多軸齒輪式壓縮機(jī)振動(dòng)分析及處理

張虎　柴育鵬　溫義斌　胥經(jīng)輝　趙強(qiáng)

【摘 要】文章以?xún)?nèi)蒙古伊泰煤制油公司空分車(chē)間空壓機(jī)組跳車(chē)事故為依托，結(jié)合增壓機(jī)檢修狀況，尋找引起增壓機(jī)振動(dòng)波動(dòng)的主要原因。增壓機(jī)檢修回裝后，開(kāi)車(chē)過(guò)程正常，各項(xiàng)指標(biāo)均在控制范圍內(nèi)，運(yùn)行穩(wěn)定。為同類(lèi)設(shè)備的維護(hù)提供參考。

【關(guān)鍵詞】增壓機(jī)；振動(dòng)；分析；處理

【中圖分類(lèi)號(hào)】TH452 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）04-0182-02

內(nèi)蒙古伊泰煤制油公司52 000 Nm3/h空分裝置空壓機(jī)組由德國(guó)MAN TURBO制造的DK080/170R型汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，高低壓端分別驅(qū)動(dòng)增壓機(jī)、空壓機(jī)壓縮空氣做功。機(jī)組自2009年開(kāi)車(chē)以來(lái)總體運(yùn)行平穩(wěn)，性能良好，能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求。2017年10月，未見(jiàn)其他征兆，增壓機(jī)二級(jí)軸振動(dòng)值突然增大到聯(lián)鎖值跳車(chē)。下面結(jié)合增壓機(jī)在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)故障原因進(jìn)行探討。

1 事故經(jīng)過(guò)

2017年10月17日，增壓機(jī)二級(jí)葉輪軸承振動(dòng)由18 μm緩慢升高，中控人員隨即緩慢關(guān)小其入口導(dǎo)葉，但振動(dòng)依然持續(xù)升高，直至聯(lián)鎖值46 μm跳車(chē)。對(duì)此，采納MAN透平工程師及業(yè)內(nèi)專(zhuān)家建議，拆卸檢查增壓機(jī)二級(jí)葉輪。檢查葉輪安裝數(shù)據(jù)良好，著色檢查葉輪無(wú)明顯裂紋及機(jī)械損傷，系統(tǒng)管道支撐剛性正常。

2017年10月19日機(jī)組檢查完畢回裝后開(kāi)車(chē)，暖機(jī)升速過(guò)程正常，但在機(jī)組沖轉(zhuǎn)過(guò)臨界后，調(diào)速器下限達(dá)4 547 rpm運(yùn)行1 min后二級(jí)振幅發(fā)生緩慢升高，3分鐘后振幅升至聯(lián)鎖值46 μm跳車(chē)?；诖?，決定對(duì)增壓機(jī)二級(jí)葉輪、氣封、軸承，齒輪箱及換熱器等關(guān)聯(lián)部件進(jìn)行全面檢查。發(fā)現(xiàn)二級(jí)氣封碳環(huán)保持架和油封均有不同程度摩擦，軸瓦緊固件存在局部緊力不足現(xiàn)象，軸承進(jìn)油孔處有白色顆粒物，一級(jí)級(jí)間換熱器進(jìn)氣噴嘴處翅片有大量沖刷跌落情況。對(duì)上述部件進(jìn)行清理修復(fù)后回裝并進(jìn)行機(jī)組油洗，24 h后油洗合格。

2017年10月23日機(jī)組開(kāi)車(chē)，暖機(jī)升速過(guò)程均正常，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后運(yùn)行正常。結(jié)合陜鼓狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)良好。

2 故障分析

增壓機(jī)二級(jí)振動(dòng)升高至46 μm達(dá)到聯(lián)鎖保護(hù)值跳車(chē)。在機(jī)組降速過(guò)程中，轉(zhuǎn)速達(dá)到3 800 rpm時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)振動(dòng)異常升高，3 200 rpm時(shí)振動(dòng)升高至249 μm，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值63 μm。結(jié)合機(jī)組裝配數(shù)據(jù)，判斷其振動(dòng)值已接近軸瓦間隙圓，動(dòng)靜部位發(fā)生摩擦導(dǎo)致振動(dòng)異常升高。拆解后發(fā)現(xiàn)以下故障：？譹？訛葉輪背面軸頸與碳環(huán)密封一級(jí)保持架處摩擦嚴(yán)重，摩擦接近1/4圓周，且碳環(huán)密封定位銷(xiāo)斷裂2處。？譺？訛迷宮密封有摩擦痕跡，但因其材質(zhì)為鋁質(zhì)，磨損相對(duì)較輕。？譻？訛軸瓦拆卸時(shí)，一側(cè)軸瓦固定銷(xiāo)松動(dòng)，可輕易拔出，且軸瓦緊固螺栓存在掉力矩情況，瓦枕緊固螺栓卡澀較嚴(yán)重。？譼？訛與軸瓦配合軸頸處有嚴(yán)重劃痕，軸瓦進(jìn)油孔處有白色硬質(zhì)顆粒物，初步懷疑為結(jié)晶。？譽(yù)？訛一級(jí)換熱器翅片損傷較多，堆積于換熱器殼程內(nèi)。換熱器列管破損1根。換熱器翅片破損如圖1所示。

結(jié)合拆解后情況判斷，增壓機(jī)二級(jí)振動(dòng)升高的原因?yàn)檩S承緊固力矩掉導(dǎo)致轉(zhuǎn)子/軸承系統(tǒng)剛度下降。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速臨界區(qū)域ωcr下移至1/2 Ω范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生了2x激勵(lì)。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剛度對(duì)臨界轉(zhuǎn)速的影響如圖2所示。

由于二級(jí)葉輪轉(zhuǎn)子運(yùn)行在臨界轉(zhuǎn)速以上，運(yùn)行轉(zhuǎn)速Ω=14 787 rpm，ωcr=8000～12 000 rpm。從拆解情況看，軸承緊固力矩較安裝時(shí)降低，即軸承系統(tǒng)剛度降低。由轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速公式ωcr可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剛度下降時(shí)，剛度值K每下降1%，轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速ωcr下降10%。轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域ωcr很容易下降至1/2 Ω左右。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界區(qū)域進(jìn)入1/2 Ω范圍內(nèi)被轉(zhuǎn)速2x激勵(lì)，進(jìn)而發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。增壓機(jī)二級(jí)葉輪原始臨界轉(zhuǎn)速BODE圖如圖3所示。

此外，軸承剛度降低為緩慢發(fā)展現(xiàn)象，且剛度降低后，系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域重新固定在某一區(qū)域。增壓機(jī)二級(jí)軸振趨勢(shì)如圖4所示，為二級(jí)振動(dòng)前20 d變化情況，10月6日前，二級(jí)振動(dòng)維持在16～18 μm，10月6日空分停車(chē)時(shí)，增壓機(jī)降速過(guò)臨界區(qū)域，該過(guò)程加劇惡化了增壓機(jī)松動(dòng)。10月6日開(kāi)車(chē)后，二級(jí)軸振維持在22～24 μm，較之前增加了6 μm。持續(xù)松動(dòng)導(dǎo)致剛度值持續(xù)下降。在某節(jié)點(diǎn)上，增壓機(jī)軸承中分面出現(xiàn)了滑移，振動(dòng)升高至46 μm連鎖跳車(chē)。由于軸承出現(xiàn)滑移，導(dǎo)致降速時(shí)軸承對(duì)轉(zhuǎn)子的約束力下降，故出現(xiàn)轉(zhuǎn)子振動(dòng)異常升高至249 μm。這也解釋了在第二次開(kāi)車(chē)階段，暖機(jī)1 500 rpm轉(zhuǎn)子運(yùn)行正常，升速至4 547 rpm時(shí)，才發(fā)生振動(dòng)升高的情況。

同時(shí)，從另一方面來(lái)看。

（1）增壓機(jī)一級(jí)換熱器存在內(nèi)漏且翅片脫落的情況，但從拆解情況分析，翅片脫落是在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)形成的。如果脫落的翅片對(duì)葉輪沖擊造成振動(dòng)升高，那么應(yīng)該早就發(fā)生了，且不應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生2次。而從換熱器結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，脫落翅片為空氣入口側(cè)，碎片至少需要穿越2道密封或2層厚度為800 mm間隙為1 mm的翅片才能到達(dá)出口側(cè)，因此穿越后的翅片尺寸應(yīng)該極小，較難對(duì)增壓機(jī)葉輪造成沖擊。沖擊對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響為瞬間作用，若翅片對(duì)葉輪造成有影響力的沖擊，振動(dòng)應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)超過(guò)振動(dòng)限值，而不是在3 min內(nèi)逐漸升高和具有重復(fù)性。

經(jīng)過(guò)討論，決定在氣流進(jìn)入換熱器位置加裝厚度孔徑均為5 mm的篩板，并在孔板上方正對(duì)入口汽輪處焊接厚度為5 mm的沖刷擋板，解決了上述問(wèn)題。焊接防沖擋板前/后對(duì)比如圖5所示。

（2）拆解過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)軸承處軸頸有劃痕，軸承進(jìn)油孔處有白色顆粒物。軸頸磨損雖然會(huì)對(duì)油膜形成一定影響，但基本可以排除油膜不良對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)擾動(dòng)值跳車(chē)值的影響。白色顆粒物待分析后方可判斷其影響性，但從歷次潤(rùn)滑油樣分析來(lái)看，油質(zhì)指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)，油品問(wèn)題造成振動(dòng)跳車(chē)的可能性較小。

（3）在葉輪表面發(fā)現(xiàn)有小點(diǎn)狀痕跡，應(yīng)為上次檢修遺留問(wèn)題。換熱器翅片為鋁基合金，材質(zhì)較軟，即使對(duì)翅片葉輪造成沖擊也不應(yīng)出現(xiàn)凹坑。

結(jié)合理論判斷及排除法，認(rèn)為增壓機(jī)二級(jí)振動(dòng)高跳車(chē)的原因?yàn)檩S承松動(dòng)引起剛度變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界區(qū)域發(fā)生下移，下移的臨界區(qū)域與轉(zhuǎn)子的1/2轉(zhuǎn)速發(fā)生重疊引起激勵(lì)造成振動(dòng)升高跳車(chē)。

3 檢修后運(yùn)行情況

增壓機(jī)檢修回裝后，開(kāi)車(chē)過(guò)程正常，正常運(yùn)行后各項(xiàng)指標(biāo)均在控制范圍內(nèi)，運(yùn)行穩(wěn)定。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]