摘 要：上海赛科石油化工有限责任公司烯烃工厂有500多台透平、压缩机、风机、泵等各类转动设备。文章以案例的形式对设备运行周期各类转动设备出现的故障原因进行了分析,并采用一系列先进管理系统和技术解决相应的问题,从而提高了转动设备的机械完整性和运行可靠性,确保装置安全、连续、长周期运转。

关键词：转动设备 故障率 可靠性 设备管理

上海赛科石油化工有限责任公司(以下简称赛科)烯烃工厂拥有1.19 Mt/a乙烯裂解分离(ETU)、155 kt/a烯烃转换(OCU)、800 kt/a汽油加氢(GTU)、620 kt/a芳烃抽提(AEU)、110 kt/a的1#丁二烯(BEU-1)、90 kt/a的2#丁二烯(BEU-2)6套生产装置,覆盖蒸汽透平、离心压缩机、螺杆压缩机、往复压缩机、风机、搅拌器及各类泵设备,共计约500台转动设备(其中各类泵设备353台,泵用蒸汽透平15台)。这些设备的机械完整性直接关系着各装置的持续运行安全,文章对各转动设备的故障原因进行分析,并提出解决措施,以期提高设备的运行水平。

1 转动设备故障及原因分析

转动设备在生命周期中的故障率基本符合浴盆曲线理论,文章介绍了多种类型的设备失效案例,并对转动设备的各类故障进行阐述和分析。

1.1 初期故障

在设备安装运行初期,由于设计选型、设备制造质量、安装质量、操作不熟练等多方面因素,容易造成设备故障频发。

1.1.1 设备制造质量

设备制造质量包括轴承、密封、蜗壳、叶轮等各部件的加工质量问题,在试车或开车初期表现突出。

案例1。裂解炉风机:赛科一期项目有9台裂解炉引风机,2004—2005年风机单试和试运行阶段,其中7台风机振动剧烈,振动烈度超过14 mm/s,并致使2台风机转轴损坏。开车初期的每个月都需要抢修风机,振动信号分析均发现风机存在明显的轴承缺陷频率。

拆检发现,风机出厂时安装的两端轴承型号均为SKF 23232CC W/33。审查制造厂设计图纸发现,风机驱动端和非驱动端轴承型号分别是止推轴承SKF 23232CC W/33和支撑轴承SKF C3232。由于在驱动端也使用了双列圆柱止推轴承,在裂解炉运行的高温烟气造成转轴热膨胀时,限制了转子的轴向膨胀。而径向轴承C3232是一种特殊设计的滚动体为“鼓形”的径向滚动轴承,有很好的调心作用,不限制轴的径向窜动。此后,9台风机的轴承统一更换为进口原装SKF C3232/C3新型CARB轴承,各裂解炉风机的轴承可以稳定运行8年以上。

案例2。工艺水泵11P1601A/B:设计为一开一备,轴功率128 kW,转速1 475 r/min,额定流量285 m³/h,扬程106 m。从2005年投用后,B泵先后多次发生故障,轴头叶轮装配部位开裂。

经过与制造厂交流分析可知:蜗壳加工中的流道缺陷,造成泵运行时持续振动,导致断轴。随后采取了更换蜗壳和提高转轴材质的措施,泵得以正常运行。

1.1.2 设备设计选型、选材不当

案例3。废碱装置湿式氧化往复式空气压缩机:制造厂为GEMINI(美国),机型为D604-4,转速999 r/min,4级排气温度设计值分别为103 ℃、139 ℃、143 ℃、132 ℃。气阀选用HOERBIGER公司CT阀型,主要适用于高速、有油润滑压缩机。2005年装置开车初期,气阀频繁损坏,压缩机每周联锁停车检修2次以上。对气阀进行拆解分析发现,气阀表面严重积炭。原装气阀阀片为MT非金属材料,适用的工作温度为120～150 ℃。该压缩机工作时,实际排气温度接近150 ℃,特别是在环境温度较高时,排气温度会超出MT的耐温范围,致使阀片软化并粘住弹簧,气阀失效。将阀片材料改为PK材料后,气阀工作寿命达到5个月以上。

案例4。某公司新增2套90 kt/a丁二烯生产装置,其中包括30台离心泵。在2014年8—12月的单试和试运行阶段,泵和电机振动、密封和油封泄漏等故障频繁发生,泵检修达26台次,电机检修17台次。对此进行针对性分析研究,并采取相应对策:10台泵原来选用的某型轴承架,其油封严重漏油,原为迷宫压盖设计,研究后全部更换为机械油封;大量电机振动偏高,重新进行动平衡处理;检查出基础二次灌浆镂空,进行处理后,重新对中校验。

1.2 中期故障

设备运行中期,除了发现的偶发性故障外,还应对周期性、重复性的故障进行主动分析和处理。

1.2.1 实际运行条件与设计存在偏差

案例5。废碱液储罐撇油泵:流量1 m³/h,扬程70 m,用于抽出废碱储罐上层的黄油。设计选型为单螺杆泵,单泵间歇运转。在运转中,由于液位控制失准,实际介质为大量的废碱,而且经常性抽空。螺杆泵内胶套被碱液腐蚀,导致泵频繁失效抢修,平均每年检修18次。经过调研,更换为合适的耐腐蚀旋壳泵,效果很好。

1.2.2 工艺操作不当

案例6。急冷区SLOP罐液下泵:为立式液下泵,设计介质为含水废烃,急冷区换热器、过滤器等排液到该SLOP罐。由于大量焦粉积聚在罐底,泵运转时充填到叶轮、口环、轴套、平衡鼓等部位,致使叶轮及流道堵塞,最终导致部件严重损坏。

统计表明,该泵平均每年解体检修5次,累计维修费用达到200万元,为此进行过多次机械结构改进,但是效果不佳。通过对工艺和操作的深入研究,发现急冷油排焦罐进行清焦作业时,冲洗油中的大量焦粉是导致叶轮口环、轴套磨损的主要因素。对此采取了相应的改进措施:一是降低泵的插入深度,减少泵过流部件吸入焦粉;二是在SLOP罐前加装过滤器,减少大块焦粉入罐,从而使泵每年检修降至1～2次。

1.3 晚期故障

在设备寿命晚期,故障率会上升,主要原因为:轴承、机械密封、转子等部件的疲劳损坏;介质对叶轮、蜗壳流道的冲刷和腐蚀,介质在叶轮和流道的聚合或垃圾积聚;壳体、螺栓、支撑等外部腐蚀。对这些原因进行具体分析,通过详细的设备台账统计分析,采取主动开展预防性维护,轴承、皮带等部件更换,设备报废更新等相应措施。

2 转动设备先进管理方法的应用

2.1 MTBR和MTBF

MTBR为平均检修间隔时间,MTBF为平均故障间隔时间。在烯烃工厂战略目标分解的积分卡中,以MTBR、MTBF作为机械完整性的衡量指标,以提升工艺安全管理水平。

MTBR=机泵总台数×12/连续12个月累计检修台数,反映了设备维修的平均时间间隔。

MTBF=机泵总台数×12/连续12个月累计故障检修台数,反映了设备故障维修的平均时间间隔。

影响这两个指标的因素包括:工艺设计与运行、制造质量、安装和检修质量、备件质量以及设备疲劳损坏等。较高的MTBR指标值,意味着较低的检修频次、设备资产损失和维护成本;较高的MTBF指标值可以减少设备故障检修的各种风险,降低装置的意外停车事故,提高装置运行的连续性和安全性。

2022年某烯烃工厂机泵设备的MTBF为144,意味着每台设备平均144个月才发生1次故障检修。

2.2 设备管理软件系统

除了传统的管理办法外,为了提高转机的机械完整性,推广应用了多个辅助管理系统。

生产信息系统(PI):一系列基于Server和Client的程序,用来自动收集、存储工厂的生产信息。PI常用作企业级程序继承和开发的平台,成为底层生产和办公室之间的一个主要链接。除了分散控制系统(DCS)操作监控外,设备管理人员可以随时通过PI系统查询当前运行信息,在故障发生后检查和分析历史参数。

旋转设备运行时间监测管理系统(TBM):基于PI参数,对运行时间和设备维护进行管理和报表统计的软件。该系统提供设备运行时间监测周报,统计分析机泵设备连续运行时间(超限计算)、连续停运时间、机泵切换分布;基于各类机泵的特性和工艺特点,制定机泵的周期性预防维护(PPM)周期。

2.3 APM-Meridium资产可靠性分析软件系统

协助设备工程师回顾所有设备历史维护记录,制定和优化相关设备的检维修策略,以提升工厂的设备完整性。结合SAP企业管理系统,推进以可靠性为中心的维护工作(系统层级)和FMEA设备层级的维护策略制定。

完善设备关键等级评估,结合以上多种辅助手段,合理安排检修维护资源,从而提高设备完整性,提高MTBF、MTBR指标值。

2.4 故障根源分析

对于重大设备故障、周期性设备故障以及导致装置非计划停车的设备事故,组织调查团队进行故障根源分析(RCFA)调查讨论。开展头脑风暴,寻找出设备故障的关键因素,查出物理原因、人为因素、系统原因和附加发现项等,提出行动项/建议项,建立故障树,最终形成完整的RCFA分析调查报告。

案例7。乙烯分馏塔循环泵11P2401A/B/C:二开一备,正常双泵运行时电流为72%左右。A/C泵运行时,巡检发现C泵乙烯物料从机械密封处大量外漏,紧急停泵切换到A/B泵运行。停泵后可见C泵盘车不动,进行解体检修,发现C泵的轴承严重磨损,蜗壳、叶轮口环摩擦咬死。

设计中C泵由总管流量低自启,因此该泵在前次非计划停车后重新开车时自启动运转。在较长一段时期,A泵电流93%,C泵电流35%,严重偏流。调查团队进行的RCFA分析表明:物理原因是P4201C泵内物料(低温液相乙烯)的气化和气阻;人为因素是泵启动操作排气不充分;系统原因是电流在DCS画面显示不直观,操作人员未能及时发现;另外还发现DCS画面泵驱动电机的电流显示单位不统一。对以上各种因素制定相应的建议项和行动项,在形成RCFA分析调查报告后,定期跟踪落实。

2.5 持续改进(CI)和变更管理(MOC)

CI是企业的核心价值观之一,通过推进持续改进的项目或行动,推动关键绩效指标逐年提高。CI运用鱼骨图等工具,采用“七步法”分析解决设备故障问题,并定期进行CI成功案例展示。

对于RCFA、CI分析后的解决措施和行动项,通过MOC程序落实具体改进项目。烯烃工厂转动设备的MOC机械改进典型项目如下。

(1)屏蔽泵:芳烃装置原屏蔽泵故障频发,10年间累计检修高达100台次,备件维护费用达到200万元,并两度造成非计划停车。研究发现主要原因是轴承材料不适合目前工况,为此对19台屏蔽泵实施了MOC换型。

(2)雨水池液下泵:由于大量垃圾进入水池,导致液下泵严重损坏。乙烯装置南、北2个雨水池各设6台液下泵,5年内检修高达72台次,检修备件费用达到60万元。为此,通过MOC程序把多台液下泵更换为真空自吸泵。

(3)机械密封改进:对于频繁泄漏失效的机械密封进行MOC/CI改进,累计50套。

3 先进技术的应用

3.1 投用转动设备状态监测系统

对所有的设备进行了关键性评价,把设备划分为S、1、2、3、4等5类,依据不同的评价结果,采用相应的监测措施。其中,S类的乙烯三机、丁二烯压缩机和其他1类大型机组,配备了完整的机器保护系统(MMS)及Bently DAQ+SYSTEM1数据存储和分析系统,具有诸如频谱分析、轴心轨迹、瀑布图等分析功能。对于2、3类设备,定期进行离线振动检测,包括频谱分析、冲击能量包络分析功能。

Bently为大型机组提供季度远程分析报告,当某一监测参数异常时,SYSTEM1会自动推送报警邮件。如果机组状态异常,根据需要提供远程诊断报告。

2021年,根据高危泵整治和C/D区机泵监测的需要,为流程中的重要机泵增设了容知机泵无线监测诊断系统,极大地提高了机泵预测维修能力,并防止机泵恶性事故的发生。该系统具有全天候看护功能,及时准确地预判设备潜在故障。

案例8。裂解气压缩机11C2000M:2018年大修后,机组运行正常。中压缸轴振动趋势分3个阶段:大修结束至2019年4月底,最大轴振动为12～25 μm;4月底到6月底逐步上升到38 μm;7月维持在32～38 μm。

BENTLY SYSTEM1的振动信号分析显示高振动的原因是转子动平衡不良。结合压缩机的历史运行状态,判断是裂解气结焦导致压缩机振动高,采取加大洗油量和引进甲苯作为洗油的措施后,压缩机振动得到大幅缓解,一直维持运行到2023年大修。

案例9。汽油泵11P5510A:2023年12月11日,容知无线振动监视系统在后台通过大数据分析统计,发现11P5510A运行异常。泵端速度趋势近期显著上升,时域波形中未见明显冲击,频谱中可见叶片通过频率的幅值突出。建议核实近期工艺参数是否调整,有无抽空气蚀现象,择机检查过滤器是否堵塞,及时切换清洗过滤器,避免泵高振动引起密封、轴承的损坏。

案例10。裂解气压缩机主油泵透平:现场巡检发现主油泵透平出现异声,在监测的振动频谱和包络图上,DE轴承BPFO、BPFI的缺陷特征明显,检修发现滚动轴承滚道大量凹坑。

3.2 裂解炉引风机转子现场动平衡

裂解炉风机工作温度为80 ℃左右,烧焦时温度为180 ℃,裂解炉检修时停止运转。裂解炉标高40 m,风机转子组质量为2 030 kg。早期在风机损坏检修时,需要使用250 t以上的起重车辆,拆除消音器和钢结构,转轴修复困难,检修作业复杂,工作量大。

在风机高振动时,通过振动信号分析,先确认存在转子不平衡故障。这时,可以应用转子现场动平衡技术解决,一般3～4 h即可完成。引风机先后10多次进行了现场动平衡,11C0301裂解炉引风机的振动烈度一度达到14 mm/s,实施现场动平衡后仅为4 mm/s。

3.3 改进设备的润滑性能

良好的润滑是设备运转的基本条件。大型机组的润滑油每月采样,进行实验室分析,每季度送第三方进行全面指标分析;普通机泵通过PPM计划安排定期清洗、换油。

2010年起,乙烯压缩机主推瓦温度长期居高不下,经过多方面分析,发现润滑油在轴瓦处高温结焦,形成的漆膜降低了润滑油的润滑作用。对此,在油样分析时增加了MPC漆膜指数分析,并且对通过外置式脱漆膜机三机润滑油箱进行长期外循环。另外,还配备了过滤加油机、脱水循环机、润滑油外置电加热器等专用设备。对于重要电机和风机等油脂润滑的轴承,加装了自动补脂器,以保障轴承润滑的可靠性。

4 结语

转动设备的完整性与设计、制造、操作等环节密切相关。针对设备生命周期中出现的各类问题,充分利用各种管理平台和方法,积极采用先进的技术手段,通过细致的分析研究(RCFA、CI等方法),采取针对性的措施,消除故障隐患,防范严重设备事故的发生,以提高设备的机械完整性和运行可靠性,保障装置的安全连续运行。

张江平， 盛均发

上海赛科石油化工有限责任公司

来源：超级石化