煙氣輪機機械故障的狀態監測與診斷
摘 要：煙氣輪機是煉化企業生產中重要的核心設備，在該行業中廣泛應用。但是由于煙機機組自身的特性導致其故障率較高，對生產帶來危害。本文結合狀態監測理論和多年來的實踐經驗，對煙氣輪機常見故障的機理、診斷方法及處理手段作介紹。
煙氣輪機（簡稱煙機）是石油化工行業常見的關鍵設備之一，它利用催化裂化裝置生產過程中產生的高溫再生煙氣余熱驅動離心式或軸流式空氣壓縮機作功或給發電機提供動能。煙機機組的運行情況直接關系到裝置的運行周期和能耗水平，對保證裝置正常平穩運行和節能降耗具有重要意義。據統計：僅中石化集團公司投用的39臺煙機機組，2003年度累計創造效益7.8億元，經濟效益十分顯著。
但是同時，煙氣輪機也是煉化行業關鍵設備中故障率最高的。平均無故障運行時間不超過280天，有的廠煙機一年停機修理2-3次是很普遍的現象。這與裝置長周期運行的要求相差很遠，頻繁停機導致裝置能耗上升，處理量下降，嚴重的使裝置切斷進料甚至非計劃停工的現象時有發生，嚴重影響了企業經濟效益。
因此做好煙機機組的狀態監測及故障診斷，及時查清停機原因和設備隱患，采取相應的措施，保證機組安全、穩定、長期運行是十分重要的。
導致煙機故障率居高不下的主要因素是高溫和粉塵。煙機機組的機械功能故障，大多與這兩者有關。煙機常見的故障，例如磨損、葉片斷裂、粉塵堆積、動靜摩擦、動平衡破壞、同心度偏移、油膜失穩、殼體變形及管線應力影響都是直接或間接與這兩者密不可分。（對于電網波動、儀表系統、液壓系統故障導致煙機停機的事故，在煙機故障停機次數中也占有較大比例，但這些不是本文討論的范圍，不在此介紹。）
下面分別對幾種類型的故障原因、診斷方法及故障處理作介紹。
一、不平衡及磨損
這一類故障的表象是一致的，就是煙機轉子的動平衡被破壞，導致振動超標，甚至機組停機。
1．磨損
催化裂化裝置再生煙氣中所含催化劑為主的煙氣粉塵，隨煙氣一起高速通過煙機葉片，對煙機流道產生沖刷，在高溫的作用下（通常煙氣入口溫度在620℃以上），煙氣粉塵對轉子的磨損加劇，磨損嚴重的部位常發生在葉片、臺肩、榫槽等部位，會出現刀刃狀或拇指狀的劃痕，沖蝕嚴重時會出現蜂窩狀。
2．葉片斷裂
當葉片均勻沖刷時，磨損對煙機轉子平衡的影響不大，而當出現不均勻磨損時，轉子動平衡破壞，機組振動值上升。當沖蝕現象日益加劇，葉片受損嚴重，同時機組振動逐漸加大，受損葉片在長期振動產生的交變應力的破壞下極易發生斷裂，因為葉片突然斷裂又會使煙機轉子動平衡嚴重破壞，振動值巨幅上升。
3．粉塵堆積
目前投用的各類煙機中普遍采用過熱蒸汽或飽和蒸汽冷卻、吹掃煙機輪盤。高溫的煙氣通過混有較低溫度的蒸汽時，或吹掃蒸汽本身帶有不飽和蒸汽時，在水分凝結作用下，煙氣粉塵會大量附著在煙機流道及葉片上。這些結焦物有時是均勻分布的、有時是不均勻的，將直接影響轉子的動平衡。特別是煙機運轉過程中煙氣條件不斷變化或結焦物增多、增重后，附著在葉片某部位的結焦物受離心力作用被甩脫，這樣就嚴重破壞了轉子的動平衡，引起機組振動突發性升高。而當結焦物大部分被甩掉后，煙機的振動又會降下來。很多煙機在運行時振動情況波動都是這一過程引起的。
粉塵堆積現象更容易發生在雙級輪盤的煙氣輪機上，這也是雙級煙機故障率相對偏高的主要原因。
4．故障的監測與診斷
這一類故障都是因為轉子質量偏心造成的。不平衡故障按其發生過程可分為原始不平衡、漸發性不平衡和突發性不平衡幾種情況。
對于不平衡類的故障進行診斷時要掌握以下要點：
(1)時域波形為近似的等幅正弦波；
(2)頻譜成分以轉子工頻為主；
(3)軸心軌跡為一個較穩定的偏心率較小的橢圓；
(4)全息譜上，工頻橢圓較大，而其它成分均較小；
(5)振動隨轉速變化明顯。若在低速轉動時振動值過大，則有可能是測振探頭失真或軸上測振帶損傷；
(6)通常徑向振動較大，而軸向振動較小。但是當發生軸彎曲時，軸向振動會明顯上升。
對于煙機轉子的初始不平衡和運行過程中逐漸產生的不平衡故障應區別對待。對于后者可以采取調整工藝參數、提升煙氣質量、優化操作手段等方法加以克服，避免非計劃停機。
5．診斷實例
武石化催化裝置2＃主風機機組采用YL一3000II型煙氣輪機，由中石化北京設計院設計，蘭煉機械廠生產，為單級懸臂式結構，功率2500kw。該機于1984年投用，1996年11月份，煙機振動值達到120-140μm，后經過工藝調整，其振動值降至報警線以下，運行一段時間后，到1997年初振動值再次高報，危害安全生產。
在這期間的監測發現，煙機各測點的頻譜中均以工頻成分為主，且徑向振動明顯，當煙機負荷變化時振動值變化不明顯，而同時油液、溫度、流量等工藝參數正常，因此診斷為不平衡故障。結合機組運行中振動值波動較大的情況，分析認為是催化劑粉塵在煙機葉片上結焦-脫落這一過程所致，建議煙機操作人員改變吹掃蒸汽的流量及溫度，以改變煙機輪盤及葉片的溫度，使結焦物在交替變換的溫度環境下松動直至脫落。反復數次操作后，煙機振動值在經過一段時間的波動變化（80-110μm）后迅速下降，最終穩定在60-70μm左右，調整工作結束。此后煙機機組運行較平穩。年底煙機解體檢修時，在煙機葉片上發現了少部分不完整的層疊狀結焦塊，證實了先前的判斷。
二、不對中及熱變形
造成機組轉子不對中的原因有安裝誤差、管道應力影響、溫度變化產生的熱變形、基礎沉降不均等。較高的溫度導致煙機和風機的殼體及管線存在熱膨脹，由于設計或制造上的缺陷常常會導致殼體及管線的熱分布不均勻，而支座貓爪（滑移支座）或導向槽故障也會引起殼體膨脹受阻，造成殼體變形、移位及承受較大的熱應力。因此對于煙機機組而言，熱變形是導致對中狀況惡化的主要原因。
1．故障的監測與診斷
不對中有兩種基本形態：平行不對中和角度不對中，在監測過程中對這兩種情況要加以區分。
(1)對于平行不對中來說，頻譜中二倍頻成分能量顯著，而發生角度不對中時主要能量仍集中在一倍頻，但會有明顯偏大的軸向振動；
(2）波形在基頻正弦波上存在二倍頻次峰；
(3)提純軸心軌跡顯香蕉形或“8”字形；
(4)全息譜上工頻及倍頻橢圓較扁，同一測點兩方向的二倍頻相位之差為180°；
(5)平行不對中主要在徑向振動上反映，且同一測點兩方向振動會有明顯的差值，主振方向與不對中的方向對應。角度不對中時軸向振動可能明顯大于徑向振動；
(6)振動大小隨轉速變化明顯，隨負荷增大而增大；靠近聯軸器的軸承處振動較大。
單純的熱變形故障的故障特征與不對中故障極為相似，它的主要表現一般來說是在圓周方向某處出現明顯的工頻成分，其振動隨轉速的變化不明顯。另外，還可以借助紅外熱像技術或溫度測量手段來加以區分。
2．診斷實例
武石化聯合裝置煙氣輪機，型號YLⅡ-4000，蘭煉機械廠生產。該機于2003年7月底檢修后開機振動高報停機，切除自保系統后再次開機振動值高達175μm，嚴重危害機組運行。
經現場監測，煙機測點中靠聯軸器端振動值明顯大于另一端，風機亦是如此；煙機軸向振值明顯偏高，頻譜中以工頻能量為主，二倍頻成分明顯（見圖1)。初步判斷為對中故障，但是檢修時采用了激光找正儀器，所有找正值均在標準內。進一步檢查發現：開機后風機排氣端（靠煙機端）機殼中心線向北偏移了0.27mm，風機排氣端縱銷靠死北側而進氣端位置正常。這說明風機轉子在熱應力作用下向北發生偏移，且產生開口朝北的角度不對中。這與前面的故障表象也是相符合的。
圖1 煙機不對中時的全息譜圖
在得出這一結論后仍然不足以解釋振動值如此之大的原因。再進一步檢查中得知煙機聯軸器處供油管曾經發生堵塞（該煙機為齒式聯軸器），這樣推測煙機聯軸器因潤滑不當導致轉矩鎖定而卡死，引發振動值激增是最合理的解釋。
得出這樣的結論后，大膽地采用超常規的手段：用冷水直接沖淋煙機軸承箱南側，目的是使煙機轉子朝南開口方向偏轉，從而擺脫聯軸器轉矩鎖定力，一旦轉矩鎖定解除后，煙機振動就會明顯下降。這樣在冷水沖淋后不久，煙機振動果然開始下降，之后一直穩定在65μm之下，成功地避免了機組停機事故。
三、動靜摩擦
大型機組動靜摩的幾率比一般設備要大得多。對煙機來說，由于高溫變形，煙氣粉塵堆積作用更易發生碰摩故障（尤其是二級式的煙氣輪機）。另外，氣封間隙過小，同軸度偏差過大，油膜不穩，承載力減低等因素都會導致碰摩發生。
動靜摩擦會產生切向摩擦力，使轉子產生渦動，轉子的強迫振動、碰摩自由振動和摩擦渦動運動疊加在一起，產生出復雜的、特有的振動響應，因而摩擦力表象具有明顯的非線性特征。
這一類故障的振動具有以下特征：
1．時域波形有明顯的“削頂”現象。
2.頻譜上除工頻外還存在豐富的高次諧波成分，如2X、3X…和1/2X、1/3X、1/4X…
a)波形預譜圖
b)軸心軌跡圖
圖2 煙機動靜碰摩的波形頻譜圖及軸心軌跡
3．全息譜上出現較多偏心率大的橢圓。
4．軸心軌跡上有“尖角”。
5．振動大小有方向性，可能在某個方向會明顯偏大。
6．當葉片部位發生碰摩時，還會在葉片通過頻率處產生高頻的響應特征。
圖2所示為某煙機粉塵堆積后發生動靜碰摩的典型實例，可以看出它的譜圖特征與前所述十分吻合。事后檢查該煙機轉子，發現其級間導葉組件上堆滿結垢了的煙氣粉塵，導致與煙機輪盤直接接觸、摩擦。
設備的故障診斷必然要經過信息收集一分析判斷一推理一驗證的循環反復的過程，對大型設備尤其像煙機機組這樣復雜的多機組設備，它承受著機械、電氣、熱力等多種變化作用，且工況隨生產需要經常變化，使用單一的分析辦法很難判斷異常所在。在監測時應采用多種方法進行綜合分析，包括振動、油液、溫度、工藝參數的相互聯系，不斷完善機組狀態監測手段，提高故障診斷的精確度，確保機組的安全、長周期運行。