裂解炉风机故障分析及改造

常建朝

（福建古雷石化有限公司化工一部，福建漳州 529600）

0 引言

裂解炉风机是乙烯装置的关键设备，一般设置在裂解炉顶部的框架上，采用引风式，为裂解炉燃烧器提供充足的助燃空气。风机的运行状态关系到裂解炉的安全平稳运行，风机故障停机，裂解炉必须停车。某公司100 万吨/年乙烯装置扩能改造项目中，新增裂解炉风机初始运行1 个月便出现声音异常、振动值变大、频谱异常等故障信号，导致裂解炉被迫停车。

1 风机概况

该风机是上海某公司生产，结构为单吸入离心式，进气口水平、排气口垂直朝上。支撑方式为前后双支撑，前后端轴承均为SKF 1226M/C3。润滑方式为脂润滑，转速控制方式为变频电机调节，结构如图1 所示，设计参数见表1。

表1 风机设计参数

图1 风机结构

2 故障特征

风机连续运行时间28 d，后端出现异常持续噪声；前后端轴承箱振动值均增大，后端轴承垂直振动比故障前增加4 倍；后端温度也有所升高。检查轴承润滑情况良好。具体振动和温度测量数据（表2、图2）。

图2 风机故障前后对比

表2 故障前后状态数据

3 故障分析

3.1 轴承频谱分析

在出现故障特征后，采用频谱仪在后端轴承箱进行采样分析，分析结果见图3 频谱图，采样转速764 r/min。查阅SKF 轴承手册，1226M/C3 相关参数如下：

Number of Balls/Rollers n：21

Ball/Roller Diameter d：0.9375

Pitch Diameter of Races D：7.090

Contact Angle（Degrees）α：7.3

则图3 中12.74 Hz 为风机的转频。频谱图除了转频，还出现了111 Hz 的频率，并且出现了非常明显的系列谐波，且幅值超过了转频的幅值。该频率111 Hz 接近轴承外圈的故障特征频率BPO。估初步推断，该风机后端轴承外圈存在故障。

图3 风机后端轴承频谱

3.2 轴承拆解检查

从轴承拆解情况可见，后端外圈外侧滚道有连续剥落，内侧滚道有磨痕，但无麻点、无压痕、无剥落，手感光滑；一个滚珠有剥落情况，其余滚珠有压痕；内圈未见明显痕迹，一侧有滚动痕迹，且偏内圈中心位置。另外一侧滚道未见明显缺陷。

根据以上现象推断如下：

（1）该轴承连续运行1 个月，滚动体和轴承外圈有剥落情况，在润滑良好的情况，如此短时间的剥落一般由过载或轴承选型不当引起。

（2）内圈滚动痕迹明显偏向一侧，另外一侧滚道无明显痕迹，内圈单列滚子受力明显偏大，通常是轴向力偏大引起。

图4 轴承拆解

（3）轴承外圈的剥落也外侧一列的滚道上，而另一侧滚道上，除了磨痕，无可感知的缺陷。也可印证该轴承承受了较大的轴向力。

3.3 轴承寿命校核[1]

3.3.1 径向载荷计算

转子重量G＝3000 kg，重心如图5 所示。

图5 径向载荷

后端径向载荷Fr1＝10.29 kN，方向朝下。

前端径向载荷Fr2＝19.11 kN，方向朝下。

3.3.2 轴向载荷计算[2]

负值方向朝向出口端（前端），其中D 是叶轮吸入口直径0.9 m，d 是叶轮轮毂直径0.2 m，P2是叶轮入口口压力-2060 Pa，P1是叶轮出口压力200 Pa，Qm是入口体积流量203 451 kg/h，V是入口流速127 m/s。

3.3.3 当量动载荷计算

查阅SKF 轴承手册得知e＝0.19[3]。

其中，Y2查询SKF 轴承手册为5.1[3]，因前后端轴承选型相同，Fr取径向载荷最大值19.11 kN。

3.3.4 轴承基本寿命核算

其中C 为基本额定动载荷，查询SKF 轴承手册C＝127 kN[3]；n 为转速，n＝960 r/min；ε 为寿命指数，球轴承ε＝3。

综上述，该风机轴承基本寿命只有480 h，严重低于3 年，该轴承选型不当。

3.4 轴膨胀量核算

根据上述分析，风机轴承承受较大的轴向载荷，现对风机在热态下的轴向膨胀量进行核算，以核实轴承是否存在附加轴向力。风机正常运行介质温度120 ℃，烧焦期间介质温度200 ℃，则风机轴的膨胀量：ΔL＝βLΔT＝6.6 mm。

其中β 为热膨胀系数，轴的材料为45#钢，则β＝12.32E-6；L为轴的长度；ΔT 为温差变化，常温20 ℃到烧焦状态下，ΔT＝200-20＝180 ℃。

根据以上计算，轴在热态下的膨胀量达到6.6 mm，而该轴承无轴向游隙，这将使轴承承受很大的轴向力。

3.5 轴承故障原因

通过以上分析，轴承故障的原因是该轴承额定寿命仅为480 h，严重低于3 年的要求，且轴存在较大轴向膨胀，使轴承承受了额外的附件轴向载荷。最终导致该轴承过载，轴承滚道和滚动体表面剥落，而发生轴承损坏。

4 风机轴承改造

针对轴承故障原因的分析，对该风机轴承按以下方案进行改造：

（1）风机前端轴承改为SKF23026CC/W33，经计算该轴承满足3 年的额定寿命[1-3]。

（2）风机后端轴承改为C3026，该轴承允许的轴向位移可达16.5 mm[3]，完全满足轴的膨胀量。

（3）将原轴承箱更换为与新轴承相匹配的轴承箱SN3026。

（4）原轴承箱中心高150 mm，新轴承箱中心高125 mm，增加24 mm 厚垫板焊接在旧轴承箱底座上，垫板表面加工，并与新轴承箱对应位置加工4-M24 螺纹孔，以便轴承箱与底座连接。

5 结语

通过采用频谱分析和轴承拆解检查，分析出风机轴承故障可能存在的原因。继而对轴承寿命进行核算、对轴的热膨胀量进行核算，证实了轴承故障的原因是选型错误和承受了额外的轴向载荷。为此提出了有针对性的改造方案，将原前后端轴承1226M/C3进行更换，前端采用SKF 23026CC/W33，后端采用C3026，并更换了与轴承相匹配的轴承座等部件。彻底解决了风机轴承振动问题，为乙烯装置裂解炉的平稳、安全运行提供了保障。