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(huán)管反應(yīng)器是某煉化企業(yè)20 萬噸/年聚丙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備，P201、P202 反應(yīng)循環(huán)泵（下簡稱“軸流泵”）是環(huán)管反應(yīng)器的核心部分，軸流泵安全平穩(wěn)運行對于環(huán)管反應(yīng)器的正常操作極其重要。來自預(yù)聚反應(yīng)器R-200 的丙烯、催化劑、給電子體以及三乙基鋁一同進(jìn)入第一環(huán)管反應(yīng)器R-201。新鮮丙烯也加入環(huán)管反應(yīng)器。環(huán)管中聚合物漿液濃度通過調(diào)節(jié)加入反應(yīng)器的新鮮丙烯進(jìn)料量控制。丙烯在控制的溫度和壓力下進(jìn)行聚合反應(yīng)，反應(yīng)器R-201、R-202 的底部分別設(shè)有軸流泵P201、P202，使物料在環(huán)管內(nèi)連續(xù)循環(huán)，保證反應(yīng)器內(nèi)溫度和壓力的均勻分布。正常生產(chǎn)時，若介質(zhì)突然停止循環(huán)流動，極易發(fā)生“環(huán)管暴聚”、裝置停車的嚴(yán)重事故，因此要求軸流泵平穩(wěn)可靠運行。

通過分析軸流泵密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，查找事故發(fā)生原因，總結(jié)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(shè)備概況

P201、P202 軸流泵采用美國FLOWSERVE 泵公司生產(chǎn)的24”AFH9500 系列反應(yīng)循環(huán)泵（圖1），流量7000 m3/h，功率450 kW，人口介質(zhì)壓力3.4～4.4 MPa，出口壓力3.504～4.504 MPa，轉(zhuǎn)速1450 r/min，揚程19 m。

圖1 環(huán)管反應(yīng)器P201 軸流泵

2 故障現(xiàn)象

2021 年4 月16 日裝置開車，6 月26 日班組巡檢時P201 環(huán)管軸流泵運行聲音異常，檢查驅(qū)動側(cè)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(fā)黑。管理人員現(xiàn)場確認(rèn)異常狀態(tài)后立即重點進(jìn)行監(jiān)控。6 月29 日中午，該設(shè)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(shè)備更嚴(yán)重?fù)p傷，6 月29 日下午15：50安排停機(jī)檢修。

軸承箱解體后外觀檢查發(fā)現(xiàn)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(xiàn)完整的圓環(huán)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(tài)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(wěn)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(jìn)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(shè)備使用說明書中要求的85 ℃范圍，解體后軸承也未見發(fā)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(diào)整負(fù)荷降低，停機(jī)前兩臺泵電流沒有明顯變化和差距。

3.1.4 功率和介質(zhì)密度關(guān)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(zhì)密度標(biāo)準(zhǔn)范圍450～600 kg/m3。軸流泵功率突然大幅度上升是因為調(diào)整功率因數(shù)，開車前期DCS 顯示功率與電氣相差較大，經(jīng)電氣修改功率因數(shù)后，DCS 顯示數(shù)值與電氣對應(yīng)。

3.1.5 功率和反應(yīng)器壓力、溫度及軸承溫度對應(yīng)趨勢

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

（2）反應(yīng)器壓力對軸流泵功率影響不明顯，反應(yīng)器溫度與反應(yīng)介質(zhì)密度相關(guān)，但溫度變化不明顯，對軸流泵功率的影響與反應(yīng)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(wěn)，至2021 年6 月26 日19：00 出現(xiàn)一次振值劇烈上升至10.97 mm/s，車間立即重點監(jiān)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(xiàn)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(xiàn)象（圖8）。

圖8 P-201 泵端加速度波形

機(jī)泵群在線監(jiān)測系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)顯示，全頻段包絡(luò)解調(diào)以外圈及諧波為主，同時可見保持架損傷頻率。歷史數(shù)據(jù)也能看到相關(guān)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(fā)現(xiàn)明顯類似特征。

圖9 P201 頻譜數(shù)據(jù)

3.2.1 軸流泵運行關(guān)鍵參數(shù)對比

經(jīng)查實時數(shù)據(jù)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(yīng)的各項數(shù)據(jù)，軸流泵P201 系統(tǒng)壓力、介質(zhì)密度、軸承箱油溫以及電機(jī)功率無異常波動。

3.2.2 設(shè)備安裝情況

經(jīng)查實，該設(shè)備撬塊安裝調(diào)試以及軸對中，均是施工單位在廠家指導(dǎo)下按規(guī)定步驟完成，相關(guān)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(shè)備已經(jīng)累計運行1752 h，在設(shè)備調(diào)試期間，軸承箱進(jìn)行加放油操作，連續(xù)運行期間控制室未采集到軸承箱液位低報警，現(xiàn)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(biāo)均在要求范圍內(nèi)，潤滑油使用溫度44～75 ℃（標(biāo)準(zhǔn)：≤85 ℃）。

3.2.4 軸承本體情況

該設(shè)備出廠后成殼運送至現(xiàn)場安裝，設(shè)備本體沒有二次安裝。

該設(shè)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(yán)重位置為靠葉輪側(cè)，與之配對的聯(lián)軸器側(cè)軸承無明顯磨損，分析后初步懷疑是軸承質(zhì)量問題導(dǎo)致磨損。

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

圖10 外圈斷續(xù)分布的剝落

圖11 滾動體嚴(yán)重磨損

從軸承解體情況分析，軸承的滾動體、內(nèi)圈滾道和外圈滾道都出現(xiàn)了較嚴(yán)重的磨損。從磨損的形式看，外圈和內(nèi)圈都有整圈的磨損和等滾子間距分布的嚴(yán)重剝落。等滾子間距的剝落一般是軸承在靜止?fàn)顟B(tài)時滾道受到?jīng)_擊而造成的，例如安裝不當(dāng)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?jīng)_擊的部位在運行后迅速出現(xiàn)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(jìn)入保持架兜孔造成保持架的磨損。

綜上所述，經(jīng)過初步分析，認(rèn)為故障原因極大可能是軸承的質(zhì)量問題，也可能是安裝不當(dāng)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(jù)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(jìn)行清晰觀察，對各種故障的聯(lián)系進(jìn)行分析，從而得到故障之間的聯(lián)系。故障樹定性分析的目的是找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的全部可能起因，用最小割集及結(jié)構(gòu)重要度對故障樹模型進(jìn)行定性分析。研究最小割集可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，集中力量解決薄弱環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)軸流泵設(shè)備的故障預(yù)測和數(shù)據(jù)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(jìn)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(fēng)險故障樹，如圖12 所示。

圖12 軸流泵運行風(fēng)險故障樹

表1 軸流泵運行風(fēng)險基本事件含義表

計算該故障樹的結(jié)構(gòu)重要度：

根據(jù)分析計算結(jié)果，需建立嚴(yán)格的管理措施，加大檢維修力度，確定日常維護(hù)方案，對該軸流泵進(jìn)行風(fēng)險管控，以確保軸流泵設(shè)備的安全運行，降低運行風(fēng)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(jìn)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(xiàn)場及機(jī)泵群在線監(jiān)測系統(tǒng)采集到的振動趨勢與頻譜分析，設(shè)備振動趨勢較平穩(wěn)，頻譜結(jié)構(gòu)沒有發(fā)現(xiàn)異常變化，平穩(wěn)運行至今，沒有造成嚴(yán)重非計劃停車損失。

針對故障樹模型中引起軸流泵運行風(fēng)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(diào)整造成環(huán)管反應(yīng)器密度、壓力、軸功率波動。

（2）繼續(xù)加強(qiáng)對潤滑油油位、溫度檢測，定期加換油和進(jìn)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(dǎo)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(guī)范補(bǔ)充沖洗油操作，防止油壓波動破壞機(jī)械密封。

（6）車間和保運單位嚴(yán)格按照高危泵要求每天不少于兩次進(jìn)行離線監(jiān)測，按照SHS 01003—2004《石油化工旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)要求，嚴(yán)格控制在2.8 mm/s 以下，保證設(shè)備平穩(wěn)運行，振動有上升趨勢立即上報排查原因。針對設(shè)備重點部位重點監(jiān)控，防患于未然。

5 結(jié)語

聚丙烯裝置環(huán)管反應(yīng)器軸流泵異常表現(xiàn)為設(shè)備的不良振動最終造成的設(shè)備運行異常。通過對軸流泵驅(qū)動端和非驅(qū)動端軸承振動速度頻譜進(jìn)行分析、判斷，并結(jié)合非驅(qū)動端軸承加速度包絡(luò)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(jìn)行風(fēng)險管控，確定日常維護(hù)方案。軸流泵的拆檢情況驗證了頻譜分析的結(jié)果，檢修后消除軸承振動故障。在實際維護(hù)作業(yè)中，作業(yè)人員可通過更換軸承、定期加入潤滑油等措施進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，避免因推遲維修造成軸承滾珠磨損掉落引發(fā)設(shè)備嚴(yán)重故障。也避免工藝頻繁調(diào)整造成環(huán)管反應(yīng)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(huán)管反應(yīng)器等設(shè)備及裝置的長周期、安全穩(wěn)定運行。