膨脹機(jī)軸頸振動(dòng)大的原因分析及處理

呂云輝

(云天化集團(tuán)呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021506)

云天化集團(tuán)呼倫貝爾金新化工有限公司空分裝置進(jìn)口膨脹機(jī)組(設(shè)備位號(hào)B01401A+ET01401A)增壓端軸頸振動(dòng)(位號(hào)VI01409A)自2013年8月以來(lái)一直偏大，并且呈現(xiàn)逐漸上漲的趨勢(shì)。雖然機(jī)組進(jìn)行了幾次檢修，但振動(dòng)值偏大的問(wèn)題一直存在。2016年3月，膨脹機(jī)增壓端軸頸振動(dòng)上漲至25.6 μm，已超過(guò)報(bào)警值(25 μm)；2016年5月，上漲至28.4 μm，幾乎接近聯(lián)鎖值(29 μm)。為了不影響后續(xù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，曾經(jīng)將聯(lián)鎖跳車(chē)值分別設(shè)置為31 μm和 33 μm，但是升速過(guò)程中軸頸振動(dòng)逐漸上漲，伴隨著推力軸承溫度升高，只能降轉(zhuǎn)速減負(fù)荷運(yùn)行，給機(jī)組以及后續(xù)系統(tǒng)長(zhǎng)周期滿負(fù)荷運(yùn)行帶來(lái)了極大的隱患。因此，解決該設(shè)備軸頸振動(dòng)大的問(wèn)題就顯得尤為必要。

1 設(shè)備介紹及工作原理

該進(jìn)口膨脹機(jī)組由法國(guó)Cryostar公司生產(chǎn)制造，是為氣體分離裝置配套的機(jī)組，主要為整個(gè)空分裝置提供冷量。機(jī)組由透平膨脹機(jī)，油站，底座，小冷箱，部分油、水、氣管路等組成。進(jìn)口膨脹機(jī)為臥式布置，一端為增壓端，另一端為膨脹端，中間為軸承箱，其結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

1.膨脹端擴(kuò)壓器 2.膨脹端蝸殼 3.膨脹端葉輪 4.噴嘴組件 5.轉(zhuǎn)子 6.軸承箱7.增壓端葉輪 8.增壓端擴(kuò)壓器 9.增壓端蝸殼圖1 進(jìn)口膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)示意

該機(jī)組工作原理是利用有一定壓力的氣體在膨脹機(jī)內(nèi)進(jìn)行絕熱膨脹對(duì)外做功消耗氣體本身的內(nèi)能，從而使氣體自身強(qiáng)烈地冷卻達(dá)到制冷的目的。即壓縮空氣軸向進(jìn)入增壓葉輪，在其內(nèi)加速增壓，進(jìn)入擴(kuò)壓器減速后進(jìn)一步增壓，在蝸殼內(nèi)匯集排出，經(jīng)換熱器冷卻降溫后，壓縮氣體從膨脹端經(jīng)可調(diào)噴嘴葉片通道徑向進(jìn)入膨脹葉輪做功后，從膨脹端進(jìn)行絕熱膨脹，壓縮氣體再經(jīng)擴(kuò)壓室從出口軸向迅速排出，利用氣體迅速膨脹降溫產(chǎn)生大量冷量, 滿足空分裝置對(duì)冷量的需要。該進(jìn)口膨脹機(jī)設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 進(jìn)口膨脹機(jī)設(shè)備參數(shù)

增壓端葉輪和膨脹端葉輪裝在同一根軸上組成轉(zhuǎn)子，兩者轉(zhuǎn)速相同，膨脹端所產(chǎn)生的膨脹功由主軸另一端的增壓葉輪吸收利用，以提高增壓氣體的壓力。轉(zhuǎn)子為雙懸臂式結(jié)構(gòu)，依靠軸承支撐在機(jī)身上，膨脹端葉輪采用三元流閉式葉輪，增壓端葉輪采用三元流開(kāi)式葉輪。

支撐軸為止推徑向一體軸承，軸承采用強(qiáng)制供油潤(rùn)滑，軸承溫度由鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量。為了防止膨脹端葉輪膨脹前的氣體和增壓端葉輪增壓后的氣體泄漏，在膨脹端葉輪和增壓端葉輪與輪蓋上設(shè)置了迷宮密封。在靠近2個(gè)葉輪的軸上也分別設(shè)置了一段迷宮密封(兩端的氣封盤(pán))使泄漏量最小，膨脹機(jī)密封內(nèi)充有常溫密封氣(干燥空氣)，以防止膨脹機(jī)內(nèi)低溫氣體向外泄漏，其壓力由減壓閥控制膨脹機(jī)啟動(dòng)前，密封氣由儀表氣供給，啟動(dòng)后密封氣自身提供。采用先投密封氣，再投潤(rùn)滑油的方式，防止?jié)櫥瓦M(jìn)入氣路系統(tǒng)。

2 振動(dòng)原因分析

該進(jìn)口膨脹機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的因素較多，如裝配、平衡、松動(dòng)、摩擦及工藝原因等各個(gè)方面。根據(jù)對(duì)該機(jī)組近年來(lái)的檢修與分析，最后將分析重心集中到了以下幾個(gè)方面，并逐一排查。

2.1 故障問(wèn)題分析

(1) 儀表探頭故障

經(jīng)儀表專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)檢查振動(dòng)探頭無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)測(cè)振探頭進(jìn)行校驗(yàn)檢查正常，振動(dòng)探頭狀況良好，因此可排除儀表探頭故障引起的振動(dòng)。

(2) 軸承系統(tǒng)故障[1]

軸承系統(tǒng)故障振動(dòng)現(xiàn)象較多，如支撐系統(tǒng)松動(dòng)、間隙不符合要求、油膜渦動(dòng)等，在運(yùn)行及檢修中進(jìn)行了仔細(xì)的檢查分析，發(fā)現(xiàn)軸承可傾瓦塊活動(dòng)靈活，瓦面及瓦背無(wú)明顯磨損失效的痕跡，裝配情況較好；軸承座未見(jiàn)異常現(xiàn)象，軸承間隙均符合檢修要求。因此可排除油膜渦動(dòng)的可能。以上現(xiàn)象表明，絕大部分典型軸承系統(tǒng)故障均沒(méi)有出現(xiàn)，因此可以排除由軸承系統(tǒng)所引發(fā)的不良振動(dòng)。

2.2 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡

(1) 轉(zhuǎn)子共振[2]

對(duì)任何一個(gè)彈性物體來(lái)說(shuō)，在受到一個(gè)短暫的外力作用時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象。對(duì)固定的物體來(lái)說(shuō)，都有一定的振動(dòng)頻率(每分鐘振動(dòng)的次數(shù))，叫固有自振頻率。這個(gè)自振頻率與物體的支撐方式、尺寸大小、材料的彈性等因素有關(guān)。對(duì)一定的膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子，它也有固定的自振頻率。

如果外界加給物體的力是周期性的，并且這個(gè)外力的頻率與物體的自振頻率相同，則振動(dòng)會(huì)不斷加劇，這種現(xiàn)象稱為“共振”。對(duì)于旋轉(zhuǎn)式機(jī)械，當(dāng)轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子的彈性變形，相當(dāng)于不斷給轉(zhuǎn)子加一個(gè)周期性的外力，這個(gè)外力的頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有關(guān)。如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的自振頻率相同，則振動(dòng)將加劇，這個(gè)轉(zhuǎn)速稱作“臨界轉(zhuǎn)速”。在設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速應(yīng)遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速，以免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，工作轉(zhuǎn)速與實(shí)際臨界轉(zhuǎn)速相近，則轉(zhuǎn)子振動(dòng)會(huì)很?chē)?yán)重，使膨脹機(jī)無(wú)法正常工作。由共振造成的膨脹機(jī)振動(dòng)，往往在試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生，并且隨著轉(zhuǎn)速的變化，振動(dòng)的幅度變化較大。由表1可知，該機(jī)組工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速，因此可排除由轉(zhuǎn)子的共振引起的振動(dòng)。

(2) 葉輪表面有附著物

在2014年9月檢修作業(yè)中，增壓端葉輪葉片表面、輪蓋表面有一薄層灰塵，清理后進(jìn)行了回裝，開(kāi)車(chē)后振動(dòng)有所下降，但在后續(xù)運(yùn)行中，振動(dòng)依然上漲；在2015年9檢修作業(yè)中，再次發(fā)現(xiàn)增壓端葉輪表面、輪蓋表面較臟，隨后檢查了入口過(guò)濾器，發(fā)現(xiàn)入口過(guò)濾器內(nèi)部有大量焊條及雜質(zhì)，內(nèi)壁較臟，在清理后用氮?dú)膺M(jìn)行了吹掃。2016年7月檢修時(shí)未發(fā)現(xiàn)增壓端葉輪表面、輪蓋表面有附著物。因此，增壓端葉輪表面的附著物可能會(huì)引起機(jī)組軸頸振動(dòng)的增大。

(3) 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡

在2016年7月機(jī)組大修中，更換了膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子，檢修完成后試車(chē)良好，增壓端振動(dòng)控制在 9 μm 以內(nèi)。舊轉(zhuǎn)子送到動(dòng)平衡廠家檢查發(fā)現(xiàn)，存在一定的動(dòng)不平衡，并重新做了動(dòng)平衡，轉(zhuǎn)子在動(dòng)平衡機(jī)架上的振動(dòng)速度小于1.0 mm/s，滿足使用要求。

2.3 其他問(wèn)題

(1) 潤(rùn)滑油品質(zhì)

對(duì)2013年8月到2016年5月膨脹機(jī)潤(rùn)滑油(美孚DTE846)月度檢驗(yàn)報(bào)表進(jìn)行了抽檢，潤(rùn)滑油的黏度、閃點(diǎn)、酸堿值、水分和機(jī)械雜質(zhì)均合格(見(jiàn)表2)，并未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。因此可排除潤(rùn)滑油品質(zhì)不良引起的振動(dòng)。

表2 進(jìn)口膨脹機(jī)潤(rùn)滑油月度檢測(cè)情況

注：水分、機(jī)械雜質(zhì)均未檢出

(2) 動(dòng)、靜部件摩擦

在2014年9月的進(jìn)口膨脹機(jī)大修中，發(fā)現(xiàn)增壓端葉輪葉片與輪蓋有毛刺(見(jiàn)圖2、圖3)，說(shuō)明機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，葉輪葉片與輪蓋存在摩擦。檢修人員對(duì)葉輪與輪蓋的毛刺進(jìn)行了修復(fù)處理，檢修完成后振動(dòng)雖然有所下降，但下降不明顯，后期增壓端振動(dòng)繼續(xù)上漲。因此可斷定增壓端軸頸振動(dòng)增大是由葉輪葉片與輪蓋摩擦引起的。

圖2 增壓端葉輪摩擦示意

圖3 增壓端輪蓋摩擦示意

(3) 膨脹機(jī)內(nèi)出現(xiàn)液體

當(dāng)膨脹機(jī)內(nèi)溫度過(guò)低而出現(xiàn)氣體液化時(shí)，液體被甩至葉輪外緣，溫度升高，又急劇汽化，會(huì)使壓力大幅度波動(dòng)，造成膨脹機(jī)振動(dòng)。經(jīng)查閱機(jī)組溫度發(fā)現(xiàn)，溫度一直穩(wěn)定在要求范圍內(nèi)，因此可排除膨脹機(jī)內(nèi)出現(xiàn)液體引起的振動(dòng)。

(4) 增壓端喘振

實(shí)際運(yùn)行中，增壓端未在喘振區(qū)，防喘振閥門(mén)一直處于關(guān)閉狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行平穩(wěn)。因此可排除機(jī)組喘振引起的振動(dòng)。

(5) 密封失效

在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)膨脹端結(jié)霜嚴(yán)重，很有可能密封損壞。在2016年7月的機(jī)組大修中，發(fā)現(xiàn)膨脹端噴嘴支撐環(huán)內(nèi)部整圈沖刷嚴(yán)重，密封墊片斷裂，膨脹機(jī)膨脹端固定板沖刷三處(見(jiàn)圖4)，與密封配合處，沖刷區(qū)域長(zhǎng)30 mm、寬4 mm、深2 mm。因此，可判斷密封泄漏造成機(jī)組在升速加負(fù)荷的過(guò)程中膨脹端軸頸振動(dòng)上漲，進(jìn)而誘發(fā)增壓端軸頸上漲。由于增壓端遠(yuǎn)離膨脹端，所以增壓端的軸頸振動(dòng)值高于膨脹端，并且轉(zhuǎn)子會(huì)竄向增壓端，造成增壓端推力軸承溫度升高，而密封墊片斷裂導(dǎo)致密封失效，造成機(jī)組振動(dòng)加劇。

圖4 膨脹端固定板沖刷示意

通過(guò)以上各方面因素的分析與排查，可以得出引起進(jìn)口膨脹機(jī)增壓端軸頸振動(dòng)上漲的主要原因?yàn)樵鰤憾巳~輪葉片與輪蓋摩擦、膨脹端密封失效以及轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡。

3 解決措施及實(shí)施效果

在2016年7月的機(jī)組大修中，更換了膨脹端密封墊片(材質(zhì)更換為改性聚四氟乙烯)、噴嘴支撐環(huán)、以及轉(zhuǎn)子(包含主軸和增壓端葉輪、膨脹端葉輪)。備用轉(zhuǎn)子返廠修復(fù)，派專人前往高速動(dòng)平衡廠家監(jiān)督檢驗(yàn)整個(gè)動(dòng)平衡工作，確保達(dá)到技術(shù)要求。

在實(shí)施以上改進(jìn)措施以后，該進(jìn)口膨脹機(jī)于2016年7月15日進(jìn)行了試車(chē)，各項(xiàng)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求(見(jiàn)表3)。

表3 改進(jìn)后進(jìn)口膨脹機(jī)試車(chē)參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)2016年7月的大修，針對(duì)空分裝置進(jìn)口膨脹機(jī)增壓端軸頸振動(dòng)較大的問(wèn)題，找出了引起軸頸振動(dòng)大的主要因素，并有針對(duì)性的進(jìn)行了改進(jìn)，最終使得該故障得到徹底解決，為裝置的平穩(wěn)運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的支撐。

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