PTA裝置空壓機(jī)組振動(dòng)原因分析及解決措施①

楊 超

(中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司)

TC-201空氣壓縮機(jī)組是天津石化PTA裝置的關(guān)鍵設(shè)備，該機(jī)組為四級(jí)離心式壓縮機(jī)，由蒸汽透平機(jī)TB-1132、壓縮機(jī)TC-201和尾氣膨脹機(jī)TB-1131三機(jī)組組成，它為氧化反應(yīng)提供所需的空氣。機(jī)組自2008年檢修以來(lái)，在啟停機(jī)過(guò)程中頻繁出現(xiàn)VI-1262軸承振動(dòng)高報(bào)警問題，給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)了安全隱患。經(jīng)過(guò)查閱資料、運(yùn)用S8000在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)空壓機(jī)組運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合分析，找出了軸振動(dòng)高的根本原因，并采取了機(jī)組在線動(dòng)平衡的解決措施，保證了機(jī)組的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 TC-201機(jī)組簡(jiǎn)介

TC-201空氣壓縮機(jī)組，靠氧化反應(yīng)產(chǎn)生的尾氣和自產(chǎn)蒸汽，通過(guò)尾氣膨脹機(jī)TB-1131和蒸汽透平機(jī)TB-1132來(lái)驅(qū)動(dòng)(開車時(shí)用外供蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng))，額定流量為99 660Nm3/h，最大額定軸功率為11 550kW(其中蒸汽透平機(jī)輸出功率為8 150kW，尾氣膨脹機(jī)輸出功率3 400kW)。

蒸汽透平機(jī)和尾氣膨脹機(jī)通過(guò)齒輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)四級(jí)離心式壓縮機(jī)(結(jié)構(gòu)形式為H型)，壓縮機(jī)通過(guò)一個(gè)大齒輪軸接受驅(qū)動(dòng)力(齒輪軸通過(guò)鼓膜式聯(lián)軸器連接)，再傳遞給兩個(gè)小齒輪軸，小齒輪軸的兩端分別裝有一個(gè)三元開式葉輪，每個(gè)葉輪即為一級(jí)，分別為壓縮機(jī)的一、二級(jí)和三、四級(jí)，逐級(jí)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，達(dá)到工藝要求，調(diào)節(jié)方式為進(jìn)氣導(dǎo)葉調(diào)節(jié)。機(jī)組振動(dòng)測(cè)點(diǎn)共有28個(gè)，具體分布如圖1所示。

2 TC-201機(jī)組檢修情況

2008年機(jī)組解體檢修，TB-1132轉(zhuǎn)子清洗、送杭州汽輪機(jī)廠進(jìn)行低速動(dòng)平衡試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不平衡量340kg,∠30°左右，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行處理，在低壓端增加了一顆配重螺釘，高壓端去除殘余量。大修以后，TC-201機(jī)組在幾次啟停車過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)VI-1262振動(dòng)偏高，啟機(jī)過(guò)程中一度報(bào)警，最高值達(dá)到110μm(聯(lián)鎖停機(jī))，后采取壓縮機(jī)升壓?jiǎn)?dòng)，視振動(dòng)情況調(diào)整PC-1260閥的開度，控制機(jī)組壓力，達(dá)到工作轉(zhuǎn)速后仍然在55μm之上運(yùn)行，對(duì)機(jī)組的整體穩(wěn)定運(yùn)行造成了隱患。

2009年針對(duì)機(jī)組VI-1262測(cè)點(diǎn)振動(dòng)問題進(jìn)行停機(jī)檢修，在降壓停車過(guò)程中VI-1262出現(xiàn)聯(lián)鎖停機(jī)。檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)VI-1262間隙超標(biāo)、磨損，VI-1266 、VI-1267薄壁瓦磨損，檢修更換了VI-1262 、VI-1266 、VI-1267 3塊軸瓦，找正數(shù)據(jù)全部符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)組試車過(guò)程中， VI-1262A振動(dòng)125μm、VI-1262B振動(dòng)115μm，機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)。再次啟動(dòng)采取壓縮機(jī)升壓?jiǎn)?dòng)，視振動(dòng)情況調(diào)整PC-1260閥的開度，控制機(jī)組壓力，在啟動(dòng)的過(guò)程中，VI-1262A振動(dòng)達(dá)到85μm出現(xiàn)報(bào)警，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到4 410r/min時(shí)，VI-1262A振動(dòng)65μm、VI-1262B振動(dòng)55μm，升壓達(dá)到0.9MPa時(shí)，機(jī)組振動(dòng)趨于穩(wěn)定。

圖1 機(jī)組結(jié)構(gòu)及振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

3 TC-201機(jī)組振動(dòng)綜合分析

振動(dòng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見故障，引起機(jī)組振動(dòng)的原因也是多方面的，根據(jù)查閱相關(guān)資料[1]，將振動(dòng)原因分類如下：

a. 轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)；

b. 軸系不對(duì)中引起的振動(dòng)；

c. 滑動(dòng)軸承與軸頸偏心引起的振動(dòng)；

d. 零部件松動(dòng)引起的振動(dòng)；

e. 摩擦(如密封件摩擦、轉(zhuǎn)子與定子摩擦等)引起的振動(dòng)；

f. 滾動(dòng)軸承損壞引起的振動(dòng)；

g. 滑動(dòng)軸承油膜渦動(dòng)和油膜振蕩引起的振動(dòng)；

h. 空氣動(dòng)力和水力等原因引起的振動(dòng)；

i. 軸承座剛度不對(duì)稱引起的振動(dòng)。

針對(duì)TC-201機(jī)組VI-1262軸系振動(dòng)高的問題，曾先后與西安交大、日本三菱、阿爾斯通創(chuàng)維實(shí)多方進(jìn)行交流討論，同時(shí)查閱相關(guān)資料[2]，給出的結(jié)論也各不相同，具體結(jié)論有軸系不平衡、軸承剛性不足、聯(lián)軸器變形及軸系不對(duì)中等問題。

4 精密分析

針對(duì)TC-201機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，參考交流討論結(jié)果，再根據(jù)透平轉(zhuǎn)子單獨(dú)做動(dòng)平衡試驗(yàn)，檢修更換新VI-1262軸瓦、機(jī)組重新找正后振動(dòng)情況，排除軸承磨損、聯(lián)軸器變形、軸系不對(duì)中等原因，初步得出結(jié)論應(yīng)該是軸系不平衡占主導(dǎo)因素。為驗(yàn)證此結(jié)論，需要通過(guò)具體運(yùn)行數(shù)據(jù)并結(jié)合頻譜圖、軸心軌跡、二維全息譜及三維全息譜等圖譜進(jìn)行全面分析。

TC-201機(jī)組的汽輪機(jī)軸系測(cè)點(diǎn)主要由VI-1260A/B、VI-1261A/B、VI-1262A/B、VI-1263A/B 8 個(gè)測(cè)點(diǎn)組成，具體分布如圖 2所示。由于汽輪機(jī)與壓縮機(jī)小齒輪側(cè)采用剛性聯(lián)軸器連接，且兩個(gè)半聯(lián)軸器中間有一根長(zhǎng)達(dá)3m的空心軸，故整個(gè)軸系為一個(gè)細(xì)長(zhǎng)軸系。8個(gè)測(cè)點(diǎn)軸振數(shù)據(jù)見表1。

圖2 機(jī)組振動(dòng)異常測(cè)點(diǎn)位置

測(cè)點(diǎn)部位通道名稱通頻振動(dòng)值μm轉(zhuǎn)頻幅值,相位μm,(°)轉(zhuǎn)速r·min-1汽輪機(jī)軸電機(jī)側(cè)VI-1260A15.148.04,∠14.104408VI-1260B12.166.13,∠122.674408汽輪機(jī)軸聯(lián)軸器側(cè)VI-1261A17.4213.56,∠77.194408VI-1261B12.766.40,∠220.194408壓縮機(jī)小齒輪側(cè)VI-1262A61.8653.58,∠316.794408VI-1262B52.9645.84,∠201.154408壓縮機(jī)大齒輪側(cè)VI-1263A19.3712.04,∠16.164408VI-1263B20.4010.01,∠358.064408

針對(duì)機(jī)組的汽輪機(jī)軸系振動(dòng)問題，筆者有針對(duì)性地截取關(guān)鍵圖譜(圖3～10)。從這些圖譜中分析機(jī)組目前運(yùn)行狀況為：汽輪機(jī)4個(gè)測(cè)點(diǎn)總體運(yùn)行較平穩(wěn)，振動(dòng)通頻值不超過(guò)20μm，頻譜上除工頻外，高倍頻能量居多，機(jī)組存在原始的不平衡和輕微動(dòng)靜部件碰磨。

圖3 測(cè)點(diǎn)VI-1261A/B頻譜圖

圖4 測(cè)點(diǎn)VI-1261A/B原始軸心軌跡與合成軸心軌跡

圖5 測(cè)點(diǎn)VI-1262A/B頻譜圖

圖6 測(cè)點(diǎn)VI-1262A/B二維全息譜

圖7 測(cè)點(diǎn)VI-1262A/B原始軸心軌跡與合成軸心軌跡

圖8 測(cè)點(diǎn)VI-1263A/B頻譜圖

圖9 測(cè)點(diǎn)VI-1263A/B原始軸心軌跡與合成軸心軌跡

圖10 測(cè)點(diǎn)VI-1260A/B、VI-1261A/B、VI-1262A/B、

圖3、4分別列出了 VI-1261A/B 的振動(dòng)頻譜圖和軸心軌跡圖譜。從頻譜圖上可以看出，頻率成分除了包含有不平衡引起的1倍頻外，還包含有 2倍、3倍等高頻成分，頻率成分相當(dāng)豐富，不僅如此，譜圖上還出現(xiàn)次諧波，VI-1261B 頻譜上尤為明顯，約為 1/3 諧波。在合成軸心軌跡上，尖點(diǎn)現(xiàn)象更為突出，因此更加明確除了不平衡故障外，動(dòng)靜摩擦已經(jīng)存在。圖 5為汽輪機(jī)軸靠壓縮機(jī)端測(cè)點(diǎn) VI-1262A/B 的振動(dòng)頻譜圖，諧波能量主要集中于1倍頻(73.5Hz)處，并且在各自的頻譜圖上存在一些高頻成分，在 VI-1262B 頻譜上尤為突出。頻率成分反映到二維全息譜上，可以看出，轉(zhuǎn)頻分量較大，呈橢圓狀，說(shuō)明轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)存在各向異性。同時(shí)，2倍、3倍高頻分量也較為明顯，且 2倍頻橢圓偏心率很大，如圖6所示。綜合以上信息，進(jìn)一步確定轉(zhuǎn)子故障為不平衡，并且?guī)в幸欢康膭?dòng)靜部件碰磨。圖7給出了測(cè)點(diǎn)軸心軌跡圖，從圖中可以看出轉(zhuǎn)子軸心軌跡大致呈橢圓形，并且?guī)в屑恻c(diǎn)，所以進(jìn)一步證明了上述推測(cè)的可實(shí)性。 圖8、9分別列出了 VI-1263A/B 的振動(dòng)頻譜圖和軸心軌跡圖譜，可以看出，工頻振動(dòng)明顯，占主導(dǎo)地位，同時(shí)，高階頻率成分也是相當(dāng)豐富。VI-1263A 頻譜圖存在1/5 次諧波成分，VI-1263B 頻譜圖含有約 1/5 和 1/4 諧波分量。同樣，合成軸心軌跡尖點(diǎn)明顯，VI-1263A/B 測(cè)點(diǎn)的圖譜也證明了以上推斷的正確性。從圖10的三維全息譜可以看出，該軸系存在軸系不平衡，不僅有力分量引起的不平衡，而且還有力偶分量存在，在做降振處理時(shí)，需考慮整個(gè)軸系的振動(dòng)情況，故考慮采用全息軸系動(dòng)平衡法。

經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn) VI-1260、VI-1261、VI-1262、VI-1263 進(jìn)行頻譜、軸心軌跡、二維全息譜、三維全息譜分析，結(jié)合軸系典型故障特征，判斷機(jī)組存在軸系不平衡和輕微動(dòng)靜部件碰磨，需要對(duì)轉(zhuǎn)子做軸系動(dòng)平衡及軸瓦檢查。

5 TC-201機(jī)組振動(dòng)高的解決措施

TC-201 機(jī)組汽輪機(jī)軸振動(dòng)測(cè)點(diǎn)VI-1262A/B 振動(dòng)異常，經(jīng)過(guò)精密診斷確定為軸系不平衡，最后決定制定VI-1262軸系在線動(dòng)平衡方案及解決措施。停機(jī)檢修，對(duì)汽輪軸進(jìn)行在線動(dòng)平衡，同時(shí)更換VI-1262軸瓦。

5.1 檢修方案制定

經(jīng)過(guò)查閱圖紙及現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，在聯(lián)軸器兩端和中間位置，分別預(yù)留24個(gè)M16配重螺栓孔，在圖11中平衡面A(與小齒輪側(cè)相連的半聯(lián)軸器徑向)、平衡面B(中間軸的圓周方向，已預(yù)留平衡孔)、平衡面C(與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子相連的半聯(lián)軸器徑向)位置，可以根據(jù)軸系振動(dòng)情況，選取適當(dāng)位置增加配重，考慮VI-1262A/B振動(dòng)表現(xiàn)突出，決定首選A平衡面處添加配重進(jìn)行單面平衡，視效果再定下一步加重方案。

5.2 尋找物理鍵相

手動(dòng)電盤車找鍵相，利用萬(wàn)用表測(cè)間隙電壓，當(dāng)表值顯示最大值時(shí)，確定物理鍵相的位置。此軸鍵相位置與VI-1262B 傳感器位置重合，用信號(hào)筆在軸上作標(biāo)記，此標(biāo)記是顯示轉(zhuǎn)子物理方位的標(biāo)記，作為確定加重位置的標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 機(jī)組在線動(dòng)平衡

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)分析，綜合考慮軸系平衡問題，根據(jù)現(xiàn)有振動(dòng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。試加重量的計(jì)算公式為：

(1)

式中m——試重，g；

M——轉(zhuǎn)子質(zhì)量，kg；

r——試重安裝半徑，mm ；

X——初始振幅，μm。

試加重量的角度計(jì)算公式為：

β=α+γ-φ+180

(2)

式中α——相位；

β——試重角度；

γ——測(cè)振傳感器與鍵相傳感器的夾角(以鍵相傳感器為起點(diǎn)，逆轉(zhuǎn)向度量)；

圖11 VI-1262軸系平衡面位置

φ——滯后角。

在振動(dòng)相位已知的前提下，試加重量的角度由機(jī)械滯后角確定。試重角度β是指：以鍵相傳感器位置為起點(diǎn)，逆轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)過(guò)β角度。由以上公式及原始振動(dòng)相位，并且根據(jù)轉(zhuǎn)子及支承情況選定滯后角為45°，計(jì)算試重角度。

5.3.1第1次配重(試重)

試重加載以后啟機(jī)，由 500r/min開始升速，發(fā)現(xiàn) VI-1262A/B 的起始振動(dòng)較大，均有32μm 之多，在一階臨界轉(zhuǎn)速 2 200r/min之前， 隨著轉(zhuǎn)速升高，振動(dòng)幅值和相位均沒有大的變化，比較穩(wěn)定；到達(dá)一階臨界時(shí)，幅值上升至 40μm 以上；通過(guò)二階臨界以后，幅值繼續(xù)上升，至 4 300r/min時(shí)報(bào)警，運(yùn)行3min后，振幅降到警線以下，但仍保持很高的幅值。在工作轉(zhuǎn)速為4 410r/min時(shí)，加試重前后各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)作三維全息譜圖如圖12所示。

圖12 加試重 30g∠0°前后各測(cè)點(diǎn)三維全息譜

由圖12可以看出，加試后 VI-1262A/B 測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)值比平衡前有所下降，其他測(cè)點(diǎn)處變化不大，通過(guò)加載試重前后數(shù)據(jù)計(jì)算，進(jìn)行第2次平衡。

5.3.2第2次配重

根據(jù)平衡前后數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得第2次加重量為：84g∠325°。綜合考慮配重面實(shí)際情況，最終定下第2次加重量為：80g∠330°。

經(jīng)過(guò)第2次平衡以后，VI-1262A/B 的振動(dòng)下降很多，達(dá)到理想狀態(tài)，但是軸系的其他測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅值升高，尤其是 VI-1261A/B，其值已經(jīng)接近報(bào)警值，所以第2次平衡很好地解決了 VI-1262A/B 測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)，但是振動(dòng)轉(zhuǎn)移到了軸系的其他測(cè)點(diǎn)，所以還應(yīng)綜合分析軸系的其他測(cè)點(diǎn)部位。

5.3.3第3次配重

考慮到機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況與計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算有一定偏差，所以沒有在其他多點(diǎn)綜合分析研究，而是將在壓縮機(jī)端加載的 80g∠330°稍作調(diào)整，在不至于使 VI-1261A/B 的振動(dòng)上升很高的基礎(chǔ)上，使得VI-1262A/B 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)降低。計(jì)算加重，并進(jìn)行優(yōu)化，最終結(jié)果定為：在壓縮機(jī)端加載60g∠300°，其三維全息譜圖如圖13所示。

5.3.4機(jī)組整體試車

根據(jù)分析VI-1262軸瓦存在輕微碰磨的結(jié)論，配重后對(duì)機(jī)組進(jìn)行了檢修，更換了VI-1262軸瓦，并進(jìn)行嚴(yán)格找正，然后機(jī)組整體試車。VI-1262軸系通過(guò)在線動(dòng)平衡試驗(yàn)處理后，振動(dòng)情況明顯改善。動(dòng)平衡后在啟停機(jī)過(guò)程中，不僅各點(diǎn)振動(dòng)值沒有出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象，而且振動(dòng)值也有明顯降低，尤其VI-1262點(diǎn)特別明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到4 410r/min時(shí)，VI-1262振動(dòng)值A(chǔ)為40μm、B為46μm，VI-1261振動(dòng)值A(chǔ)為50μm、B為35μm；VI-1266A/B、VI-1267A/B振動(dòng)值均在20μm以下，通過(guò)啟停機(jī)圖譜振動(dòng)對(duì)比，在線動(dòng)平衡效果得到肯定。

圖13 加試重 60g∠300°前后各測(cè)點(diǎn)三維全息譜

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)TC-201機(jī)組VI-1262軸承振動(dòng)高的綜合分析，以及采取現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的解決措施，機(jī)組振動(dòng)問題得到有效解決和控制，可以保證機(jī)組在啟停機(jī)過(guò)程中不出現(xiàn)報(bào)警。同時(shí)在整個(gè)分析處理過(guò)程中，總結(jié)了關(guān)于大型機(jī)組檢修、動(dòng)平衡過(guò)程中的注意事項(xiàng)：長(zhǎng)軸系機(jī)組的檢修，不能只對(duì)單獨(dú)部件做動(dòng)平衡，還要進(jìn)行整體在線動(dòng)平衡試驗(yàn)；柔性轉(zhuǎn)子一定要做高速動(dòng)平衡；增加的配重螺栓要點(diǎn)焊，避免長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)脫落；檢修時(shí)，如果沒有安排動(dòng)平衡試驗(yàn)，轉(zhuǎn)子和聯(lián)軸器不要清理衛(wèi)生，否則動(dòng)平衡會(huì)被破壞。

[1] 王江萍.機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)及其應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[2] 王紹艷.工業(yè)汽輪機(jī)技術(shù)問答[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.