膨脹機(jī)振動監(jiān)測與隱患排查研究

劉勝國 潘 賁

（上海石油天然氣有限公司)

0 引言

透平膨脹機(jī)是實現(xiàn)接近絕熱等熵膨脹過程的一種有效設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于氣體液化、低溫分離等過程。在天然氣膨脹制冷回收輕烴工藝裝置中，膨脹機(jī)的等熵效率是一個重要參數(shù)，它直接決定了膨脹機(jī)出口溫度、制冷量、產(chǎn)液量和丙烷回收率等。

利用振動監(jiān)測技術(shù)結(jié)合實際運行實踐，我們及時發(fā)現(xiàn)了故障苗子，預(yù)防了膨脹機(jī)重大損毀事故的發(fā)生。

1 膨脹機(jī)系統(tǒng)

該膨脹機(jī)由美國MAFI公司制造，內(nèi)部主要部件有膨脹葉輪、壓縮葉輪、膨脹輪背密封環(huán)、壓縮輪背密封環(huán)、膨脹側(cè)阻熱器及軸密封環(huán)、壓縮側(cè)軸密封環(huán)、膨脹側(cè)徑向和推力組合式軸承、壓縮側(cè)徑向和推力組合式軸承、轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子內(nèi)部拉桿和兩端的葉輪背帽。

主要附屬系統(tǒng)有潤滑油系統(tǒng)、密封氣系統(tǒng)、軸向推力自動平衡系統(tǒng)。主要儀表監(jiān)測系統(tǒng)有軸徑向振動監(jiān)測、速度監(jiān)測、軸承溫度監(jiān)測、軸向推力監(jiān)測等。上述監(jiān)測系統(tǒng)都有相應(yīng)的顯示、報警和超報自動聯(lián)鎖停機(jī)功能，可自動停機(jī)保護(hù)膨脹機(jī)，以防止極限情況下繼續(xù)運轉(zhuǎn)造成各種損壞。

2 振動監(jiān)測發(fā)現(xiàn)異常

我公司對膨脹機(jī)系統(tǒng)定期進(jìn)行振動監(jiān)測，以便及時監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)可能的異常情況。某日起出現(xiàn)了膨脹端和壓縮端振動產(chǎn)生軸向振動過大的異常情況，通過對膨脹機(jī)的離線和在線振動信號進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：機(jī)組除了表面上振動幅值有所上升外，在線振動所測得的頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，2倍頻和高次諧波的幅值大于1倍的幅值 （故障頻譜如圖1所示）。同時，離線振動頻譜出現(xiàn)比較高的4倍和5倍頻的幅值 （故障頻譜如圖2所示），也從理論上反映出軸瓦和止推面的磨損已比較嚴(yán)重。

圖1 故障頻譜

圖2 故障頻譜

磨損的實際情況必須通過物理解體實際驗證。由于天然氣處理廠擔(dān)負(fù)著非常重要的居民供氣任務(wù)，停機(jī)解體維修必須慎之又慎。膨脹機(jī)運行一直比較正常和平穩(wěn)，軸承溫度、軸向推力等儀表監(jiān)測參數(shù)沒有出現(xiàn)異常，但考慮到該機(jī)組畢竟已運行4萬多小時，尤其是在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)了膨脹端和壓縮端振動產(chǎn)生軸向振動過大的異常情況，加之一段時間來，還出現(xiàn)了一臺潤滑油泵不能正常維持供回油壓差的異?，F(xiàn)象。振動監(jiān)測技術(shù)結(jié)合實際運行情況，使我們發(fā)現(xiàn)了故障苗子，如果不及時解決將導(dǎo)致膨脹機(jī)組更嚴(yán)重的損壞。于是，經(jīng)慎重考慮還是決定解體檢查。

3 解體檢查

解體后發(fā)現(xiàn)兩端軸承推力面磨損比較嚴(yán)重，特別是壓縮側(cè)軸承推力面偏磨非常明顯，而徑向面磨損相對較輕。膨脹端軸承止推面磨損如圖3所示。

圖3 膨脹端軸承止推面磨損

3.1 軸向竄動量的檢查

拆卸轉(zhuǎn)子總成前，打表檢查轉(zhuǎn)子軸向竄動量為0.730 mm，而該轉(zhuǎn)子裝置投運前打表檢查的軸向竄動量為0.279 mm，廠家指導(dǎo)軸向竄動允許范圍是0.254～0.406 mm。這說明經(jīng)過4萬多小時的運行，兩端軸承推力面磨損很嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子軸向竄動量已嚴(yán)重超標(biāo)。該數(shù)據(jù)嚴(yán)重超標(biāo)的后果是：一旦轉(zhuǎn)子由于工況變化而偏向一側(cè)，很容易引起葉輪刮傷蝸殼或葉輪掃膛，最終將造成整個轉(zhuǎn)子總成的損壞和報廢。另外，轉(zhuǎn)子軸向間隙增大，軸承的需油量將相應(yīng)增加，而油泵的供油量隨著運轉(zhuǎn)時間的延長和內(nèi)部磨損或漏失的增加則相應(yīng)減少，這樣很容易造成供油相對不足和供回油壓差難以正常維持的問題。

3.2 軸承徑向間隙的檢查

軸承軸瓦與軸頸徑向間隙經(jīng)打表檢查為0.050 mm，出廠數(shù)據(jù)為0.071 mm，廠家指導(dǎo)間隙范圍為0.066～0.076 mm。之所以測得的數(shù)據(jù)比以前間隙小，一是說明徑向軸承面磨損并不很嚴(yán)重，間隙沒有超標(biāo)；二是由于磨損毛刺影響，測出的數(shù)據(jù)較徑向軸瓦的實際間隙略小。

3.3 轉(zhuǎn)子軸徑的檢查

轉(zhuǎn)子兩端軸承軸頸配合處用千分尺測得軸徑分別為壓縮端 50.76、50.76 mm， 膨脹端 50.74、50.78 mm，而出廠數(shù)據(jù)為50.74 mm，去除毛刺影響所造成的測量誤差，說明軸頸處磨損并不是很嚴(yán)重。

3.4 轉(zhuǎn)子軸間距的檢查

轉(zhuǎn)子端面間距測得數(shù)據(jù)為 177.20、177.54、177.62、 177.53、 177.51、 177.51、 177.14 mm， 而裝置投運前測得的間距為177.46 mm，廠家指導(dǎo)數(shù)據(jù)范圍為177.44～177.49 mm。因為有2處極限數(shù)據(jù)為177.20 mm和177.14 mm，說明轉(zhuǎn)子端面與軸承推力面磨損確實很嚴(yán)重，間距明顯低于廠家指導(dǎo)范圍值，必須經(jīng)過噴鍍等修復(fù)后才能使用。

4 現(xiàn)象與原因分析及實證

從磨損情況來看，兩端軸承推力面磨損比較嚴(yán)重，特別是壓縮側(cè)軸承推力面偏磨非常明顯，而徑向面磨損相對較輕，從軸承磨損印跡來看也沒有金屬過燒現(xiàn)象，這說明所有磨損都是在油膜正常建立的情況下發(fā)生的油液顆粒和金屬間的正常磨損，沒有金屬之間的接觸性硬磨損。這種軸承徑向面的輕度磨損不會造成軸振動過大，油液顆粒與軸承推力面的磨損也不會造成軸承溫度突然升高，此磨損系經(jīng)過長達(dá)4萬小時的油液與銅基軸承推力面的長期磨損造成。根據(jù)上述分析，實際運行過程中所表現(xiàn)的振動和軸承溫度一直維持在正常范圍也就不難理解，而反觀軸承推力面的過度偏磨則有明顯的問題和疑點。既然壓縮端推力軸承嚴(yán)重偏磨，特別是其止推油壓引壓孔已磨沒，實際運行過程中轉(zhuǎn)子就不可能在中間位置而應(yīng)該是偏向壓縮端，壓縮端的止推油壓應(yīng)該大于膨脹端的止推油壓，特別是后來壓縮側(cè)推力引壓孔被磨堵后更不可能再正常維持油壓，而實際運行時止推油壓表顯示的油壓卻一直相近或相等，這種矛盾說明兩端止推油壓相等是假象。這個問題不解決，即使裝上新的膨脹機(jī)總成，同樣還會出現(xiàn)軸承推力面嚴(yán)重偏磨而轉(zhuǎn)子軸向推力平衡系統(tǒng)不起作用并且繼續(xù)給人兩端止推油壓平衡的假象。因此找出軸向推力自動平衡系統(tǒng)所存在的兩側(cè)油壓竄通問題也就顯得非常重要。

根據(jù)兩側(cè)油壓存在竄通可能的分析，系統(tǒng)內(nèi)存在可能竄通的部位有如下兩處：一是推力自動平衡器汽缸內(nèi)活塞環(huán)損壞，造成膨脹和壓縮兩端油壓互竄；二是膨脹側(cè)或壓縮側(cè)止推油壓高壓差開關(guān)正負(fù)壓室膜片破裂，導(dǎo)致膨脹和壓縮兩端油壓互竄。

將推力自動平衡器汽缸及管網(wǎng)組件拆下，通過臨時接管往汽缸內(nèi)一側(cè)引入儀表風(fēng)打壓，沒有發(fā)現(xiàn)另一側(cè)接管漏出氣體的不正常現(xiàn)象，說明汽缸活塞不存在竄通問題，該處疑點被排除。接下來我們就需要驗證膨脹或壓縮側(cè)是否存在問題。將膨脹側(cè)和壓縮側(cè)的止推油壓差開關(guān)拆下，通過校驗臺給壓差開關(guān)的一側(cè)壓室打壓，發(fā)現(xiàn)這兩處壓差開關(guān)均存在另一壓室明顯漏油的竄漏問題。由此可見，由于兩側(cè)油壓已互竄，止推壓力指示平衡只是一個假象，軸向推力系統(tǒng)的平衡功能已完全失效，所以導(dǎo)致止推面的嚴(yán)重磨損。隨后用庫房內(nèi)的備件對這兩個止推油壓差開關(guān)進(jìn)行了調(diào)換。至此，軸向推力自動平衡系統(tǒng)的油壓竄通問題得到了印證和解決。

對軸向推力平衡系統(tǒng)修復(fù)、更換新的組合軸承后投用機(jī)組，在線的軸位移信號頻譜以1倍頻為主，高次諧波的幅值依次遞減，4倍和5倍頻振動分量以及機(jī)組振動幅值也處于正常 （正常頻譜見圖 4）。

圖4 正常頻譜

5 結(jié)語

振動是機(jī)器的脈搏，振動信息反映了機(jī)器的狀態(tài)。振動監(jiān)測提供了我們了解設(shè)備運行狀況的另一種手段。有時設(shè)備系統(tǒng)自帶的各種監(jiān)測儀器可能會提供錯誤或虛假的信息。本案例中，除了發(fā)現(xiàn)膨脹機(jī)潤滑油泵供油不足外，幾乎所有的監(jiān)測信號都無異常，僅僅振動監(jiān)測顯示出有異常。因此，振動監(jiān)測結(jié)合膨脹機(jī)儀表監(jiān)測并對實際運行狀況進(jìn)行綜合分析，才有助于設(shè)備管理者從宏觀上和微觀上了解設(shè)備，更科學(xué)地制訂維修策略和維修計劃，既保證設(shè)備安全可靠的運行，也確保設(shè)備維修的經(jīng)濟(jì)性。