聚丙烯軸流泵葉輪側軸承故障分析

任新廣，胡雅男，苗海濱，李 剛，王香華，崔 濤

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

0 引言

環管反應器軸流泵是大港石化公司年產10 萬噸的聚丙烯裝置的關鍵設備。新鮮丙烯進入第一環管反應器R201，聚合物漿液的密度通過調節該反應器的丙烯量控制。環管反應器結構簡單，采用低溫碳鋼材料。帶夾套的反應器直腿部分可作為反應器框架的支柱，降低了投資。采用冷卻夾套撤出反應熱，單位體積的傳熱面積大，環管反應器的總體傳熱系數高達1600 W（/m·2℃）。環管反應器內的聚合物漿液使用軸流泵高速循環，流體流速達7 m/s，使聚合物漿液混合均勻，催化劑體系分布均勻，聚合反應條件容易控制而且可以控制得很精確，產品質量均一，不容易產生熱點、不容易粘壁，軸流泵的能耗較低。軸流泵P201 安裝在環管底部水平位置，為介質提供循環動力。軸流泵為裝置的關鍵設備，其運行穩定性直接影響整個裝置的平穩運行。

1 設備概況

聚合反應器R201 軸流泵P201，型號為AH10M，介質為丙烯及其聚合物（70 ℃），沖洗方案為PLAN32+53C+52 系統。軸流泵結構如圖1 所示，外部軸承箱側為離線振動測量部位。

圖1 軸流泵結構

2 故障描述

2.1 DCS 監測與控制

11 月1 日13：20，P201 沖洗丙烯（PLAN32）出現波動，由806 kg/h 降至485 kg/h，13：26 恢復至805 kg/h；P201 軸功率發生波動，13：20 由146.8 kW 升至155 kW，13：25 恢復至147.8 kW；P201 軸承箱垂直方向振動波動（圖2）。

圖2 DCS 趨勢圖

發現沖洗丙烯量發生波動后，結合軸功率的變化，判斷在沖洗口處發生聚合反應，為防止聚合物聚集采取措施：①調整沖洗量，由原來的800 kg/h 提高至850 kg/h（11 月1 日波動后，未再發生波動）；②加強對泵軸功率的監控（軸功率11 月1 日波動后，未再發生波動）；③對泵體加強狀態監測（監測發現軸承箱垂直方向振動緩慢上升）。

2.2 離線外部軸承箱側振動監測

11 月1 日外部軸承箱側垂直方向振動值由1.5 mm/s 升高至2.5 mm/s，11 月5 日監測發現P201 外部軸承箱側垂直方向振動值4.5 mm/s，6 日試運時監測振動值5.09 mm/s。現場有明顯雜音。

3 振動頻譜分析

（1）軸流泵側軸承支撐結構：葉輪側為滾動軸承NU1022，其故障特征頻率見表1；外側軸承箱為滑動軸承。

表1 NU1022 軸承故障特征頻率（轉速頻率按24.96 Hz 計算）

如圖3～圖5 所示，測試頻譜分析成分復雜，主要體現在：①轉速24.96 Hz的頻率成分及其倍頻；②230.2 Hz 頻率成分及其倍頻；③230.2 Hz 及460.3 Hz 的轉速頻率24.96 Hz 邊帶頻率。經計算分別為NU1022 滾動體特征頻率115.1 Hz 的2 倍及4 倍頻率。

圖3 230.2 Hz 頻率成分及其倍頻，大量24.96 Hz 邊帶頻率

圖4 460.3 Hz 頻率成分及24.96 Hz 轉速邊帶

圖5 24.96 Hz 頻率成分及其倍頻

（2）分析與討論：振動測試部位在外側軸承箱位置，該處為軸瓦支撐結構，一般情況下該部位出現故障會產生轉速24.96 Hz的頻率成分及其倍頻，大量的非轉速頻率成分的出現，再結合軸承特征頻率計算，判斷為葉輪處NU1022 軸承滾動體故障。

4 拆檢及維修處理情況

拆檢NU1022 軸承故障與振動頻譜分析一致。

（1）介質側機封丙烯沖洗唇封處存在聚合物（圖6）。

圖6 介質側機封丙烯沖洗唇封處存在聚合物

（2）葉輪側軸承NU1022 滾動體局部損傷及軸承內圈局部表面輕微脫落（圖7）

圖7 滾動體局部損傷及內圈局部表面輕微脫落

（3）密封油帶水，油路焊口有水跡（圖8）。

圖8 密封油帶水，油路焊口有水跡

處理措施：①更換介質側機封軸承，大氣側機封；②對沖洗丙烯管口進行檢查，確認其通暢；③對密封油路進行油洗，對油冷器進行試壓堵漏。

5 檢修后振動監測情況

檢修后于11 月8 日軸流泵P201 啟動，檢測各點振動正常，密封油壓及油位穩定。振動最大為泵驅動端水平方向0.8 mm/s。且軸承故障頻率230.2 Hz、460.3 Hz 等特征頻率消失（圖9）。

圖9 檢修后24.96 Hz 頻率成分及其倍頻

6 分析與討論

由于該部位離振動測試部位較遠，判斷起來有一定難度和風險，修理需要停工，但如果是軸承故障就有可能抱軸導致故障擴大或進一步發展成事故的風險。拆檢發現聚丙烯漿料進入機封沖洗唇封處，并在此堆積，與軸發生摩擦，軸運行平衡被破壞后，葉輪側支撐的圓柱滾子軸承產生故障。

（1）軸流泵側振動異常原因及改進措施。11 月1 日，機封沖洗丙烯量突然下降，導致少量聚丙烯漿料進入機封沖洗唇封處，并在此堆積，與軸發生摩擦，軸運行平衡被破壞后，對主要對軸起徑向支撐的圓柱滾子軸承轉動部件產生沖擊，造成一定缺陷。在軸承的周期運行下，缺陷不斷變大，泵的振動值逐漸上升。

改進措施：提高P200 沖洗丙烯量至450 kg/h，P201、P202沖洗丙烯量至900 kg/h。

（2）PLAN53C 系統密封油帶水問題及改進措施。循環水通過油冷器密封油進行冷卻，正常運行期間，密封油壓力為4.0 MPa，循環水壓力0.6 MPa，但當反應器降壓時密封油壓會降至0.6 MPa左右，循環水從焊口進入密封油中。

改進措施：反應器降壓時，將密封油系統隔離壓力改為1.0 MPa，使密封油和循環水存在一定壓差。

7 結語

對于振動分析不能直接測量的管線內的支撐軸承，可通過測量外置軸承箱部位振動值來判斷。軸承故障產生振動通過轉子長軸傳導到外置軸承箱部位，再進一步通過振動頻譜分析得到驗證。本次案例可為今后狀態監測工作提供一定的參考。