循環(huán)氫壓縮機轉子不平衡故障處理

喻迪垚，張 征

（中國石油遼陽石化分公司油化廠，遼寧遼陽 111003）

循環(huán)氫壓縮機轉子不平衡故障處理

喻迪垚，張 征

（中國石油遼陽石化分公司油化廠，遼寧遼陽 111003）

對某裝置的循環(huán)氫壓縮機停機原因進行頻譜分析，認為該壓縮機轉子存在嚴重的不平衡，通過運行工況判斷附著于轉子上的積垢是造成不平衡的主要原因。采取解體檢修、高速動平衡的修復方案，使該壓縮機恢復了使用要求。

循環(huán)氫壓縮機；轉子不平衡；頻譜分析

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.28

0 引言

隨著石油化工領域的快速發(fā)展，離心式壓縮機作為一種重要的氣體輸送設備，由于其具有氣量大、結構簡單緊湊、運轉平穩(wěn)可靠、維修量較少等特點，越來越得到廣泛的應用。離心式壓縮機在長周期運行中，由于各種因素的影響，會使效率降低、能耗增大，嚴重時會影響到壓縮機的正常工作。其中，轉子不平衡是一種典型壓縮機故障，輸送非清潔介質(zhì)的壓縮機長期運行轉子會存在一定程度的積垢現(xiàn)象，局部積垢的脫落會破壞壓縮機的轉子平衡狀態(tài)，主要反應在運行失穩(wěn)和啟動時無法沖擊臨界轉速兩個方面。

1 問題的提出

某裝置反應工段設一臺關鍵設備循環(huán)氫壓縮機，用于反應產(chǎn)氫的循環(huán)。該機組由Elliott公司生產(chǎn)，形式為凝氣式透平離心壓縮機。該機組自裝置投產(chǎn)至今經(jīng)歷兩個檢修周期，本次停產(chǎn)檢修對壓縮機端更換干氣密封，并對其軸竄量、軸承間隙、對中等數(shù)值進行校正，將各項配合參數(shù)調(diào)整至正常指標。機組啟動時，非驅動端測點（1H）軸振動振值較大，為17 μm。經(jīng)1500 r/min暖機20 min后，在沖擊一階臨界轉速時，該振動測點振值超標連鎖停車（84 μm）。機組及測點見圖1。

2 故障分析

2.1 運行工況審查

對該壓縮機運行6 a以來的DCS記錄及起停車記錄進行審查，發(fā)現(xiàn)1H測點振值自2014年起呈緩慢增長趨勢，到停車檢修之前，該數(shù)值由8 μm漲至12 μm，其增長速率緩慢。

2.2 故障頻譜分析

車間配有北京化工大學設備診斷與自愈工程研究中心研制的“大型旋轉機械實時遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)”（BH5000）監(jiān)測系統(tǒng)，用該監(jiān)測系統(tǒng)對壓縮機振動譜線進行分析，非驅動端1H測點的歷史趨勢圖見圖2。

（1）由譜線可見，非驅動端1H測點振動在1000～1500 r/min時提升不明顯，為17.1 μm。主要振動頻率為工頻，夾雜少量2倍頻成分。轉速超過1500 r/min后振值隨轉速緩慢提升，在1階臨界轉速附近（2100 r/min）振值陡然上升，達到84.1 μm連鎖停車。從整個譜線上來觀察振動主導頻率為工頻振動，其他混雜頻率極少，1H端振值隨轉速上升十分明顯。振值隨轉速變化見表1。

圖1 機組和測點

圖2 1H VXK2601歷史趨勢

表1 1H端振值隨轉速變化情況

（2）1H相位角基本保持穩(wěn)定，其數(shù)值在整個運行過程中未發(fā)生劇烈變化，為110°～140°。可以判斷轉子運行基本處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)內(nèi)，基本排除潤滑油膜可能產(chǎn)生的問題以及轉子磨碰的可能性。

（3）軸心軌跡進動方向為正進動，1階臨界轉速區(qū)間軸心軌跡形狀為橢圓形?？刂剖覂?nèi)DCS操作臺參數(shù)顯示軸瓦溫度正常，干氣密封壓力及泄漏量參數(shù)正常，可以基本排除機體內(nèi)部磨碰的情況。

綜上所述，可以得出該壓縮機無法啟動的原因是轉子不平衡所致。

2.3 轉子不平衡故障機理

轉子不平衡是由于轉子部件質(zhì)量偏心或轉子部件出現(xiàn)缺損所造成的故障，它是旋轉機械最常見的故障。離心式壓縮機轉子由于受到材料質(zhì)量、加工技術以及工藝介質(zhì)等因素的影響，其質(zhì)量中心不可避免的會偏移其幾何中心，導致轉子旋轉時形成周期性的離心力，在整個速度范圍內(nèi)總是有每轉一次的明顯相應，在軸承上產(chǎn)生動載荷，使機組振動。據(jù)統(tǒng)計，旋轉機械約有近70%的故障與轉子不平衡有關。當不平衡量超過允許范圍時，機組軸振動便會加大乃至超過允許值，導致機組停車或無法越過一階臨界轉速。設轉子質(zhì)量為M，偏心質(zhì)量為m，偏心距為e，如果轉子的質(zhì)心到兩軸承連心線的垂直距離不為零，具有撓度為a（圖3）。由于存在偏心質(zhì)量m和偏心距e，當轉子轉動時將產(chǎn)生離心力、離心力矩或兩者兼而有之。離心力的大小與偏心質(zhì)量m、偏心距e及旋轉的角速度ω有關，即F=meω2。交變力會引起振動，這就是不平衡引振動的原因。轉子轉動一周，離心力防線變化一個周期，因此不平衡振動的頻率與轉速一致。

圖3 轉子力學模型

3 故障原因分析及處理措施

根據(jù)特征譜線以及所得到的分析，決定對壓縮機進行解體，在拆卸過程中對壓縮機徑向軸承、止推軸承以及干氣密封進行檢查，發(fā)現(xiàn)非驅動端徑向軸承下瓦有部分研磨現(xiàn)象（圖4），止推軸承與干氣密封運行狀態(tài)良好，無磨損痕跡。將壓縮機轉子吊出，發(fā)現(xiàn)壓縮機缸體內(nèi)部隔板、入口導葉積垢嚴重，葉輪表面均勻積垢，吸入口處積垢厚度達3 mm，局部積垢有脫落現(xiàn)象（圖5）。

該壓縮機為循環(huán)氫壓縮機，介質(zhì)為四合一反應器產(chǎn)氫，氫氣經(jīng)產(chǎn)物分離罐送入壓縮機入口。由于使用壽命原因，重整催化劑機械強度下降，粉化的催化劑擔體以及結焦物粉末隨氫氣進入壓縮機。此外，壓縮機主密封氣亦有過帶液現(xiàn)象，液體和催化劑粉末在壓縮機隔板噴嘴以及葉輪吸入口處固化板結。停車檢修時未對轉子進行拆卸，啟動時板結的污垢脫落使轉子形成不平衡量，直接導致轉子無法沖過一階臨界轉速，這便是該壓縮機振動連鎖停車的根本原因。

將轉子送錦州汽輪機廠進行清洗以及高速動平衡試驗，清洗、除垢后測定轉子不平衡量為70 g/mm，根據(jù)計算結果分別在第1、6 級葉輪部位進行去重，測定殘余不平衡量＜10 g/mm，已符合機組運轉要求。將壓縮機進行回裝，重新對軸位移、軸間隙、垂直度、瓦背緊力、密封間隙等關鍵數(shù)值進行標定，均達到合格數(shù)值。壓縮機啟動后1500 r/min暖機20 min，1H端振值為8 μm，越 1階臨界轉速峰值振動為 13 μm，工作狀態(tài)穩(wěn)定。

4 結語

大機組故障診斷對于設備安全運行和維護起著至關重要的作用，根據(jù)典型的故障特征可以對采集的數(shù)據(jù)進行定性分析，全面、系統(tǒng)、及時準確地識別設備的真實運行狀態(tài)。離心式壓縮機轉子不平衡作為一種典型故障，合理的診斷可以直達病灶，明確檢修目標、縮短檢修時間、降低檢修費用，從而從根本上提高設備檢修的質(zhì)量。

圖4 徑向軸承下瓦研磨

圖5 葉輪積垢

［1］高金吉.機器故障診斷及自愈化［M］.北京：高等教育出版社，2012.

［2］楊國安.機械設備故障診斷［M］.北京：中國石化出版社，2007.

［3］王廷俊.氣體壓縮機在石化工業(yè)的應用和發(fā)展［J］.通用機械，2005（3）:8-10+16.

TE964

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〔編輯 凌 瑞〕