發表時間： 2026-07-07 14:26:31
作者： 石油化工設備維護與檢修網
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摘 要：上海賽科石油化工有限責任公司烯烴工廠有500多臺透平、壓縮機、風機、泵等各類轉動設備。文章以案例的形式對設備運行周期各類轉動設備出現的故障原因進行了分析,并采用一系列先進管理系統和技術解決相應的問題,從而提高了轉動設備的機械完整性和運行可靠性,確保裝置安全、連續、長周期運轉。
關鍵詞：轉動設備 故障率 可靠性 設備管理
上海賽科石油化工有限責任公司(以下簡稱賽科)烯烴工廠擁有1.19 Mt/a乙烯裂解分離(ETU)、155 kt/a烯烴轉換(OCU)、800 kt/a汽油加氫(GTU)、620 kt/a芳烴抽提(AEU)、110 kt/a的1#丁二烯(BEU-1)、90 kt/a的2#丁二烯(BEU-2)6套生產裝置,覆蓋蒸汽透平、離心壓縮機、螺桿壓縮機、往復壓縮機、風機、攪拌器及各類泵設備,共計約500臺轉動設備(其中各類泵設備353臺,泵用蒸汽透平15臺)。這些設備的機械完整性直接關系著各裝置的持續運行安全,文章對各轉動設備的故障原因進行分析,并提出解決措施,以期提高設備的運行水平。
1 轉動設備故障及原因分析
轉動設備在生命周期中的故障率基本符合浴盆曲線理論,文章介紹了多種類型的設備失效案例,并對轉動設備的各類故障進行闡述和分析。
1.1 初期故障
在設備安裝運行初期,由于設計選型、設備制造質量、安裝質量、操作不熟練等多方面因素,容易造成設備故障頻發。
1.1.1 設備制造質量
設備制造質量包括軸承、密封、蝸殼、葉輪等各部件的加工質量問題,在試車或開車初期表現突出。
案例1。裂解爐風機:賽科一期項目有9臺裂解爐引風機,2004—2005年風機單試和試運行階段,其中7臺風機振動劇烈,振動烈度超過14 mm/s,并致使2臺風機轉軸損壞。開車初期的每個月都需要搶修風機,振動信號分析均發現風機存在明顯的軸承缺陷頻率。
拆檢發現,風機出廠時安裝的兩端軸承型號均為SKF 23232CC W/33。審查制造廠設計圖紙發現,風機驅動端和非驅動端軸承型號分別是止推軸承SKF 23232CC W/33和支撐軸承SKF C3232。由于在驅動端也使用了雙列圓柱止推軸承,在裂解爐運行的高溫煙氣造成轉軸熱膨脹時,限制了轉子的軸向膨脹。而徑向軸承C3232是一種特殊設計的滾動體為“鼓形”的徑向滾動軸承,有很好的調心作用,不限制軸的徑向竄動。此后,9臺風機的軸承統一更換為進口原裝SKF C3232/C3新型CARB軸承,各裂解爐風機的軸承可以穩定運行8年以上。
案例2。工藝水泵11P1601A/B:設計為一開一備,軸功率128 kW,轉速1 475 r/min,額定流量285 m3/h,揚程106 m。從2005年投用后,B泵先后多次發生故障,軸頭葉輪裝配部位開裂。
經過與制造廠交流分析可知:蝸殼加工中的流道缺陷,造成泵運行時持續振動,導致斷軸。隨后采取了更換蝸殼和提高轉軸材質的措施,泵得以正常運行。
1.1.2 設備設計選型、選材不當
案例3。廢堿裝置濕式氧化往復式空氣壓縮機:制造廠為GEMINI(美國),機型為D604-4,轉速999 r/min,4級排氣溫度設計值分別為103 ℃、139 ℃、143 ℃、132 ℃。氣閥選用HOERBIGER公司CT閥型,主要適用于高速、有油潤滑壓縮機。2005年裝置開車初期,氣閥頻繁損壞,壓縮機每周聯鎖停車檢修2次以上。對氣閥進行拆解分析發現,氣閥表面嚴重積炭。原裝氣閥閥片為MT非金屬材料,適用的工作溫度為120～150 ℃。該壓縮機工作時,實際排氣溫度接近150 ℃,特別是在環境溫度較高時,排氣溫度會超出MT的耐溫范圍,致使閥片軟化并粘住彈簧,氣閥失效。將閥片材料改為PK材料后,氣閥工作壽命達到5個月以上。
案例4。某公司新增2套90 kt/a丁二烯生產裝置,其中包括30臺離心泵。在2014年8—12月的單試和試運行階段,泵和電機振動、密封和油封泄漏等故障頻繁發生,泵檢修達26臺次,電機檢修17臺次。對此進行針對性分析研究,并采取相應對策:10臺泵原來選用的某型軸承架,其油封嚴重漏油,原為迷宮壓蓋設計,研究后全部更換為機械油封;大量電機振動偏高,重新進行動平衡處理;檢查出基礎二次灌漿鏤空,進行處理后,重新對中校驗。
1.2 中期故障
設備運行中期,除了發現的偶發性故障外,還應對周期性、重復性的故障進行主動分析和處理。
1.2.1 實際運行條件與設計存在偏差
案例5。廢堿液儲罐撇油泵:流量1 m3/h,揚程70 m,用于抽出廢堿儲罐上層的黃油。設計選型為單螺桿泵,單泵間歇運轉。在運轉中,由于液位控制失準,實際介質為大量的廢堿,而且經常性抽空。螺桿泵內膠套被堿液腐蝕,導致泵頻繁失效搶修,平均每年檢修18次。經過調研,更換為合適的耐腐蝕旋殼泵,效果很好。
1.2.2 工藝操作不當
案例6。急冷區SLOP罐液下泵:為立式液下泵,設計介質為含水廢烴,急冷區換熱器、過濾器等排液到該SLOP罐。由于大量焦粉積聚在罐底,泵運轉時充填到葉輪、口環、軸套、平衡鼓等部位,致使葉輪及流道堵塞,最終導致部件嚴重損壞。
統計表明,該泵平均每年解體檢修5次,累計維修費用達到200萬元,為此進行過多次機械結構改進,但是效果不佳。通過對工藝和操作的深入研究,發現急冷油排焦罐進行清焦作業時,沖洗油中的大量焦粉是導致葉輪口環、軸套磨損的主要因素。對此采取了相應的改進措施:一是降低泵的插入深度,減少泵過流部件吸入焦粉;二是在SLOP罐前加裝過濾器,減少大塊焦粉入罐,從而使泵每年檢修降至1～2次。
1.3 晚期故障
在設備壽命晚期,故障率會上升,主要原因為:軸承、機械密封、轉子等部件的疲勞損壞;介質對葉輪、蝸殼流道的沖刷和腐蝕,介質在葉輪和流道的聚合或垃圾積聚;殼體、螺栓、支撐等外部腐蝕。對這些原因進行具體分析,通過詳細的設備臺賬統計分析,采取主動開展預防性維護,軸承、皮帶等部件更換,設備報廢更新等相應措施。
2 轉動設備先進管理方法的應用
2.1 MTBR和MTBF
MTBR為平均檢修間隔時間,MTBF為平均故障間隔時間。在烯烴工廠戰略目標分解的積分卡中,以MTBR、MTBF作為機械完整性的衡量指標,以提升工藝安全管理水平。
MTBR=機泵總臺數×12/連續12個月累計檢修臺數,反映了設備維修的平均時間間隔。
MTBF=機泵總臺數×12/連續12個月累計故障檢修臺數,反映了設備故障維修的平均時間間隔。
影響這兩個指標的因素包括:工藝設計與運行、制造質量、安裝和檢修質量、備件質量以及設備疲勞損壞等。較高的MTBR指標值,意味著較低的檢修頻次、設備資產損失和維護成本;較高的MTBF指標值可以減少設備故障檢修的各種風險,降低裝置的意外停車事故,提高裝置運行的連續性和安全性。
2022年某烯烴工廠機泵設備的MTBF為144,意味著每臺設備平均144個月才發生1次故障檢修。
2.2 設備管理軟件系統
除了傳統的管理辦法外,為了提高轉機的機械完整性,推廣應用了多個輔助管理系統。
生產信息系統(PI):一系列基于Server和Client的程序,用來自動收集、存儲工廠的生產信息。PI常用作企業級程序繼承和開發的平臺,成為底層生產和辦公室之間的一個主要鏈接。除了分散控制系統(DCS)操作監控外,設備管理人員可以隨時通過PI系統查詢當前運行信息,在故障發生后檢查和分析歷史參數。
旋轉設備運行時間監測管理系統(TBM):基于PI參數,對運行時間和設備維護進行管理和報表統計的軟件。該系統提供設備運行時間監測周報,統計分析機泵設備連續運行時間(超限計算)、連續停運時間、機泵切換分布;基于各類機泵的特性和工藝特點,制定機泵的周期性預防維護(PPM)周期。
2.3 APM-Meridium資產可靠性分析軟件系統
協助設備工程師回顧所有設備歷史維護記錄,制定和優化相關設備的檢維修策略,以提升工廠的設備完整性。結合SAP企業管理系統,推進以可靠性為中心的維護工作(系統層級)和FMEA設備層級的維護策略制定。
完善設備關鍵等級評估,結合以上多種輔助手段,合理安排檢修維護資源,從而提高設備完整性,提高MTBF、MTBR指標值。
2.4 故障根源分析
對于重大設備故障、周期性設備故障以及導致裝置非計劃停車的設備事故,組織調查團隊進行故障根源分析(RCFA)調查討論。開展頭腦風暴,尋找出設備故障的關鍵因素,查出物理原因、人為因素、系統原因和附加發現項等,提出行動項/建議項,建立故障樹,最終形成完整的RCFA分析調查報告。
案例7。乙烯分餾塔循環泵11P2401A/B/C:二開一備,正常雙泵運行時電流為72%左右。A/C泵運行時,巡檢發現C泵乙烯物料從機械密封處大量外漏,緊急停泵切換到A/B泵運行。停泵后可見C泵盤車不動,進行解體檢修,發現C泵的軸承嚴重磨損,蝸殼、葉輪口環摩擦咬死。
設計中C泵由總管流量低自啟,因此該泵在前次非計劃停車后重新開車時自啟動運轉。在較長一段時期,A泵電流93%,C泵電流35%,嚴重偏流。調查團隊進行的RCFA分析表明:物理原因是P4201C泵內物料(低溫液相乙烯)的氣化和氣阻;人為因素是泵啟動操作排氣不充分;系統原因是電流在DCS畫面顯示不直觀,操作人員未能及時發現;另外還發現DCS畫面泵驅動電機的電流顯示單位不統一。對以上各種因素制定相應的建議項和行動項,在形成RCFA分析調查報告后,定期跟蹤落實。
2.5 持續改進(CI)和變更管理(MOC)
CI是企業的核心價值觀之一,通過推進持續改進的項目或行動,推動關鍵績效指標逐年提高。CI運用魚骨圖等工具,采用“七步法”分析解決設備故障問題,并定期進行CI成功案例展示。
對于RCFA、CI分析后的解決措施和行動項,通過MOC程序落實具體改進項目。烯烴工廠轉動設備的MOC機械改進典型項目如下。
(1)屏蔽泵:芳烴裝置原屏蔽泵故障頻發,10年間累計檢修高達100臺次,備件維護費用達到200萬元,并兩度造成非計劃停車。研究發現主要原因是軸承材料不適合目前工況,為此對19臺屏蔽泵實施了MOC換型。
(2)雨水池液下泵:由于大量垃圾進入水池,導致液下泵嚴重損壞。乙烯裝置南、北2個雨水池各設6臺液下泵,5年內檢修高達72臺次,檢修備件費用達到60萬元。為此,通過MOC程序把多臺液下泵更換為真空自吸泵。
(3)機械密封改進:對于頻繁泄漏失效的機械密封進行MOC/CI改進,累計50套。
3 先進技術的應用
3.1 投用轉動設備狀態監測系統
對所有的設備進行了關鍵性評價,把設備劃分為S、1、2、3、4等5類,依據不同的評價結果,采用相應的監測措施。其中,S類的乙烯三機、丁二烯壓縮機和其他1類大型機組,配備了完整的機器保護系統(MMS)及Bently DAQ+SYSTEM1數據存儲和分析系統,具有諸如頻譜分析、軸心軌跡、瀑布圖等分析功能。對于2、3類設備,定期進行離線振動檢測,包括頻譜分析、沖擊能量包絡分析功能。
Bently為大型機組提供季度遠程分析報告,當某一監測參數異常時,SYSTEM1會自動推送報警郵件。如果機組狀態異常,根據需要提供遠程診斷報告。
2021年,根據高危泵整治和C/D區機泵監測的需要,為流程中的重要機泵增設了容知機泵無線監測診斷系統,極大地提高了機泵預測維修能力,并防止機泵惡性事故的發生。該系統具有全天候看護功能,及時準確地預判設備潛在故障。
案例8。裂解氣壓縮機11C2000M:2018年大修后,機組運行正常。中壓缸軸振動趨勢分3個階段:大修結束至2019年4月底,最大軸振動為12～25 μm;4月底到6月底逐步上升到38 μm;7月維持在32～38 μm。
BENTLY SYSTEM1的振動信號分析顯示高振動的原因是轉子動平衡不良。結合壓縮機的歷史運行狀態,判斷是裂解氣結焦導致壓縮機振動高,采取加大洗油量和引進甲苯作為洗油的措施后,壓縮機振動得到大幅緩解,一直維持運行到2023年大修。
案例9。汽油泵11P5510A:2023年12月11日,容知無線振動監視系統在后臺通過大數據分析統計,發現11P5510A運行異常。泵端速度趨勢近期顯著上升,時域波形中未見明顯沖擊,頻譜中可見葉片通過頻率的幅值突出。建議核實近期工藝參數是否調整,有無抽空氣蝕現象,擇機檢查過濾器是否堵塞,及時切換清洗過濾器,避免泵高振動引起密封、軸承的損壞。
案例10。裂解氣壓縮機主油泵透平:現場巡檢發現主油泵透平出現異聲,在監測的振動頻譜和包絡圖上,DE軸承BPFO、BPFI的缺陷特征明顯,檢修發現滾動軸承滾道大量凹坑。
3.2 裂解爐引風機轉子現場動平衡
裂解爐風機工作溫度為80 ℃左右,燒焦時溫度為180 ℃,裂解爐檢修時停止運轉。裂解爐標高40 m,風機轉子組質量為2 030 kg。早期在風機損壞檢修時,需要使用250 t以上的起重車輛,拆除消音器和鋼結構,轉軸修復困難,檢修作業復雜,工作量大。
在風機高振動時,通過振動信號分析,先確認存在轉子不平衡故障。這時,可以應用轉子現場動平衡技術解決,一般3～4 h即可完成。引風機先后10多次進行了現場動平衡,11C0301裂解爐引風機的振動烈度一度達到14 mm/s,實施現場動平衡后僅為4 mm/s。
3.3 改進設備的潤滑性能
良好的潤滑是設備運轉的基本條件。大型機組的潤滑油每月采樣,進行實驗室分析,每季度送第三方進行全面指標分析;普通機泵通過PPM計劃安排定期清洗、換油。
2010年起,乙烯壓縮機主推瓦溫度長期居高不下,經過多方面分析,發現潤滑油在軸瓦處高溫結焦,形成的漆膜降低了潤滑油的潤滑作用。對此,在油樣分析時增加了MPC漆膜指數分析,并且對通過外置式脫漆膜機三機潤滑油箱進行長期外循環。另外,還配備了過濾加油機、脫水循環機、潤滑油外置電加熱器等專用設備。對于重要電機和風機等油脂潤滑的軸承,加裝了自動補脂器,以保障軸承潤滑的可靠性。
4 結語
轉動設備的完整性與設計、制造、操作等環節密切相關。針對設備生命周期中出現的各類問題,充分利用各種管理平臺和方法,積極采用先進的技術手段,通過細致的分析研究(RCFA、CI等方法),采取針對性的措施,消除故障隱患,防范嚴重設備事故的發生,以提高設備的機械完整性和運行可靠性,保障裝置的安全連續運行。
張江平， 盛均發
上海賽科石油化工有限責任公司
來源：超級石化
