催化煙機振動異常案例分析與處置

徐成裕，張軍軍，徐玉棠

(中國石油化工股份有限公司鎮海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

煙氣輪機(簡稱煙機)是催化裂化裝置的核心設備，同時也是該裝置主要的節能設備。該機通過再生煙氣的壓力和熱能進行膨脹做功，從而有效帶動主風機運行及發電，其運行情況直接影響到裝置的運行周期和能耗水平。本裝置(簡稱Ⅱ催化，340萬t/a)主風機組采用煙機+軸流風機+電動(發電)機的三機組模式，于1999年11月投入運行。2007年配合裝置擴能，煙機同步改造，軸功率由16 389 kW提升至18 500 kW，控制系統也由GHH改為TRICON。該機為軸向進氣，垂直向上排氣的單級煙氣輪機，轉子采用單級懸臂結構，主要由進氣殼體組件、排氣渦殼組件、轉子組件、軸承座組件以及底座等6大部分組成。煙機結構示意見圖1。

圖1 煙機結構示意

1 振動變化及分析處置

1.1 振動問題的產生

受結垢影響，該煙機存在振動波動的情況，但總體運行穩定，滿足裝置同步運行的要求。在2014年檢修時，首次發現導流錐進氣段支撐位置變形(見圖2)，分析認為是長期受高溫及應力環境影響，材料產生高溫疲勞引起的。到2016年檢修時，發現變形有擴展，已有3個部位明顯凹陷，隨即安排采購新導流錐。

圖2 導流錐進氣段支撐位置變形部位

2018年裝置停工檢修時，導流錐進氣段原變形量又有擴大。原計劃更換導流錐，但因靜葉端面間隙、輪盤氣封間隙、導流錐螺栓孔分布等配合問題，新導流錐無法安裝。2018年6月裝置開工后，煙機軸振動測振點出現振蕩上升(軸系測點分布見圖3，其中XI1431A/XI1432A為輪盤側徑向振動測點；XI1433A/XI1432A為對輪側徑向振動測點)，單點(XI1431A)瞬間最高上升至110 μm(高報值57 μm，聯鎖停機值95 μm，2取2)。

圖3 軸系測點分布

停工檢修前、后振動趨勢對比見圖4。2018年5月19日停工檢修前，XI1431A振動最大值在80 μm以下；6月10日檢修完開機后， 振動逐漸升高，最高達到97 μm(因捕捉頻率低，該趨勢圖中未顯示110 μm的最大值)，之后有所回落。

1.2 問題初步分析

圖5和圖6分別是2018年7月29～31日、2019年1月12～17日煙機軸振動4個測點(輪盤側XI1431A、XI1432A和對輪側XI1433A、XI1434A)的變化趨勢。

圖4 停工檢修前、后振動趨勢對比(XI1431A)

圖5 煙機振動測點檢測數據變化趨勢(2018年7月29～31日)

圖6 煙機振動測點檢測數據變化趨勢(2019年1月12～17日)

從圖5和圖6可以看出：測點振動存在同步上升及同步下降現象，振動最高點XI1431A超過90 μm，其他3個點相對較低，均在60 μm以下。振動的上升和下降呈突然跳躍的態勢，跳躍幅度高的超過30 μm，且沒有規律。

查看煙機振動跳躍前后裝置各運行參數發現，均未發生明顯波動，旋分壓降和三旋出口細粉含量均穩定(小于3%，符合要求)，細粉粒度無明顯變化，排除了工藝異常引起煙機振動變化的可能。

檢查結果顯示，潤滑油路溫度、壓力穩定，軸瓦進油壓力及回油溫度穩定，排除了油路問題。

利用機組在線監測系統對振動變化進行分析。振動通頻值上升主要是由工頻幅值增長引起的，工頻相位出現同步變化趨勢，二倍頻成分幅值存在同步小幅度變化，二倍頻相位呈同步變化趨勢。對比煙機前、后軸工頻橢圓軌跡發現，初相點出現明顯轉移。煙機轉子存在不平衡矢量轉移現象，變化前后工頻橢圓進動方向不變。

通過機組在線監測分析診斷，轉動過程無機械摩擦，振動變化是“動不平衡量”變化引起【1】。

1.3 工藝操作上的應對

為維持煙機的正常運行，避免異常停機，裝置從多方面進行了調整。

1.3.1 降低超細粉對煙機結垢的影響

一般認為：煙機入口粉塵濃度高，尤其是超細顆粒含量高是煙機結垢的直接原因。超細粉由于受到范德華力的影響容易在葉片、轉子、尾帶上粘附集聚，形成垢片【2】。隨著垢片的不斷增大， 在離心力作用下將會脫落， 導致煙機轉子動平衡被破壞， 振動升高。中石化專家團隊調研結果表明： 煙機結垢嚴重程度與入口粉塵濃度及粉塵中<5 μm的顆粒含量有直接關系，其含量越高，煙機結垢越嚴重【3】。

表1是Ⅱ催化三級旋分出口煙氣細粉粒度分布數據。從表1可以看出：三級旋分出口煙氣細粉中，<5 μm的超細粉含量平均值達到98.94%，<3 μm的超細粉含量平均值達到93%，基本不含10 μm以上的顆粒。

為限制超細粉產生，主要做了以下工作：

1) 降低采購新鮮催化劑的磨損指數，減少超細粉的產生。磨損指數指標從原來的1.4%下調至1.1%，<40 μm細粉含量指標從15%下調至12%。要求三效助劑廠家提高助劑的球形度，減少細粉產生。從圖7電鏡分析可以看出，2019年2月生產的三效助劑球形度較2018年8月有所改善，但仍需繼續提高。

圖7 三效助劑電鏡分析

2) 避免同時使用多種強度相差較大的新鮮劑或助劑(在無法避免使用助劑時，對助劑的強度與球形度加強監控)。

3) 降低再生器中煙氣流速，以減少催化劑顆粒高速碰撞產生的細粉。一方面控制進入燒焦罐的主風量，在維持再生催化劑定碳穩定的情況下，煙氣氧含量盡量低；另一方面盡量提高再生器壓力。

4) 避免再生溫度過高和稀相尾燃，避免內、外取熱器泄漏蒸汽進入再生器以及避免燃燒油噴嘴等處蒸汽長期進入再生器，以減少催化劑熱崩產生超細粉。

表1 三級旋分出口煙氣細粉粒度分布 單位：μm

1.3.2 其他操作條件的優化

1) 控制煙機入口溫度，保證其不超溫，穩定維持在678～685 ℃。

2) 降低系統中水汽濃度，減緩煙機結垢。煙氣中的水汽主要來源有焦中氫燃燒生成的水汽、煙機輪盤冷卻蒸汽、再生器各循環管松動蒸汽、燃燒油噴嘴保護蒸汽、主風事故蒸汽暖管蒸汽等。實際生產過程中，要監控好焦中氫含量，將其控制在6%～9%；再生器各循環管松動點應遵循宜風則風、宜汽則汽的原則，盡量減少用汽點；燃燒油噴嘴保護采用非凈化風替代蒸汽；控制好主風事故蒸汽暖管小旁路流量，避免開度過大。

3) 確保煙機輪盤冷卻蒸汽是過熱蒸汽，避免帶水。適當減少輪盤蒸汽用量，輪盤溫度控制在330～350 ℃。

1.3.3 煙機在線清垢

經過工藝調整，仍不能有效緩解煙機振動的上升趨勢，參考其他企業煙機實施在線清垢的經驗，2019年2月19日，對本裝置煙機實施了在線清垢。開啟備用風機，將煙機機組負荷切出，利用垢層與機體金屬熱膨脹系數不同的特性，通過轉速、輪盤冷卻蒸汽的大幅擾動，使垢層分離、脫落并被吹除，達到在線清除煙機結垢的目的。

清垢后煙機振動單點最大值(XI1431A)從最高的141 μm下降至68 μm，取得一定效果。但重新投入運行后振動上升較快。2月27日，XI1431A振動值再次上升至高于115 μm，且居高不下。

1.4 振動問題的再次確認

3月7日安排煙機停機檢修。解體檢查，發現煙機導流錐進氣段內錐體局部凹陷變形量較上次檢修時有所增加(見圖8和圖9)。

測量轉子與進氣側端面間隙，發現進氣側上部2～3點鐘方向端面間隙4.1～8.9 mm(標準為12～13 mm)；移開導流錐后測量靜葉頂間隙，發現靜葉部分頂到導流錐臺階；對導流錐焊縫進行著色檢查，發現內部4處焊縫有裂紋，外部5處焊縫有裂紋；且轉子輪盤背面堆積脫落的催化劑較多。

圖8 2019年3月導流錐變形凹陷情況及裂紋部位

圖9 導流錐凹陷變形位置示意

由煙機轉子與進氣側端面間隙減小(2018年檢修完扣蓋時測量進氣側端面間隙為7～10 mm)的現象可以判斷，導流錐內錐體端面已向轉子側移動。結合進氣段內錐體的變形判斷，認為是材料高溫蠕變造成了動、靜端面間隙不均勻減小，同時內錐體中心偏離，造成局部靜葉葉頂頂到導流錐臺階。

導流錐殼體的裂紋，判斷是材質在長期高溫、應力環境下產生的高溫疲勞裂紋。

另外主推力瓦有1塊瓦塊存在微裂紋，汽封梳齒有輕微翻邊，梳齒間有少量催化劑。其他煙機部件正常，無明顯影響軸振動的因素。

檢修中更換推力瓦塊、汽封體煙機轉子(2臺轉子輪流使用，換下后清洗、噴涂、做動平衡)和各部位高溫螺栓。

因新購導流錐返廠加工未完成，不得已嘗試對原導流錐變形進行矯正。但實際矯正時，因該部位壁厚14 mm，矯正難度大，效果不明顯。且強行矯正會導致靜葉環封嚴重變形、動靜配合間隙超標等問題。因此，在無新配件的情況下，只能安裝使用原導流錐。導流錐中心的偏移及端面位移造成的配合間隙超標，檢修已無法消除。

進氣錐與靜葉、輪盤間隙以及葉輪與殼體間隙示意見圖10，前、后殼體間隙拆裝對比見表2。

3月14日開機投運后，煙機振動持續升高(見圖11)，4月9日已突破80 μm，且較以往不同的是，振動變化周期縮短。根據經驗，煙機結垢需要一定時間的積累，運行超過1個月以后才會出現振動的突變。而此階段運行中，振動突變頻繁，1天內可出現3～4次，與煙機結垢現象不符。

圖10 各部件間隙示意

表2 進氣錐與靜葉、輪盤間隙以及葉輪與前、后殼體間隙拆裝對比 單位：mm

分析認為：導流錐的變形對煙機轉子運動狀態的影響加??；振動的上升屬于不可逆發展，必須通過檢修消除。

2 “動不平衡” 故障消除

2019年5月21日，決定再次停機檢修，更換導流錐。6月5日檢修完開機后運行至今，振動單點最大值穩定在40 μm左右。由此可以斷定，導流錐引起的煙氣流不穩定是導致本周期煙機振動異常的主要原因，“動不平衡”的現象消失，煙機振動的故障也隨之消除(見圖12)。

3 關于導流錐材質問題

煙機從1999年11月投用至今，導流錐使用已超過19年。導流錐進氣錐材質為1Cr18Ni9Ti，長期在670～685 ℃的高溫環境下運行，且受應力影響，材質出現了高溫疲勞蠕變變形(或開裂)。

圖11 2019年3月14日開機后振動異常上升

圖12 2019年6月5日開機后振動穩定

對該材質長期高溫蠕變的研究，尚缺少數據的支撐。設計計算時，一般也以鋼材在設計溫度下經10萬h蠕變率為1%的蠕變極限來考慮材質的高溫蠕變量問題。對于材質運行超過10萬h的蠕變量，既無理論計算量也無經驗值。而C會與晶界處的Cr結合，形成Cr3C2并析出，隨著長時間的累積，當晶界處的Cr含量低于12%時，發生晶間腐蝕開裂的幾率就會變大。

且長期高溫、應力條件下，本來輕微的表層氧化也會逐漸向材料內部深入。相關報道中已有ZG304(304鑄鋼)材質的導流錐開裂的記載，并在材質斷口分析報告中，指明了材料的晶間腐蝕以及高溫氧化問題。所以有必要在合適的時間對導流錐部件進行材質升級。

4 結論

導流錐蠕變變形引起煙機振動異常的問題，在行業中出現較少。但隨著煙機投入運行時間的增加，材料高溫疲勞的問題會逐漸顯現出來，且振動異常時，機組在線監測頻譜分析也難以診斷。故在煙機檢修時，需重點關注導流錐的變形情況，盡量提前處置應對。建議設定振動的主動停機檢修指標，避免缺陷惡化后突發故障造成設備損壞。對材質高溫疲勞的問題也亟待進一步深入研究。操作優化對避免煙機振動異常始終是一項十分重要的工作。