聚丙烯轴流泵叶轮侧轴承故障分析

任新广，胡雅男，苗海滨，李 刚，王香华，崔 涛

（中国石油大港石化公司，天津 300280）

0 引言

环管反应器轴流泵是大港石化公司年产10 万吨的聚丙烯装置的关键设备。新鲜丙烯进入第一环管反应器R201，聚合物浆液的密度通过调节该反应器的丙烯量控制。环管反应器结构简单，采用低温碳钢材料。带夹套的反应器直腿部分可作为反应器框架的支柱，降低了投资。采用冷却夹套撤出反应热，单位体积的传热面积大，环管反应器的总体传热系数高达1600 W（/m·2℃）。环管反应器内的聚合物浆液使用轴流泵高速循环，流体流速达7 m/s，使聚合物浆液混合均匀，催化剂体系分布均匀，聚合反应条件容易控制而且可以控制得很精确，产品质量均一，不容易产生热点、不容易粘壁，轴流泵的能耗较低。轴流泵P201 安装在环管底部水平位置，为介质提供循环动力。轴流泵为装置的关键设备，其运行稳定性直接影响整个装置的平稳运行。

1 设备概况

聚合反应器R201 轴流泵P201，型号为AH10M，介质为丙烯及其聚合物（70 ℃），冲洗方案为PLAN32+53C+52 系统。轴流泵结构如图1 所示，外部轴承箱侧为离线振动测量部位。

图1 轴流泵结构

2 故障描述

2.1 DCS 监测与控制

11 月1 日13：20，P201 冲洗丙烯（PLAN32）出现波动，由806 kg/h 降至485 kg/h，13：26 恢复至805 kg/h；P201 轴功率发生波动，13：20 由146.8 kW 升至155 kW，13：25 恢复至147.8 kW；P201 轴承箱垂直方向振动波动（图2）。

图2 DCS 趋势图

发现冲洗丙烯量发生波动后，结合轴功率的变化，判断在冲洗口处发生聚合反应，为防止聚合物聚集采取措施：①调整冲洗量，由原来的800 kg/h 提高至850 kg/h（11 月1 日波动后，未再发生波动）；②加强对泵轴功率的监控（轴功率11 月1 日波动后，未再发生波动）；③对泵体加强状态监测（监测发现轴承箱垂直方向振动缓慢上升）。

2.2 离线外部轴承箱侧振动监测

11 月1 日外部轴承箱侧垂直方向振动值由1.5 mm/s 升高至2.5 mm/s，11 月5 日监测发现P201 外部轴承箱侧垂直方向振动值4.5 mm/s，6 日试运时监测振动值5.09 mm/s。现场有明显杂音。

3 振动频谱分析

（1）轴流泵侧轴承支撑结构：叶轮侧为滚动轴承NU1022，其故障特征频率见表1；外侧轴承箱为滑动轴承。

表1 NU1022 轴承故障特征频率（转速频率按24.96 Hz 计算）

如图3～图5 所示，测试频谱分析成分复杂，主要体现在：①转速24.96 Hz的频率成分及其倍频；②230.2 Hz 频率成分及其倍频；③230.2 Hz 及460.3 Hz 的转速频率24.96 Hz 边带频率。经计算分别为NU1022 滚动体特征频率115.1 Hz 的2 倍及4 倍频率。

图3 230.2 Hz 频率成分及其倍频，大量24.96 Hz 边带频率

图4 460.3 Hz 频率成分及24.96 Hz 转速边带

图5 24.96 Hz 频率成分及其倍频

（2）分析与讨论：振动测试部位在外侧轴承箱位置，该处为轴瓦支撑结构，一般情况下该部位出现故障会产生转速24.96 Hz的频率成分及其倍频，大量的非转速频率成分的出现，再结合轴承特征频率计算，判断为叶轮处NU1022 轴承滚动体故障。

4 拆检及维修处理情况

拆检NU1022 轴承故障与振动频谱分析一致。

（1）介质侧机封丙烯冲洗唇封处存在聚合物（图6）。

图6 介质侧机封丙烯冲洗唇封处存在聚合物

（2）叶轮侧轴承NU1022 滚动体局部损伤及轴承内圈局部表面轻微脱落（图7）

图7 滚动体局部损伤及内圈局部表面轻微脱落

（3）密封油带水，油路焊口有水迹（图8）。

图8 密封油带水，油路焊口有水迹

处理措施：①更换介质侧机封轴承，大气侧机封；②对冲洗丙烯管口进行检查，确认其通畅；③对密封油路进行油洗，对油冷器进行试压堵漏。

5 检修后振动监测情况

检修后于11 月8 日轴流泵P201 启动，检测各点振动正常，密封油压及油位稳定。振动最大为泵驱动端水平方向0.8 mm/s。且轴承故障频率230.2 Hz、460.3 Hz 等特征频率消失（图9）。

图9 检修后24.96 Hz 频率成分及其倍频

6 分析与讨论

由于该部位离振动测试部位较远，判断起来有一定难度和风险，修理需要停工，但如果是轴承故障就有可能抱轴导致故障扩大或进一步发展成事故的风险。拆检发现聚丙烯浆料进入机封冲洗唇封处，并在此堆积，与轴发生摩擦，轴运行平衡被破坏后，叶轮侧支撑的圆柱滚子轴承产生故障。

（1）轴流泵侧振动异常原因及改进措施。11 月1 日，机封冲洗丙烯量突然下降，导致少量聚丙烯浆料进入机封冲洗唇封处，并在此堆积，与轴发生摩擦，轴运行平衡被破坏后，对主要对轴起径向支撑的圆柱滚子轴承转动部件产生冲击，造成一定缺陷。在轴承的周期运行下，缺陷不断变大，泵的振动值逐渐上升。

改进措施：提高P200 冲洗丙烯量至450 kg/h，P201、P202冲洗丙烯量至900 kg/h。

（2）PLAN53C 系统密封油带水问题及改进措施。循环水通过油冷器密封油进行冷却，正常运行期间，密封油压力为4.0 MPa，循环水压力0.6 MPa，但当反应器降压时密封油压会降至0.6 MPa左右，循环水从焊口进入密封油中。

改进措施：反应器降压时，将密封油系统隔离压力改为1.0 MPa，使密封油和循环水存在一定压差。

7 结语

对于振动分析不能直接测量的管线内的支撑轴承，可通过测量外置轴承箱部位振动值来判断。轴承故障产生振动通过转子长轴传导到外置轴承箱部位，再进一步通过振动频谱分析得到验证。本次案例可为今后状态监测工作提供一定的参考。