一起軸流壓縮機(jī)振動間歇波動故障分析與處理

瞿 雷 侯新軍 金 穎 張建峰 廖與禾

（西安陜鼓動力股份有限公司)

0 前言

大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備廣泛應(yīng)用于冶金、石化、電力及能源等領(lǐng)域，作為工廠關(guān)鍵的動設(shè)備，其是否安全、穩(wěn)定、高效運行，將直接影響到企業(yè)的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。為降低機(jī)組維護(hù)、檢修費用，提高機(jī)組利用率，各工廠的設(shè)備檢修模式已由傳統(tǒng)的定期檢修、事后檢修向基于機(jī)組運行狀態(tài)的檢修模式逐漸轉(zhuǎn)變[1]。伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)的日益發(fā)展與成熟，以遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備為載體的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測技術(shù)憑借其實效性強(qiáng)、特征信息全面、響應(yīng)速度快、故障定位效率高等優(yōu)勢[2]，深受廣大設(shè)備管理者青睞。

本文主要針對國內(nèi)某化工企業(yè)硝酸裝置中軸流壓縮機(jī)出現(xiàn)的間歇性振動波動故障，利用遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺對故障現(xiàn)象進(jìn)行精密分析與診斷，定位故障源并提供排查、檢修措施，有效地提高了設(shè)備檢修效率，保證了該機(jī)組的安全、穩(wěn)定運行。

1 機(jī)組概況

該軸流壓縮機(jī)為西安陜鼓動力股份有限公司生產(chǎn)的全靜葉可調(diào)式軸流壓縮機(jī) （型號為AV40-15），采用水平剖分的一體式結(jié)構(gòu)，支承軸承直接安裝在下機(jī)殼上。該軸流壓縮機(jī)的主要特性參數(shù)如表1所示。整個硝酸裝置的低速軸系部分由軸流壓縮機(jī)、尾透、齒輪箱組成，各單機(jī)間均采用剛性聯(lián)軸器連接，該機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng) （S8000）總貌圖低速軸系部分如圖1所示。

表1 軸流壓縮機(jī)的主要特征參數(shù)

圖1 硝酸裝置遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的低速軸系部分

圖2 軸流壓縮機(jī)振動間歇波動趨勢

2012年3月7日至6月13日，軸流壓縮機(jī)處于連續(xù)運行狀態(tài)，振動十分平穩(wěn)。自2012年6月16日啟機(jī)、平穩(wěn)運行一段時間后，軸流壓縮機(jī)開始出現(xiàn)間歇性振動波動現(xiàn)象 （見圖2）。在工藝系統(tǒng)參數(shù)無明顯變化的條件下，軸流進(jìn)氣側(cè)的振動由14μm、15μm 突變至74μm、51μm （停機(jī)值80μm），軸流排氣側(cè)振動亦存在明顯突變。軸流壓縮機(jī)的振動間歇性波動已經(jīng)嚴(yán)重影響到用戶的機(jī)組安全運行及正常生產(chǎn)，陜鼓遠(yuǎn)程監(jiān)測中心通過遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺對此次故障進(jìn)行精密分析、診斷，解決了該軸流壓縮機(jī)的振動故障。

2 振動特征及原因分析

2.1 振動特征譜圖分析

軸流壓縮機(jī)自6月16日啟動后至6月29日期間，先后發(fā)生過5次間歇性波動。在穩(wěn)定工況下，對比軸流壓縮機(jī)振動波動前、后的振動頻譜和軸心軌跡等特征 (見圖3～圖5)，可以看到有如下一些特點。

圖3 波動前進(jìn)氣側(cè)的頻譜特征

（1）振動突變前，進(jìn)氣側(cè)以工頻 （X）為主，含少量二倍頻 （2X）及0.34倍頻 （0.34X），排氣側(cè)的主要激振頻率與進(jìn)氣側(cè)類似。振動突變后，進(jìn)氣側(cè)振動以低頻為主，0.34X處的能量尤其突出，工頻、二倍頻基本不變，排氣側(cè)振動與進(jìn)氣側(cè)變化相似，但波動幅度較小。

圖4 波動后進(jìn)氣側(cè)的頻譜特征

圖5 波動前、后進(jìn)氣側(cè)的軸心軌跡

（2）振動突變前，進(jìn)氣側(cè)軸心軌跡的重復(fù)性一般，形狀近似 “橢圓狀”，但偏心率較大，伴隨著輕微的軸頸渦動與動靜摩擦征兆，初相點相對位置基本穩(wěn)定；振動突變后，轉(zhuǎn)子的軸頸在軸承中晃動，轉(zhuǎn)子初相點的相對位置呈現(xiàn)不規(guī)則、劇烈變化狀態(tài)。

從軸流的激振頻率特征變化分析 （見表2），波動前激振頻率以工頻為主，伴隨著較小比例的分倍頻，波動后激振頻率主要集中在0.34X處，分倍頻 （0.34X）處的能量比例高達(dá)60%，軸流壓縮機(jī)的振動波動屬于一起典型的低頻振動故障。該轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速約為2500 r/min(0.32X～41.6 Hz)，說明軸流振動波動頻率與轉(zhuǎn)子一階固有頻率比較接近，易激發(fā)轉(zhuǎn)子的共振模態(tài)，這屬于典型的轉(zhuǎn)子低頻自激振動故障特征，符合此類振動特征的故障有氣流激振或油膜渦動 （油膜振蕩）兩種可能[3-4]。

表2 突變前后的進(jìn)氣側(cè)激振頻率特征對比 （單位：μm）

2.2 現(xiàn)場實驗分析

氣流激振和油膜渦動都屬于自激振動，兩者引起的振動特征在很多方面是相似的。油膜渦動故障的突出特點是與轉(zhuǎn)速及潤滑參數(shù)有關(guān)，氣流激振故障的突出特點是與機(jī)組所帶負(fù)荷有關(guān)[4]。為確定軸流振動波動的性質(zhì)，建議現(xiàn)場通過調(diào)節(jié)潤滑油溫或轉(zhuǎn)速，觀察其變化對軸流振動波動的影響。由于軸流振動突變后振動幅值較高且逼近停機(jī)值，現(xiàn)場擔(dān)心潤滑油溫調(diào)節(jié)過程較慢無法對波動產(chǎn)生快速影響，最終采取了調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的實驗方式。

在工藝系統(tǒng)基本穩(wěn)定的條件下，軸流的出口壓力為0.3 MPa，送風(fēng)流量為60 372 Nm3/h，機(jī)組基本在設(shè)計工況區(qū)域運行。從軸流振動波動產(chǎn)生的過程分析，其振動上漲具備突發(fā)性，短時間內(nèi)振動值增長約20～50μm不等。每次當(dāng)軸流出現(xiàn)波動后，在保持負(fù)荷基本不變的條件下，現(xiàn)場將軸流轉(zhuǎn)速從7875 r/min降低到7760 r/min，經(jīng)過短暫時間后振動快速回落到原先的振動水平，軸流的振動波動被有效抑制。由此可見，轉(zhuǎn)速變化對于轉(zhuǎn)子的振動波動影響顯著，說明油膜渦動是引起轉(zhuǎn)子振動波動的主導(dǎo)因素[5]。從多次振動波動發(fā)生的時刻分析，軸流振動波動具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，說明存在不穩(wěn)定的擾動力是誘發(fā)油膜渦動的主要原因之一。

3 故障排查

綜合上述的分析，可以初步確診軸流風(fēng)機(jī)的振動波動主要是由油膜渦動引起的。引起油膜渦動的因素較多，大致可以歸納為軸承穩(wěn)定性不足和過大的外界擾動力等兩個方面。因此排查、治理故障的措施應(yīng)從提高軸承穩(wěn)定性、減小外界振動力等兩方面著手[6-7]。重點應(yīng)檢查軸流壓縮機(jī)支承軸承的安裝情況，轉(zhuǎn)子與定子部件的各級間隙，并確認(rèn)是否存在明顯碰磨現(xiàn)象。

通過檢查發(fā)現(xiàn)，第14級部分靜葉O形圈已老化，靜葉出現(xiàn)松動，松動后的靜葉與轉(zhuǎn)子存在明顯的摩擦現(xiàn)象，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。另外，進(jìn)氣側(cè)軸承的頂間隙達(dá)到0.25 mm，已經(jīng)達(dá)到技術(shù)要求的上限值，且比投運之初的值明顯增大。由此說明，由于機(jī)組長時間運行，進(jìn)氣側(cè)軸承已由橢圓瓦向圓瓦轉(zhuǎn)變，使得軸承穩(wěn)定性降低，發(fā)生油膜渦動乃至油膜振蕩的可能性增加。

最后，通過更換部分松動的靜葉O形圈消除了動靜部件的碰磨現(xiàn)象，同時研磨了進(jìn)氣側(cè)軸瓦的中分面以縮小頂隙，從而提高了進(jìn)氣側(cè)軸瓦穩(wěn)定性及抗擾動能力。在完成上述檢修及整改工作后，機(jī)組重新組裝，然后試車。在工作負(fù)荷下，軸流壓縮機(jī)的振動值整體保持在較低水平，其中進(jìn)氣側(cè)振動約為12μm，排氣側(cè)振動為17μm，四個測點的振動均十分平穩(wěn)。圖6所示為該機(jī)檢修后連續(xù)運行約半個月的振動狀況，由圖可見，軸流壓縮機(jī)未再出現(xiàn)劇烈的波動現(xiàn)象，振動波動現(xiàn)象完全消除。

圖6 檢修后的軸流壓縮機(jī)振動狀況

4 結(jié)束語

綜合分析軸流振動波動的特點、檢修結(jié)果和最后的試車情況可知，轉(zhuǎn)子與部分靜葉摩擦產(chǎn)生的擾動激振力是引起波動的直接原因，而進(jìn)氣側(cè)軸承頂隙偏大導(dǎo)致軸承穩(wěn)定性不足、抗擾動能力差，也是導(dǎo)致此次故障不可忽視的因素。

油膜渦動作為一種低頻自激振動故障，其治理措施從減小擾動激振力與提高軸承穩(wěn)定性兩方面著手可以取得十分顯著的效果，這對于提高機(jī)組檢修效率、縮短機(jī)組停機(jī)時間、減少用戶經(jīng)濟(jì)損失有著十分重要的意義。

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