基于狀態監測及故障診斷技術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

動力裝備是工業生產中應用最為廣泛的機械，一旦動力設備發生故障，不僅會影響設備本身，更會影響整個生產過程的運行，嚴重時危及人身安全，因此，保障設備安全穩定運行，具有重要的經濟和社會價值。

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

2 設備狀態監測和故障診斷技術

2.1 設備故障及故障診斷的意義

隨著現代化工業的發展，設備能否安全可靠地以最佳狀態運行，對于確保產品質量、提高企業生產能力、保障安全生產都具有十分重要的意義。

設備的故障就是指設備從某一零部件的失效引起運行功能喪失。設備的故障診斷則是發現并確定故障的部位和性質，尋找故障原因，預報故障的趨勢并提出相應的對策。

2.2 振動監測與故障診斷技術

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

監測與診斷技術是使用精密的儀器和方法，對簡易診斷難以確診的設備做出詳細評價的技術。

（1）精密振動診斷的常用儀器設備。精密振動診斷所用的典型儀器設備包括測振傳感器、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。機械故障診斷與監測所需的各種機械物理量一般用相應的傳感器轉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，但不能提供故障發生部位等信息。

2.3 設備狀態監測及故障診斷系統及應用現狀

（1）狀態監測于故障診斷系統。診斷系統實際上包括兩方面的內容：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。

故障診斷系統是在狀態監測與信號分析處理的基礎上進行的。進行故障診斷需要根據狀態監測與信號分析處理所提供的能反映設備運行狀態的征兆或特征參數的變化情況，以識別設備是在運轉正常還是存在故障。如果存在故障，要診斷故障的性質和程度、產生原因或發生部位，并預測設備的性能和故障發展趨勢。

（2）狀態監測與故障診斷技術應用現狀。隨著現代化大生產的自動化程度越來越高，設備故障造成的直接、間接的損失也越來越大，設備狀態監測和故障診斷越來越顯現了在現代化大工業生產中降低維修、運行成本、安全生產，增加企業經濟效益所起的重要作用。

3 基于狀態監測及診斷系統的案例分析

3.1 設備基本信息

機組運行監測概貌圖如圖1所示。

圖1 機組概貌圖

設備信息如表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現異常，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，為了確認能否繼續開機運行，該石化依托專業人員對主風機機組進行振動分析，狀態監測人員通過對煙機、齒輪箱、煙機的分析，推斷主風機振動升高是由于主風機轉子部件脫落造成的，不能繼續開機運行，否則，會對機組造成更為嚴重的損傷，需要馬上進行拆檢，根據該結論，公司立即組織檢修，拆檢后發現主風機葉片斷裂，得以及時止損，具體分析如下。

表1

3.3 振動數據分析

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，沒有異常現象。

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，振動相位出現大幅度變化，進氣側相位變化172～202度，排氣側相位變化49～57度；同時，主風機振動變化前后，進氣側、排氣側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速。

圖2 進氣側停機過程振動趨勢

3.4 診斷結論及檢修反饋

（1）分析結論及建議。根據煙機、齒輪箱、主風機的振動分析結果，推斷煙機和齒輪箱沒有異常，主要是主風機發生故障；根據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發生變化，初步推斷主風機轉子部件脫落。

建議拆檢主風機，檢查轉子及附件、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。拆檢后發現主風機轉子斷葉片，如圖6所示。

3.5 故障原因分析

圖3 進氣側停機過程1x頻幅值相位趨勢

圖4 排氣側停機過程振動趨勢

圖5 排氣側停機過程1x頻幅值相位趨勢

圖6 主風機轉子斷葉片

主風機葉片的斷裂模式多為疲勞斷裂，預防措施如下：（1）加強平穩操作，避免喘振、逆流、阻塞等危險工況發生。（2）改進葉型尺寸，通過加厚加寬，降低應力，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 結語

本文基于狀態監測及故障診斷技術對主風機振動異常突升的情況進行精密分析，及時、正確、有效地對設備的各種異常或故障狀態作出診斷，預防或消除故障；同時，對設備的運行維護進行必要的指導。確保可靠性、安全性和有效性，制定合理的監測維修制度，保證設備發揮最大設計能力，同時，在允許的條件下充分挖掘設備潛力，延長其服役期及使用壽命，降低設備全壽命周期費用，通過檢測、分析、性能評估等，為設備修改結構、優化設計、合理制造及生產過程提供數據和信息。