聚丙烯裝置P201 軸流泵振動故障樹分析

姚曉燕

（中國石油化工股份有限公司天津分公司裝備研究院，天津 300271）

0 引言

環管反應器是某煉化企業20 萬噸/年聚丙烯裝置的關鍵設備，P201、P202 反應循環泵（下簡稱“軸流泵”）是環管反應器的核心部分，軸流泵安全平穩運行對于環管反應器的正常操作極其重要。來自預聚反應器R-200 的丙烯、催化劑、給電子體以及三乙基鋁一同進入第一環管反應器R-201。新鮮丙烯也加入環管反應器。環管中聚合物漿液濃度通過調節加入反應器的新鮮丙烯進料量控制。丙烯在控制的溫度和壓力下進行聚合反應，反應器R-201、R-202 的底部分別設有軸流泵P201、P202，使物料在環管內連續循環，保證反應器內溫度和壓力的均勻分布。正常生產時，若介質突然停止循環流動，極易發生“環管暴聚”、裝置停車的嚴重事故，因此要求軸流泵平穩可靠運行。

通過分析軸流泵密封系統結構，查找事故發生原因，總結處理方案，為今后同類型泵在處理類似事件時提供參考。

1 設備概況

P201、P202 軸流泵采用美國FLOWSERVE 泵公司生產的24”AFH9500 系列反應循環泵（圖1），流量7000 m3/h，功率450 kW，人口介質壓力3.4～4.4 MPa，出口壓力3.504～4.504 MPa，轉速1450 r/min，揚程19 m。

圖1 環管反應器P201 軸流泵

2 故障現象

2021 年4 月16 日裝置開車，6 月26 日班組巡檢時P201 環管軸流泵運行聲音異常，檢查驅動側軸承水平振值突然增大到2.1 mm/s，垂直振值3.1 mm/s，軸向振值1.7 mm/s，軸承溫度無上升趨勢，軸承箱潤滑油顏色發黑。管理人員現場確認異常狀態后立即重點進行監控。6 月29 日中午，該設備軸承水平振值已增大到5.0～6.4 mm/s，垂直振值5.8.～6.8 mm/s，軸向振值6.6～11.1 mm/s，為避免造成設備更嚴重損傷，6 月29 日下午15：50安排停機檢修。

軸承箱解體后外觀檢查發現軸承保持架有明顯的翻邊磨損痕跡（圖2），軸承滾動體表面出現完整的圓環帶狀壓痕（圖3）。

圖2 P201 軸流泵軸承保持架磨損

圖3 P201 軸流泵軸承滾動體壓痕

3 原因分析

3.1 裝置開車后軸流泵運行狀態分析

3.1.1 振動趨勢

裝置自2021 年4 月16日開車以來，兩臺軸流泵振動相對穩定，P201 振動值比P202 振動值略大，但未見明顯振動異常（圖4、圖5）。

圖4 P201 軸流泵振動趨勢

圖5 P202 軸流泵振動趨勢

3.1.2 潤滑油溫度趨勢

兩臺泵軸承箱有溫度變送器進入DCS，TI249 為P201軸承箱溫度，TI259 為P202軸承箱溫度。近2 個月的軸承溫度趨勢變化（圖6）顯示，雖然P201 軸承箱溫度比P202軸承箱溫度高5～10 ℃，但未超過設備使用說明書中要求的85 ℃范圍，解體后軸承也未見發熱痕跡。

圖6 P201、P202 軸承箱溫度

3.1.3 電流趨勢

對比P201 和P202 電流趨勢，除6 月19 日因工藝調整負荷降低，停機前兩臺泵電流沒有明顯變化和差距。

3.1.4 功率和介質密度關系

軸流泵功率控制范圍≤360 kW，高報警值330 kW，高高報警值350 kW；介質密度標準范圍450～600 kg/m3。軸流泵功率突然大幅度上升是因為調整功率因數，開車前期DCS 顯示功率與電氣相差較大，經電氣修改功率因數后，DCS 顯示數值與電氣對應。

3.1.5 功率和反應器壓力、溫度及軸承溫度對應趨勢

（1）反應器密度有波動時對應功率變化比較明顯，密度與功率均在合格范圍內波動。

（2）反應器壓力對軸流泵功率影響不明顯，反應器溫度與反應介質密度相關，但溫度變化不明顯，對軸流泵功率的影響與反應器密度對功率的影響相一致。

（3）軸承箱溫度對軸流泵功率的影響不明顯。

3.2 軸流泵P201 振動異常分析

該軸流泵自2021 年4 月開車后運行平穩，至2021 年6 月26 日19：00 出現一次振值劇烈上升至10.97 mm/s，車間立即重點監控運行，隨后振值逐步下降至1.94 mm/s，2021 年6 月29 日12:55 又出現一次振值劇烈上升至11.13 mm/s（圖7）。

圖7 P-201 泵端速度趨勢

高加時域波形可見接近軸承外圈損傷頻率的沖擊特征，周期性較好，沖擊幅值較大，存在一定削波現象（圖8）。

圖8 P-201 泵端加速度波形

機泵群在線監測系統歷史數據顯示，全頻段包絡解調以外圈及諧波為主，同時可見保持架損傷頻率。歷史數據也能看到相關的保持架損傷頻率，但程度很輕相對不顯著（圖9），P202 泵沒有發現明顯類似特征。

圖9 P201 頻譜數據

3.2.1 軸流泵運行關鍵參數對比

經查實時數據庫，2021 年6 月26 日19：00 和2021 年6 月29 日12:55 兩個軸承振動突增的時間點對應的各項數據，軸流泵P201 系統壓力、介質密度、軸承箱油溫以及電機功率無異常波動。

3.2.2 設備安裝情況

經查實，該設備撬塊安裝調試以及軸對中，均是施工單位在廠家指導下按規定步驟完成，相關記錄文件齊全無異常。

3.2.3 潤滑油狀況

自2021 年4 月16 日裝置開車至2021 年6 月29 日，該設備已經累計運行1752 h，在設備調試期間，軸承箱進行加放油操作，連續運行期間控制室未采集到軸承箱液位低報警，現場潤滑油杯油位、軸承箱油位均正常，且取樣分析AE68 潤滑油各項指標均在要求范圍內，潤滑油使用溫度44～75 ℃（標準：≤85 ℃）。

3.2.4 軸承本體情況

該設備出廠后成殼運送至現場安裝，設備本體沒有二次安裝。

該設備的止推軸承采用背對背配對使用的SKF 7220 BEGAY角接觸球軸承，軸承磨損嚴重位置為靠葉輪側，與之配對的聯軸器側軸承無明顯磨損，分析后初步懷疑是軸承質量問題導致磨損。

完成信息采集將軸承拆解后發現，軸承外圈圓周磨損之外出現異常的斷續分布剝落，外圈斷續分布的剝落與滾動體的間距相同，內圈滾道出現較嚴重磨損，個別嚴重的剝落為等滾子間距分布，滾動體嚴重磨損，表面出現整圈的磨損帶保持架的磨損情況，保持架兜孔出現磨損。損傷情況如圖10、圖11 所示。

圖10 外圈斷續分布的剝落

圖11 滾動體嚴重磨損

從軸承解體情況分析，軸承的滾動體、內圈滾道和外圈滾道都出現了較嚴重的磨損。從磨損的形式看，外圈和內圈都有整圈的磨損和等滾子間距分布的嚴重剝落。等滾子間距的剝落一般是軸承在靜止狀態時滾道受到沖擊而造成的，例如安裝不當造成的沖擊，安裝力通過滾動體傳遞時損傷滾道，運行后形成等滾子間距剝落。軸承受到沖擊的部位在運行后迅速出現材料疲勞和剝落，剝落的碎屑被滾道碾壓造成滾道和滾動體的二次損傷，同時碎屑進入保持架兜孔造成保持架的磨損。

綜上所述，經過初步分析，認為故障原因極大可能是軸承的質量問題，也可能是安裝不當或長途運輸中受沖擊造成的初期損傷，這也是P201 泵從裝置開車時的振動值和油溫都高于P202 泵的原因。

3.3 故障樹根原因分析

根據以上信息的分析整理，使用故障樹分析法深入診斷。對樹枝圖形進行清晰觀察，對各種故障的聯系進行分析，從而得到故障之間的聯系。故障樹定性分析的目的是找出導致頂事件發生的全部可能起因，用最小割集及結構重要度對故障樹模型進行定性分析。研究最小割集可以發現系統的最薄弱環節，集中力量解決薄弱環節，對系統進行優化，提高系統的可靠性，實現軸流泵設備的故障預測和數據分析。

使用故障樹診斷方法建立軸流泵振動大的故障樹圖，由頂事件軸流泵振動大逐漸下推，確立14 個引起振動大的基本因素，并對該故障樹進行定性分析，找到最大概率引起軸流泵振動大的基本因素或基本因素組合?；臼录淼囊饬x見表1，建立軸流泵運行風險故障樹，如圖12 所示。

圖12 軸流泵運行風險故障樹

表1 軸流泵運行風險基本事件含義表

計算該故障樹的結構重要度：

根據分析計算結果，需建立嚴格的管理措施，加大檢維修力度，確定日常維護方案，對該軸流泵進行風險管控，以確保軸流泵設備的安全運行，降低運行風險。

4 處理措施

因軸流泵P201、P202 損壞造成聚丙烯裝置緊急非計劃停工后，搶修更換了SKF 7220 BEGAY 兩套，對軸承箱進行清理并加注了AE68 潤滑油，自2021 年7 月1 日開車成功后，從現場及機泵群在線監測系統采集到的振動趨勢與頻譜分析，設備振動趨勢較平穩，頻譜結構沒有發現異常變化，平穩運行至今，沒有造成嚴重非計劃停車損失。

針對故障樹模型中引起軸流泵運行風險的各中間事件，在軸流泵日常運行期間可采取以下措施：

（1）避免工藝頻繁調整造成環管反應器密度、壓力、軸功率波動。

（2）繼續加強對潤滑油油位、溫度檢測，定期加換油和進行油樣分析。

（3）P201 泵和P202 泵軸承箱下方加裝閥門以便定期換油。

（4）P201 泵和P202 泵上方搭蓋遮陽棚，防止夏季高溫天氣導致油溫過高，影響潤滑油性能。

（5）控制平衡壓力活塞缸液位，規范補充沖洗油操作，防止油壓波動破壞機械密封。

（6）車間和保運單位嚴格按照高危泵要求每天不少于兩次進行離線監測，按照SHS 01003—2004《石油化工旋轉機械振動標準》標準要求，嚴格控制在2.8 mm/s 以下，保證設備平穩運行，振動有上升趨勢立即上報排查原因。針對設備重點部位重點監控，防患于未然。

5 結語

聚丙烯裝置環管反應器軸流泵異常表現為設備的不良振動最終造成的設備運行異常。通過對軸流泵驅動端和非驅動端軸承振動速度頻譜進行分析、判斷，并結合非驅動端軸承加速度包絡譜和高頻加速度頻譜，判斷出軸承外圈和保持架存在故障。使用故障樹診斷方法建立軸流泵振動故障樹圖，對該軸流泵進行風險管控，確定日常維護方案。軸流泵的拆檢情況驗證了頻譜分析的結果，檢修后消除軸承振動故障。在實際維護作業中，作業人員可通過更換軸承、定期加入潤滑油等措施進行設備維護，避免因推遲維修造成軸承滾珠磨損掉落引發設備嚴重故障。也避免工藝頻繁調整造成環管反應器密度、壓力、軸功率的波動。做好軸流泵的日常運行管理工作，可以減少維修成本，保證環管反應器等設備及裝置的長周期、安全穩定運行。