摘　要：煙氣輪機(jī)是煉化企業(yè)生產(chǎn)中重要的核心設(shè)備，在該行業(yè)中廣泛應(yīng)用。但是由于煙機(jī)機(jī)組自身的特性導(dǎo)致其故障率較高，對生產(chǎn)帶來危害。本文結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測理論和多年來的實踐經(jīng)驗，對煙氣輪機(jī)常見故障的機(jī)理、診斷方法及處理手段作介紹。
        煙氣輪機(jī)（簡稱煙機(jī)）是石油化工行業(yè)常見的關(guān)鍵設(shè)備之一，它利用催化裂化裝置生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫再生煙氣余熱驅(qū)動離心式或軸流式空氣壓縮機(jī)作功或給發(fā)電機(jī)提供動能。煙機(jī)機(jī)組的運行情況直接關(guān)系到裝置的運行周期和能耗水平，對保證裝置正常平穩(wěn)運行和節(jié)能降耗具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計：僅中石化集團(tuán)公司投用的39臺煙機(jī)機(jī)組，2003年度累計創(chuàng)造效益7.8億元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。
        但是同時，煙氣輪機(jī)也是煉化行業(yè)關(guān)鍵設(shè)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(jī)一年停機(jī)修理2-3次是很普遍的現(xiàn)象。這與裝置長周期運行的要求相差很遠(yuǎn)，頻繁停機(jī)導(dǎo)致裝置能耗上升，處理量下降，嚴(yán)重的使裝置切斷進(jìn)料甚至非計劃停工的現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴(yán)重影響了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。
        因此做好煙機(jī)機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷，及時查清停機(jī)原因和設(shè)備隱患，采取相應(yīng)的措施，保證機(jī)組安全、穩(wěn)定、長期運行是十分重要的。
        導(dǎo)致煙機(jī)故障率居高不下的主要因素是高溫和粉塵。煙機(jī)機(jī)組的機(jī)械功能故障，大多與這兩者有關(guān)。煙機(jī)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(wěn)、殼體變形及管線應(yīng)力影響都是直接或間接與這兩者密不可分。（對于電網(wǎng)波動、儀表系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)故障導(dǎo)致煙機(jī)停機(jī)的事故，在煙機(jī)故障停機(jī)次數(shù)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(jī)轉(zhuǎn)子的動平衡被破壞，導(dǎo)致振動超標(biāo)，甚至機(jī)組停機(jī)。
        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(jī)葉片，對煙機(jī)流道產(chǎn)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(zhuǎn)子的磨損加劇，磨損嚴(yán)重的部位常發(fā)生在葉片、臺肩、榫槽等部位，會出現(xiàn)刀刃狀或拇指狀的劃痕，沖蝕嚴(yán)重時會出現(xiàn)蜂窩狀。
        2．葉片斷裂
        當(dāng)葉片均勻沖刷時，磨損對煙機(jī)轉(zhuǎn)子平衡的影響不大，而當(dāng)出現(xiàn)不均勻磨損時，轉(zhuǎn)子動平衡破壞，機(jī)組振動值上升。當(dāng)沖蝕現(xiàn)象日益加劇，葉片受損嚴(yán)重，同時機(jī)組振動逐漸加大，受損葉片在長期振動產(chǎn)生的交變應(yīng)力的破壞下極易發(fā)生斷裂，因為葉片突然斷裂又會使煙機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡嚴(yán)重破壞，振動值巨幅上升。
        3．粉塵堆積
        目前投用的各類煙機(jī)中普遍采用過熱蒸汽或飽和蒸汽冷卻、吹掃煙機(jī)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(jié)作用下，煙氣粉塵會大量附著在煙機(jī)流道及葉片上。這些結(jié)焦物有時是均勻分布的、有時是不均勻的，將直接影響轉(zhuǎn)子的動平衡。特別是煙機(jī)運轉(zhuǎn)過程中煙氣條件不斷變化或結(jié)焦物增多、增重后，附著在葉片某部位的結(jié)焦物受離心力作用被甩脫，這樣就嚴(yán)重破壞了轉(zhuǎn)子的動平衡，引起機(jī)組振動突發(fā)性升高。而當(dāng)結(jié)焦物大部分被甩掉后，煙機(jī)的振動又會降下來。很多煙機(jī)在運行時振動情況波動都是這一過程引起的。
粉塵堆積現(xiàn)象更容易發(fā)生在雙級輪盤的煙氣輪機(jī)上，這也是雙級煙機(jī)故障率相對偏高的主要原因。
        4．故障的監(jiān)測與診斷
        這一類故障都是因為轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心造成的。不平衡故障按其發(fā)生過程可分為原始不平衡、漸發(fā)性不平衡和突發(fā)性不平衡幾種情況。
對于不平衡類的故障進(jìn)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(zhuǎn)子工頻為主；
        (3)軸心軌跡為一個較穩(wěn)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(zhuǎn)速變化明顯。若在低速轉(zhuǎn)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(dāng)發(fā)生軸彎曲時，軸向振動會明顯上升。
對于煙機(jī)轉(zhuǎn)子的初始不平衡和運行過程中逐漸產(chǎn)生的不平衡故障應(yīng)區(qū)別對待。對于后者可以采取調(diào)整工藝參數(shù)、提升煙氣質(zhì)量、優(yōu)化操作手段等方法加以克服，避免非計劃停機(jī)。
5．診斷實例
        武石化催化裝置2＃主風(fēng)機(jī)機(jī)組采用YL一3000II型煙氣輪機(jī)，由中石化北京設(shè)計院設(shè)計，蘭煉機(jī)械廠生產(chǎn)，為單級懸臂式結(jié)構(gòu)，功率2500kw。該機(jī)于1984年投用，1996年11月份，煙機(jī)振動值達(dá)到120-140μm，后經(jīng)過工藝調(diào)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(chǎn)。
        在這期間的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，煙機(jī)各測點的頻譜中均以工頻成分為主，且徑向振動明顯，當(dāng)煙機(jī)負(fù)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(shù)正常，因此診斷為不平衡故障。結(jié)合機(jī)組運行中振動值波動較大的情況，分析認(rèn)為是催化劑粉塵在煙機(jī)葉片上結(jié)焦-脫落這一過程所致，建議煙機(jī)操作人員改變吹掃蒸汽的流量及溫度，以改變煙機(jī)輪盤及葉片的溫度，使結(jié)焦物在交替變換的溫度環(huán)境下松動直至脫落。反復(fù)數(shù)次操作后，煙機(jī)振動值在經(jīng)過一段時間的波動變化（80-110μm）后迅速下降，最終穩(wěn)定在60-70μm左右，調(diào)整工作結(jié)束。此后煙機(jī)機(jī)組運行較平穩(wěn)。年底煙機(jī)解體檢修時，在煙機(jī)葉片上發(fā)現(xiàn)了少部分不完整的層疊狀結(jié)焦塊，證實了先前的判斷。
二、不對中及熱變形
        造成機(jī)組轉(zhuǎn)子不對中的原因有安裝誤差、管道應(yīng)力影響、溫度變化產(chǎn)生的熱變形、基礎(chǔ)沉降不均等。較高的溫度導(dǎo)致煙機(jī)和風(fēng)機(jī)的殼體及管線存在熱膨脹，由于設(shè)計或制造上的缺陷常常會導(dǎo)致殼體及管線的熱分布不均勻，而支座貓爪（滑移支座）或?qū)虿酃收弦矔饸んw膨脹受阻，造成殼體變形、移位及承受較大的熱應(yīng)力。因此對于煙機(jī)機(jī)組而言，熱變形是導(dǎo)致對中狀況惡化的主要原因。
1．故障的監(jiān)測與診斷
        不對中有兩種基本形態(tài)：平行不對中和角度不對中，在監(jiān)測過程中對這兩種情況要加以區(qū)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(fā)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?qū)?yīng)。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(zhuǎn)速變化明顯，隨負(fù)荷增大而增大；靠近聯(lián)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(xiàn)一般來說是在圓周方向某處出現(xiàn)明顯的工頻成分，其振動隨轉(zhuǎn)速的變化不明顯。另外，還可以借助紅外熱像技術(shù)或溫度測量手段來加以區(qū)分。
2．診斷實例
        武石化聯(lián)合裝置煙氣輪機(jī)，型號YLⅡ-4000，蘭煉機(jī)械廠生產(chǎn)。該機(jī)于2003年7月底檢修后開機(jī)振動高報停機(jī)，切除自保系統(tǒng)后再次開機(jī)振動值高達(dá)175μm，嚴(yán)重危害機(jī)組運行。
經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測，煙機(jī)測點中靠聯(lián)軸器端振動值明顯大于另一端，風(fēng)機(jī)亦是如此；煙機(jī)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(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)：開機(jī)后風(fēng)機(jī)排氣端（靠煙機(jī)端）機(jī)殼中心線向北偏移了0.27mm，風(fēng)機(jī)排氣端縱銷靠死北側(cè)而進(jìn)氣端位置正常。這說明風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子在熱應(yīng)力作用下向北發(fā)生偏移，且產(chǎn)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(jī)不對中時的全息譜圖

        在得出這一結(jié)論后仍然不足以解釋振動值如此之大的原因。再進(jìn)一步檢查中得知煙機(jī)聯(lián)軸器處供油管曾經(jīng)發(fā)生堵塞（該煙機(jī)為齒式聯(lián)軸器），這樣推測煙機(jī)聯(lián)軸器因潤滑不當(dāng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩鎖定而卡死，引發(fā)振動值激增是最合理的解釋。
        得出這樣的結(jié)論后，大膽地采用超常規(guī)的手段：用冷水直接沖淋煙機(jī)軸承箱南側(cè)，目的是使煙機(jī)轉(zhuǎn)子朝南開口方向偏轉(zhuǎn)，從而擺脫聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩鎖定力，一旦轉(zhuǎn)矩鎖定解除后，煙機(jī)振動就會明顯下降。這樣在冷水沖淋后不久，煙機(jī)振動果然開始下降，之后一直穩(wěn)定在65μm之下，成功地避免了機(jī)組停機(jī)事故。
三、動靜摩擦
        大型機(jī)組動靜摩的幾率比一般設(shè)備要大得多。對煙機(jī)來說，由于高溫變形，煙氣粉塵堆積作用更易發(fā)生碰摩故障（尤其是二級式的煙氣輪機(jī)）。另外，氣封間隙過小，同軸度偏差過大，油膜不穩(wěn)，承載力減低等因素都會導(dǎo)致碰摩發(fā)生。
        動靜摩擦?xí)a(chǎn)生切向摩擦力，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生渦動，轉(zhuǎn)子的強(qiáng)迫振動、碰摩自由振動和摩擦渦動運動疊加在一起，產(chǎn)生出復(fù)雜的、特有的振動響應(yīng)，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(xiàn)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(yù)譜圖

 
b)軸心軌跡圖

圖2　煙機(jī)動靜碰摩的波形頻譜圖及軸心軌跡

        3．全息譜上出現(xiàn)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(dāng)葉片部位發(fā)生碰摩時，還會在葉片通過頻率處產(chǎn)生高頻的響應(yīng)特征。
        圖2所示為某煙機(jī)粉塵堆積后發(fā)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(jī)轉(zhuǎn)子，發(fā)現(xiàn)其級間導(dǎo)葉組件上堆滿結(jié)垢了的煙氣粉塵，導(dǎo)致與煙機(jī)輪盤直接接觸、摩擦。
        設(shè)備的故障診斷必然要經(jīng)過信息收集一分析判斷一推理一驗證的循環(huán)反復(fù)的過程，對大型設(shè)備尤其像煙機(jī)機(jī)組這樣復(fù)雜的多機(jī)組設(shè)備，它承受著機(jī)械、電氣、熱力等多種變化作用，且工況隨生產(chǎn)需要經(jīng)常變化，使用單一的分析辦法很難判斷異常所在。在監(jiān)測時應(yīng)采用多種方法進(jìn)行綜合分析，包括振動、油液、溫度、工藝參數(shù)的相互聯(lián)系，不斷完善機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測手段，提高故障診斷的精確度，確保機(jī)組的安全、長周期運行。