基于状态监测及故障诊断技术的催化主风机机组故障分析

常文波，彭曦，罗倩，曾柏森，向进，胡玲玲

（1.中国石化长城能源化工（贵州）有限公司，贵州 贵阳 550000；2.中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川 成都 610000）

1 背景介绍

动力装备是工业生产中应用最为广泛的机械，一旦动力设备发生故障，不仅会影响设备本身，更会影响整个生产过程的运行，严重时危及人身安全，因此，保障设备安全稳定运行，具有重要的经济和社会价值。

对于动力装备开展设备监测工作意义重大，设备监测与诊断的主要目的是利用运行设备所表现出的各种有效信息，全面地分析其当前的状态，有效地诊断故障类型和部位，科学地预测设备状态发展及维修时间。

2 设备状态监测和故障诊断技术

2.1 设备故障及故障诊断的意义

随着现代化工业的发展，设备能否安全可靠地以最佳状态运行，对于确保产品质量、提高企业生产能力、保障安全生产都具有十分重要的意义。

设备的故障就是指设备从某一零部件的失效引起运行功能丧失。设备的故障诊断则是发现并确定故障的部位和性质，寻找故障原因，预报故障的趋势并提出相应的对策。

2.2 振动监测与故障诊断技术

由于旋转机械在工作过程中会产生振动，当旋转机械出现故障时振动的幅度、频率、方向等信息会发生改变。因此，可以利用振动信息的改变来监测机械运行的情况，通过测振系统对信号采集、存储并通过网络传送到用户终端，最终由客户终端专用分析软件进行分析。

监测与诊断技术是使用精密的仪器和方法，对简易诊断难以确诊的设备做出详细评价的技术。

（1）精密振动诊断的常用仪器设备。精密振动诊断所用的典型仪器设备包括测振传感器、信号传感器、信号记录仪、信号分析与处理设备等几大部分。

（2）机械振动信号的分析方法。机械故障诊断与监测所需的各种机械物理量一般用相应的传感器转换为电信号在进行深处理。对于机械故障的诊断而言，时域分析所能提供的信息量是非常有限的。时域分析往往只能粗略地回答机械设备是否有故障，有时也能得到故障严重程度的信息，但不能提供故障发生部位等信息。

2.3 设备状态监测及故障诊断系统及应用现状

（1）状态监测于故障诊断系统。诊断系统实际上包括两方面的内容：信号分析处理、故障诊断。

信号分析处理的目的是把获得的信息通过一定的方法进行变换处理，从不同的角度提取最直观、最敏感、最有用的特征信息。

故障诊断系统是在状态监测与信号分析处理的基础上进行的。进行故障诊断需要根据状态监测与信号分析处理所提供的能反映设备运行状态的征兆或特征参数的变化情况，以识别设备是在运转正常还是存在故障。如果存在故障，要诊断故障的性质和程度、产生原因或发生部位，并预测设备的性能和故障发展趋势。

（2）状态监测与故障诊断技术应用现状。随着现代化大生产的自动化程度越来越高，设备故障造成的直接、间接的损失也越来越大，设备状态监测和故障诊断越来越显现了在现代化大工业生产中降低维修、运行成本、安全生产，增加企业经济效益所起的重要作用。

3 基于状态监测及诊断系统的案例分析

3.1 设备基本信息

机组运行监测概貌图如图1所示。

图1 机组概貌图

设备信息如表1所示。

3.2 运行概况

XX石化催化主风机机组于2020年6月17日开机，开机过程中各单机振动并未发现异常，6月19日16:34分，主风机振动突然升高，最大值远超连锁停机值，达到180um（报警值106um，连锁值131um）以上，其余振动测点存在不同程度升高，为了确认能否继续开机运行，该石化依托专业人员对主风机机组进行振动分析，状态监测人员通过对烟机、齿轮箱、烟机的分析，推断主风机振动升高是由于主风机转子部件脱落造成的，不能继续开机运行，否则，会对机组造成更为严重的损伤，需要马上进行拆检，根据该结论，公司立即组织检修，拆检后发现主风机叶片断裂，得以及时止损，具体分析如下。

表1

3.3 振动数据分析

主风机振动趋势如图2所示，16:34分左右，主风机四个测点同步突然升高，振动最大值超过180um，振值升高前振动趋势平稳，没有异常现象。

主风机停机过程振动趋势以及1x频幅值相位趋势如图3～5所示，主风机四个测点突然同步升高，在转速从3727r/min降至3573r/min过程中，主风机1x频幅值大幅上涨，振动相位出现大幅度变化，进气侧相位变化172～202度，排气侧相位变化49～57度；同时，主风机振动变化前后，进气侧、排气侧两个测点相位差基本维持在90±20度范围；从停机过程看，在1123～1526r/min，振动趋势上出现一个峰值，同时，相位也存在较明显波动，推断为主风机过临界转速。

图2 进气侧停机过程振动趋势

3.4 诊断结论及检修反馈

（1）分析结论及建议。根据烟机、齿轮箱、主风机的振动分析结果，推断烟机和齿轮箱没有异常，主要是主风机发生故障；根据主风机振动变化的突然性及1x频谱，相位变化趋势，说明主风机动平衡状态发生变化，初步推断主风机转子部件脱落。

建议拆检主风机，检查转子及附件、静叶、密封等；如叶片存在断裂，需要对动、静叶做进一步无损探伤检。

（2）检修反馈。拆检后发现主风机转子断叶片，如图6所示。

3.5 故障原因分析

图3 进气侧停机过程1x频幅值相位趋势

图4 排气侧停机过程振动趋势

图5 排气侧停机过程1x频幅值相位趋势

图6 主风机转子断叶片

主风机叶片的断裂模式多为疲劳断裂，预防措施如下：（1）加强平稳操作，避免喘振、逆流、阻塞等危险工况发生。（2）改进叶型尺寸，通过加厚加宽，降低应力，提高抗弯强度。（3）选择耐腐蚀材料，或叶片表面涂防护层，减少叶片腐蚀坑点的发生。（4）定期在大修时，对叶片做无损检测，防止有损伤的叶片进入下一个运行周期。

4 结语

本文基于状态监测及故障诊断技术对主风机振动异常突升的情况进行精密分析，及时、正确、有效地对设备的各种异常或故障状态作出诊断，预防或消除故障；同时，对设备的运行维护进行必要的指导。确保可靠性、安全性和有效性，制定合理的监测维修制度，保证设备发挥最大设计能力，同时，在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长其服役期及使用寿命，降低设备全寿命周期费用，通过检测、分析、性能评估等，为设备修改结构、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。