管道應力導致主風機組異常振動及消除措施

謝紅初

（岳陽長嶺設備研究所有限公司，湖南岳陽 414000）

0 引言

催化裂化裝置一般由反應—再生系統、分餾系統和吸收—穩定系統3 部分組成，并且在處理量較大、反應壓力較高（一般超過0.25 MPa）的裝置，一般配設再生煙氣能量回收系統。而反應—再生系統除了反應器和再生器以外，最為關鍵的設備為主風機組，可以說主風機組為催化裂化裝置的心臟設備，必須連續運轉，主風機停止運轉，催化裂化裝置也就停止生產。主風機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、燒焦罐內的催化劑處于流化狀態，只有流化狀態才能使催化劑在兩器內正常流動，保持工作正常。機組結構簡圖（圖1）和相關參數（表1）。

1 管道應力產生的原因與影響

圖1 主風機組結構與測點分布

表1 主風機組相關參數

壓力管道應力通常是由于外載荷直接產生或是在變形協調過程產生的。目前比較通用的分類方法是將壓力管道中的應力分為3 大類：一次應力、二次應力和峰值應力。一次應力是指平衡外加機械載荷所必需的應力；二次應力是指相鄰部件的約束或結構自身約束所引起的應力。二次應力不是由外載荷直接產生的，其作用不是為平衡外載荷，而是結構在受載時變形協調而使應力得到緩解；峰值應力是由于載荷、結構形狀突變而引起的局部應力集中的最高應力值，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生的二次應力主要考慮由于熱脹冷縮以及位移受到約束所產生的應力。大直徑薄壁管道受到徑向膨脹的影響，管道易發生塑性變形，如應力超出極限會引發安全事故。在煉油裝置部分大機組開機過程中，由于介質溫度較高，很容易導致管道受熱產生蠕變，從而改變機組軸系的相對位置，導致機組出現振動異常現象。甚至很多機組會因為軸系位置發生較大改變，而不得不停機進行調整，例如某煉油廠催化裝置的主風機組就因管道應力導致軸系位置產生較大改變而停機進行調整。

2 振動異常情況分析

某煉油廠1#催化主風機組因煙機轉子故障，于2018年8月8日更換煙機轉子，并對風機轉子進行維修，于8月11日2時完成檢修，12 時引入煙氣預熱，20 時從備用風機切換到主風機，且運行參數一切正常。機組運行至26日18 時，煙機軸振動突然上升；風機高壓X 從66 μm 到85 μm，風機低壓側變化幅度稍小，風機高壓X、Y、煙機后Y 軸振動通頻值的上升主要是由二倍頻增長引起的，振動趨勢見圖2。

現場進行工藝調整，將煙機蝶閥從67%關小至57%，風機處理量基本不變，電機做功增加約300 kW，相當于煙機做功減少300 kW，風機軸振動開始下降，煙機后X/Y 振動上升，振動平穩后，風機高壓Y 略高于波動前，其他通道均低于波動前，煙機后X/Y 高于波動前，煙機后X 為46 μm 到75 μm。風機軸振動通頻值下降主要是由二倍頻下降引起的，煙機振動增長主要是工頻幅值的上升。運行至27日10 時，煙機后X 最高達到85 μm，軸承座測點9H 也從26日的5.1 mm/s 上升到7.2 mm/s，殼體振動數據見表2，軸承座振動頻譜圖見圖3；風機兩側軸振動較為穩定。

圖2 1#催化主風機組軸振動趨勢

表2 1#催化主風機組殼體振動數據 mm/s

圖3 1#催化主風機組加固前后煙機軸承座振動頻譜

通過現場振動測試數據和在線系統數據分析，造成軸振動異常上升的原因為存在煙機與風機之間的聯軸器工作異常，或者煙機與風機軸對中異常。建議停機檢查聯軸器是否有松動、內外齒的咬合情況，檢查軸對中情況。11 時30 分主風機開始切換備機，降負荷時煙機軸振有明顯下降，煙機后X 從85 μm 到48 μm，機組之后停機。

檢查發現主風機—煙機機組對中數據存在較大偏差，左右徑向偏差200 μm，上下偏差830 μm。分析軸系對中為何會出現如此大的偏差，主要原因為主風機下蝸殼和管道過熱后（主風機出口溫度160 ℃）應力釋放，管道蠕變頂起主風機蝸殼。通過緊急搶修，調整主風機—煙機機組對中數據，并對主風機高壓端（出口）進行管道加固（圖4），機組于31日9 時啟動煙機，11 時切換完成，目前主風機B101 運行參數良好，殼體振動數據見表2。

某煉廠3#催化2017年大檢修開工過程，主風機組振動出現異常。6月5日開主風機，機組開機正常后，風機高壓軸向殼體振動2.6 mm/s，較檢修之前1.0 mm/s 有大幅上升，通過持續監測，6日16 時，風機高壓軸向殼體振動9.5 mm/s，并有進一步上升的趨勢，于7日14 時風機高壓軸向殼體振動已上升至11.2 mm/s，已經超過絕對振動許可值。風機殼體振動頻率成分以旋轉頻率為主，各測點殼體振動數據見表3，軸承座殼體振動頻譜見圖5。因風機軸向殼體振動值已經超過絕對振動許可值，故需立刻判定能否持續運行；對比機組各測點軸振動軸位移趨勢穩定，未見明顯波動，軸振動和軸位移趨勢穩定表明機組轉子系統運行平穩。

圖4 1#催化主風機出口管道加固處理

表3 3#催化主風機組殼體振動數據 mm/s

同時對主風機組進行潤滑油鐵譜分析和磨粒分析（表4），分析結果未見軸瓦出現異常磨損。且檢修期間對主風機管道進行改造，所以初步判定振動持續上升主要原因為管道應力變化，導致缸體和軸承座發生位移和形變，削弱了軸承座的支撐剛度，同時轉子與殼體之間的相對位置變化也在一定程度上使得振動增大。建議先通過加強風機高壓側支撐剛度，使用導鏈對高壓側出口管道施加一個向低壓側的拉力，能有效消除風機出口管道的蠕變偏移，同時對風機高壓側出口管道進行加固（圖6）。

通過倒鏈和限位器對出口管道施加一反向作用力，保護軸承座不受應力影響產生形變，從而使軸承座殼體振動有所下降。9日風機高壓側軸向振動3.9 mm/s，雖然較檢修前仍然偏高，但殼體振動較為平穩，建議在軸振動趨勢穩定且軸承座振動不再繼續上升的前提下繼續運行。

異常振動屬于大機組的重大隱患，振動大會導致機組聯鎖停機，甚至會造成機器嚴重損壞、機毀人亡，更會產生較大的經濟損失。1#催化主風機組停機檢修，煙氣輪機不能正常使用，只能靠電機驅動備用風機，直接電費損失每天高達幾十萬元，還不包括備機風力不足適當減產的損失。

3 管道應力導致機組異常振動的消除措施

當管道集合形狀發生急劇變化時，因為幾何不連續產生的應力集中，位移范圍與直管相比有所增加。適當地在管道上增設膨脹節，改善管系的柔性，能有效減少管道因應力集中而對軸承座產生的軸向推力。尤其對于高溫介質運行的煙氣管道或者汽輪機蒸汽管道，需要增設多處膨脹波紋管。

在主風機出口管道上增設限位硬支撐，加強管道支撐，防止管道在運行中受應力而不能有效支撐引起管道中心上下移動，目前1#催化和3#催化主風機組風機高低壓側風管均設置了限位支撐。

表4 3#催化主風機高壓側潤滑油磨粒數據

圖5 3#催化主風機高壓側軸向殼體振動頻譜

圖6 3#催化主風機出口管道加固處理

對原有的彈簧支撐的彈簧力進行調整，并且需要按時對彈簧支撐進行維護。

檢查主風機進出口管道的支吊架設置及安裝是否合理，保證管道受力均勻，膨脹自由。

通過對1#催化和3#催化管道支撐加固和改造后，2 臺機組運行情況較處理前有明顯改善，且運行參數平穩，具體運行振動數據見表2 和表3。

4 結論

結合現場實際情況，主風機組出口管道應力超過技術文件要求，將會對主風機振動異常有著較大的影響。在這一過程中，管道受產生的推力會對風機缸體產生拉動和對風機軸承座產生位移和形變，導致主風機組異常振動。異常振動不僅影響機組的安全平穩運行，振動達到一定幅值則需停機處理，直接影響生產運行，產生較大的經濟損失。因此對機組管道支撐和限位器需要進行日常維護和調整，以確保機組管道受力均勻、膨脹自由。

此外，主風機組異常振動問題具有一定的復雜性，尤其是煙機軸振動異常波動，在解決過程中，要充分了解機組運行的歷史數據，進行綜合分析，能夠對問題產生的根源予以把握，徹底將異常振動問題解決，保證主風機組的安全平穩運行。