聚丙烯軸流泵葉輪側(cè)軸承故障分析

任新廣，胡雅男，苗海濱，李 剛，王香華，崔 濤

（中國(guó)石油大港石化公司，天津 300280）

0 引言

環(huán)管反應(yīng)器軸流泵是大港石化公司年產(chǎn)10 萬噸的聚丙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備。新鮮丙烯進(jìn)入第一環(huán)管反應(yīng)器R201，聚合物漿液的密度通過調(diào)節(jié)該反應(yīng)器的丙烯量控制。環(huán)管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用低溫碳鋼材料。帶夾套的反應(yīng)器直腿部分可作為反應(yīng)器框架的支柱，降低了投資。采用冷卻夾套撤出反應(yīng)熱，單位體積的傳熱面積大，環(huán)管反應(yīng)器的總體傳熱系數(shù)高達(dá)1600 W（/m·2℃）。環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)的聚合物漿液使用軸流泵高速循環(huán)，流體流速達(dá)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(yīng)條件容易控制而且可以控制得很精確，產(chǎn)品質(zhì)量均一，不容易產(chǎn)生熱點(diǎn)、不容易粘壁，軸流泵的能耗較低。軸流泵P201 安裝在環(huán)管底部水平位置，為介質(zhì)提供循環(huán)動(dòng)力。軸流泵為裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行穩(wěn)定性直接影響整個(gè)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

1 設(shè)備概況

聚合反應(yīng)器R201 軸流泵P201，型號(hào)為AH10M，介質(zhì)為丙烯及其聚合物（70 ℃），沖洗方案為PLAN32+53C+52 系統(tǒng)。軸流泵結(jié)構(gòu)如圖1 所示，外部軸承箱側(cè)為離線振動(dòng)測(cè)量部位。

圖1 軸流泵結(jié)構(gòu)

2 故障描述

2.1 DCS 監(jiān)測(cè)與控制

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

圖2 DCS 趨勢(shì)圖

發(fā)現(xiàn)沖洗丙烯量發(fā)生波動(dòng)后，結(jié)合軸功率的變化，判斷在沖洗口處發(fā)生聚合反應(yīng)，為防止聚合物聚集采取措施：①調(diào)整沖洗量，由原來的800 kg/h 提高至850 kg/h（11 月1 日波動(dòng)后，未再發(fā)生波動(dòng)）；②加強(qiáng)對(duì)泵軸功率的監(jiān)控（軸功率11 月1 日波動(dòng)后，未再發(fā)生波動(dòng)）；③對(duì)泵體加強(qiáng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)（監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)軸承箱垂直方向振動(dòng)緩慢上升）。

2.2 離線外部軸承箱側(cè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)

11 月1 日外部軸承箱側(cè)垂直方向振動(dòng)值由1.5 mm/s 升高至2.5 mm/s，11 月5 日監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)P201 外部軸承箱側(cè)垂直方向振動(dòng)值4.5 mm/s，6 日試運(yùn)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)值5.09 mm/s?，F(xiàn)場(chǎng)有明顯雜音。

3 振動(dòng)頻譜分析

（1）軸流泵側(cè)軸承支撐結(jié)構(gòu)：葉輪側(cè)為滾動(dòng)軸承NU1022，其故障特征頻率見表1；外側(cè)軸承箱為滑動(dòng)軸承。

表1 NU1022 軸承故障特征頻率（轉(zhuǎn)速頻率按24.96 Hz 計(jì)算）

如圖3～圖5 所示，測(cè)試頻譜分析成分復(fù)雜，主要體現(xiàn)在：①轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速頻率24.96 Hz 邊帶頻率。經(jīng)計(jì)算分別為NU1022 滾動(dòng)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(zhuǎn)速邊帶

圖5 24.96 Hz 頻率成分及其倍頻

（2）分析與討論：振動(dòng)測(cè)試部位在外側(cè)軸承箱位置，該處為軸瓦支撐結(jié)構(gòu)，一般情況下該部位出現(xiàn)故障會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速24.96 Hz的頻率成分及其倍頻，大量的非轉(zhuǎn)速頻率成分的出現(xiàn)，再結(jié)合軸承特征頻率計(jì)算，判斷為葉輪處NU1022 軸承滾動(dòng)體故障。

4 拆檢及維修處理情況

拆檢NU1022 軸承故障與振動(dòng)頻譜分析一致。

（1）介質(zhì)側(cè)機(jī)封丙烯沖洗唇封處存在聚合物（圖6）。

圖6 介質(zhì)側(cè)機(jī)封丙烯沖洗唇封處存在聚合物

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

圖7 滾動(dòng)體局部損傷及內(nèi)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(zhì)側(cè)機(jī)封軸承，大氣側(cè)機(jī)封；②對(duì)沖洗丙烯管口進(jìn)行檢查，確認(rèn)其通暢；③對(duì)密封油路進(jìn)行油洗，對(duì)油冷器進(jìn)行試壓堵漏。

5 檢修后振動(dòng)監(jiān)測(cè)情況

檢修后于11 月8 日軸流泵P201 啟動(dòng)，檢測(cè)各點(diǎn)振動(dòng)正常，密封油壓及油位穩(wěn)定。振動(dòng)最大為泵驅(qū)動(dòng)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(dòng)測(cè)試部位較遠(yuǎn)，判斷起來有一定難度和風(fēng)險(xiǎn)，修理需要停工，但如果是軸承故障就有可能抱軸導(dǎo)致故障擴(kuò)大或進(jìn)一步發(fā)展成事故的風(fēng)險(xiǎn)。拆檢發(fā)現(xiàn)聚丙烯漿料進(jìn)入機(jī)封沖洗唇封處，并在此堆積，與軸發(fā)生摩擦，軸運(yùn)行平衡被破壞后，葉輪側(cè)支撐的圓柱滾子軸承產(chǎn)生故障。

（1）軸流泵側(cè)振動(dòng)異常原因及改進(jìn)措施。11 月1 日，機(jī)封沖洗丙烯量突然下降，導(dǎo)致少量聚丙烯漿料進(jìn)入機(jī)封沖洗唇封處，并在此堆積，與軸發(fā)生摩擦，軸運(yùn)行平衡被破壞后，對(duì)主要對(duì)軸起徑向支撐的圓柱滾子軸承轉(zhuǎn)動(dòng)部件產(chǎn)生沖擊，造成一定缺陷。在軸承的周期運(yùn)行下，缺陷不斷變大，泵的振動(dòng)值逐漸上升。

改進(jìn)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(tǒng)密封油帶水問題及改進(jìn)措施。循環(huán)水通過油冷器密封油進(jìn)行冷卻，正常運(yùn)行期間，密封油壓力為4.0 MPa，循環(huán)水壓力0.6 MPa，但當(dāng)反應(yīng)器降壓時(shí)密封油壓會(huì)降至0.6 MPa左右，循環(huán)水從焊口進(jìn)入密封油中。

改進(jìn)措施：反應(yīng)器降壓時(shí)，將密封油系統(tǒng)隔離壓力改為1.0 MPa，使密封油和循環(huán)水存在一定壓差。

7 結(jié)語

對(duì)于振動(dòng)分析不能直接測(cè)量的管線內(nèi)的支撐軸承，可通過測(cè)量外置軸承箱部位振動(dòng)值來判斷。軸承故障產(chǎn)生振動(dòng)通過轉(zhuǎn)子長(zhǎng)軸傳導(dǎo)到外置軸承箱部位，再進(jìn)一步通過振動(dòng)頻譜分析得到驗(yàn)證。本次案例可為今后狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作提供一定的參考。