臨時性熱變形引發(fā)的振動案例分析

趙小陽，孫德超，欒碩，董元亮，張博強

（沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

1 壓縮機介紹

某廠供2BCL406 壓縮機是一種高轉(zhuǎn)速的離心式壓縮機，結(jié)構(gòu)為二段六級離心式，設(shè)計用來輸送高壓合成氣，廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域。該型壓縮機擁分為新鮮段和循環(huán)段，6 個壓縮級，氣體在流經(jīng)其葉輪時，葉輪高速旋轉(zhuǎn)使氣體在離心力的作用下，提升氣體介質(zhì)的壓力，同時，會提高氣體介質(zhì)的流速，將原動機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w介質(zhì)的靜壓能和動能。此后，氣體在流經(jīng)擴壓器流道時，流道截面逐漸增大，前面的氣體流速降低，后面的氣體不斷涌流向前，使氣體的絕大部分動能又轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，起到進一步增壓的作用，后經(jīng)回流器將氣體導(dǎo)入下一級繼續(xù)壓縮。

壓縮機參數(shù)如下：

氣體額定流量：92000Nm3/h、386400Nm3/h

額定轉(zhuǎn)速:12760r/min

額定功率:4676kW

臨界轉(zhuǎn)速:第一 2350r/min 第二7200r/min

入口壓力:5.14（新鮮段）/7.07（循環(huán)段）MPa (a)

入口溫度:30.7（新鮮段）/55（循環(huán)段）℃

出口壓力:8.245（新鮮段）/8.308 循環(huán)段）MPa(a)

出口溫度:88.6（新鮮段）/72.8（循環(huán)段）℃

2 離心壓縮機振動故障分析

2.1 離心壓縮機振動故障簡介

軸系振動過大是離心壓縮機最常見的故障，其危害性最大，且引起振動的原因錯綜復(fù)雜。該離心式壓縮機運行期間要求軸系4 個測點的振動值不超過25.4μm，此為最優(yōu)狀態(tài)，振動值達到55μm 就會觸發(fā)報警，振動值達到88.9μm，機組會連鎖停機。如果設(shè)備長期處在高振動值狀況下運行，過高的振動值會加速易損件的損耗速度，加速軸承瓦塊摩擦接觸面以及缸內(nèi)梳齒密封的磨損，使設(shè)備使用壽命縮短，效率降低，嚴(yán)重時會引起軸承直接損壞，轉(zhuǎn)定子刮碰導(dǎo)致抱軸停機等故障，影響到企業(yè)的正常生產(chǎn)，給使用方造成巨大的經(jīng)濟損失。

2.2 離心壓縮機振動情況分析

2018 年4 月21 日13：40 時，新增壓縮機進行空負(fù)荷機械運轉(zhuǎn)，介質(zhì)為空氣，各段進出口與大氣聯(lián)通。該機組為電機拖動，不可改變轉(zhuǎn)速，所以在開機前在入口處加過濾網(wǎng)，防止突然增大的吸入風(fēng)量將異物帶入缸體內(nèi)。運轉(zhuǎn)期間前20min 軸系監(jiān)測各點數(shù)值均呈現(xiàn)良好狀態(tài)，20min 后非驅(qū)動端振動其中一個測點呈現(xiàn)上升趨勢，同位置的另一測點有小幅升高，待運行1h 后，開始上升的測點已經(jīng)由啟機時的17μm 升高至43μm，小幅升高的另一測點也由啟機時的10μm 升至20μm，由于擔(dān)心測點還有持續(xù)升高的趨勢觸發(fā)報警值，故將機組于15：30 時手動停機，期間非驅(qū)動端振動值持續(xù)升高，驅(qū)動端振動值兩個測點始終保持在6.2μm。

離心式壓縮機振動基本成因：

（1）由加工和后期運行及介質(zhì)過臟或有輕微腐蝕性等原因?qū)е碌霓D(zhuǎn)子不平衡，此類原因引起的振動在全國各個項目時有發(fā)生。

（2）轉(zhuǎn)子的臨時性熱變形：轉(zhuǎn)子在超過設(shè)計溫度的環(huán)境下由于升速過快預(yù)加載較高產(chǎn)生臨時性不均勻的熱變形，在溫度降低到設(shè)計范圍內(nèi)負(fù)荷及扭矩從峰值降下來后，變形量會逐漸消除，此類原因引起的振動不常見，也屬于不平衡原因的一種。

（3）軸承類問題：由于潤滑油質(zhì)量不好導(dǎo)致的瓦塊磨損過大，軸承在裝配過程中間隙及過盈量有誤差、瓦塊形線不好接觸面積不足等原因引起的振動。

（4）儀表類問題：儀表本身存在干擾，儀表線松動，振動探頭套管松動，振動探頭和位移探頭接反等原因引起的振動。

（5）喘振：喘振可以分為弱喘振和深度喘振，它們之間沒有分界線，一般出現(xiàn)倒流的喘振多為深度喘振。弱喘振一般為級間喘振，有較小的氣流聲。一般情況下，喘振不會對軸系振動產(chǎn)生影響，但是嚴(yán)重且持續(xù)時間較長的喘振依然會引起軸系振動，因為嚴(yán)重的喘振會引發(fā)機組各部工藝管線產(chǎn)生劇烈的晃動，甚至使壓縮機氣缸產(chǎn)生位移，內(nèi)部氣流也會劇烈的擾動，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生振動。

（6）氣體激振：此類振動主要由密封處的氣體旋流擾動轉(zhuǎn)子所致，由于離心式壓縮機內(nèi)部密封多為梳齒密封，屬于逐級降壓式密封，而且存在一定的泄漏量，密封腔中的氣體被高速旋轉(zhuǎn)的主軸所帶動產(chǎn)生旋流在密封圓周方向間隙不均勻的情況下會形成不均勻的壓力分布，從而引起轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。此類振動的特點是需要壓縮機到達一定的轉(zhuǎn)速和內(nèi)部壓力負(fù)荷時會突然產(chǎn)生劇烈振動，降低轉(zhuǎn)速降低負(fù)荷后振動也會隨之降低，多發(fā)于介質(zhì)分子量較大且內(nèi)部壓力較高的設(shè)備。

（7）缸體貓爪熱膨脹：壓縮機運轉(zhuǎn)是對介質(zhì)做功導(dǎo)致介質(zhì)升溫，故多數(shù)壓縮機都帶有段間氣體冷卻器，缸體溫度升高后貓爪處也會升溫，一般在貓爪固定螺栓處會留有0.02～0.05mm 的間隙，如果安裝人員忽略此問題，會導(dǎo)致膨脹力無法釋放，從而影響兩端軸承，有較低概率引起振動。

（8）缸體內(nèi)部熱膨脹：在壓縮機試運行過程中，使用非設(shè)計介質(zhì)運行時如果兩種介質(zhì)分子量相差較大，會導(dǎo)致缸內(nèi)及進出口溫度遠超設(shè)計值，長時間在此狀態(tài)下運行，有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)定子產(chǎn)生設(shè)計之外的熱膨脹量，從而使轉(zhuǎn)定子出現(xiàn)刮碰，振動值升高，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致設(shè)備抱軸損毀。

（9）驅(qū)動機和壓縮機軸系對中情況較差，由于近十幾年各個壓縮機生產(chǎn)商均使用膜片撓性聯(lián)軸器，此類聯(lián)軸器對于不對中量的吸收能力很強，如果對中誤差不太大的話基本都能保證正常運行，當(dāng)然如果誤差過大甚至達到1.5 ～2mm以上依然會引起振動。

3 壓縮機振動原因分析

針對此次故障的初步表現(xiàn)進行排查，重新復(fù)測對中值發(fā)現(xiàn)雖有偏差但是偏差較小，貓爪處間隙合格，由于進出口直接與大氣相連，故不考慮喘振因素，且故障表現(xiàn)也不符合氣體激振的特性。用戶方重新檢測儀表干擾問題，確認(rèn)接線無誤且設(shè)備附近并沒有大功率干擾源。后經(jīng)拆檢軸承后發(fā)現(xiàn)非驅(qū)動端支撐軸承正下方瓦塊接觸面積較小，經(jīng)研磨達到合適的接觸面積，復(fù)測軸承間隙過盈量等數(shù)據(jù)均在設(shè)計范圍內(nèi)，油質(zhì)量重新檢測，油箱底部取樣后發(fā)現(xiàn)沒有硬點，各項指標(biāo)均合格。排除上述因素后，機組進行氮氣負(fù)荷運行，此次運行工藝管線全部連接投用，開機2h，非驅(qū)動端振動值依然持續(xù)升高臨近報警值，且連接工藝管線后發(fā)現(xiàn)合成段排氣溫度顯示值已經(jīng)達到132℃，遠超設(shè)計值88.6℃，由此推測空負(fù)荷開機時缸內(nèi)溫度依然很高，只是經(jīng)壓縮的空氣直接排入大氣后溫度損失較快，沒有引起測溫人員的重視。經(jīng)過此次運行，振動原因基本鎖定在介質(zhì)溫升較大引起的轉(zhuǎn)定子輕微刮碰、轉(zhuǎn)子不平衡、臨時性熱變形三點上，由于該機組驅(qū)動機沒有變頻器，不能改變轉(zhuǎn)速，開機10s 內(nèi)基本能達到額定轉(zhuǎn)速保持不變，而轉(zhuǎn)子本身在冷態(tài)狀態(tài)下如果存在不平衡量則應(yīng)該在轉(zhuǎn)速快速提升的過程中出現(xiàn)振動值持續(xù)升高的現(xiàn)象，而不是在運行20min 后才出現(xiàn)振動升高的現(xiàn)象。如果為轉(zhuǎn)定子刮碰現(xiàn)象導(dǎo)致，則驅(qū)動端振動值大概率應(yīng)有和非驅(qū)動端相同的趨勢，且轉(zhuǎn)定子刮碰出現(xiàn)的振動多為瞬時振動，一般都是振動值突然出現(xiàn)很大的上升然后快速回落，出現(xiàn)持續(xù)刮碰會導(dǎo)致壓縮機直接連鎖停機，不會出現(xiàn)緩慢的上升趨勢。綜上所述，故障原因初判為轉(zhuǎn)子由于內(nèi)部介質(zhì)溫升過大偏離設(shè)計值導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)臨時性熱變形，影響轉(zhuǎn)子的平衡，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。后經(jīng)遠程頻譜分析發(fā)現(xiàn)一倍頻較高，詢問后得知設(shè)備在生產(chǎn)廠內(nèi)試運行時此測點振動值為22μm，與設(shè)備在現(xiàn)場運行的前20min 相近。雖找到原因，但此類振動只有通過后續(xù)開機來驗證，在設(shè)計介質(zhì)進入設(shè)備運轉(zhuǎn)時，由于分子量為11 左右，比空氣和氮氣小很多，即使組分變化引起溫升稍微高一點也不會像空氣和氮氣一樣高。設(shè)備于2018 年8月正式投用，進入合成氣介質(zhì)達到額定轉(zhuǎn)速后振動值穩(wěn)定在26μm 沒有持續(xù)上升。此次故障分析正確有效。

4 結(jié)語

為了使離心壓縮機能夠長期平穩(wěn)可靠地運行，在投運過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整合適的運行方式，對設(shè)備進行定期的維護保養(yǎng)，及時找出引起設(shè)備不良的原因進行分析排查，觀察問題的細節(jié)不可蠻干，以保證壓縮機的高效和使用壽命。