。為此提出了有針對性的改造方案，將原前后端軸承1226M/C3進行更換，前端采用SKF 23026CC/W33，后端采用C3026，并更換了與軸承相匹配的軸承座等部件。徹底解決了風機軸承振動問題，為乙烯裝置裂解爐的平穩(wěn)、安全運行提供了保障。