螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)大原因分析及處理措施

劉 煜，文全國(guó)，孫華麗，王傳榮，張艷全

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化公司設(shè)備檢修公司，新疆 獨(dú)山子 833699)

某公司某廠某裝置的19臺(tái)螺桿壓縮機(jī)主要作用是將裝置生產(chǎn)的成品粒料輸送至包裝線，但其運(yùn)行過(guò)程中頻繁出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，對(duì)裝置平穩(wěn)運(yùn)行及周邊環(huán)境造成了一定影響。如何徹底消除螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)大的故障，延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行周期，確保生產(chǎn)安、穩(wěn)、長(zhǎng)運(yùn)行，成為設(shè)備管理的一個(gè)難點(diǎn)。

1 螺桿壓縮機(jī)簡(jiǎn)介

螺桿壓縮機(jī)由德國(guó)艾珍公司生產(chǎn)，型號(hào)為VM140，主要零部件有機(jī)殼、轉(zhuǎn)子、軸承、密封組件、齒輪等【1】。機(jī)殼由機(jī)體(氣缸體)、吸氣端座、排氣端座(與氣缸體為一體)及兩端端蓋組成，材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵。徑向軸承采用圓柱滾子軸承；推力軸承位于排氣端,采用角接觸球軸承。為了防止壓縮氣漏入油箱，軸封采用浮環(huán)密封，密封環(huán)材質(zhì)為碳環(huán)；為防止?jié)櫥托孤?，采用了螺紋迷宮密封。齒輪變速為一級(jí)變速，采用增速齒輪及同步齒輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子運(yùn)行。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子為螺旋線齒、對(duì)稱圓弧型線，扭轉(zhuǎn)角為270°，采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼鍛造。

螺桿壓縮機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 螺桿壓縮機(jī)基本參數(shù)

2 故障現(xiàn)象

該裝置的1臺(tái)壓縮機(jī)B自2012年11月以來(lái)，振動(dòng)速度值持續(xù)升高，2013年3月9日之后一直在10.6～13.4 mm/s之間(壓縮機(jī)運(yùn)行正常標(biāo)準(zhǔn)≤6 mm/s)，而其他該型號(hào)的機(jī)組振動(dòng)速度值一直在6 mm/s以下，其振動(dòng)數(shù)值如圖2所示。

3 原因分析

壓縮機(jī)振動(dòng)值嚴(yán)重超標(biāo)，隨時(shí)都會(huì)出現(xiàn)故障停機(jī)，嚴(yán)重影響裝置平穩(wěn)運(yùn)行及上游裂解裝置工藝產(chǎn)量。因此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)可能引起壓縮機(jī)振動(dòng)值超標(biāo)的故障進(jìn)行逐一排除以確定具體原因。

圖2 2012～2013年壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

3.1 連接螺栓是否松動(dòng)

螺栓連接是最常用的連接結(jié)構(gòu)形式，松動(dòng)失效為其主要失效形式之一，在螺栓松動(dòng)初期可能不會(huì)影響螺桿壓縮機(jī)組的正常運(yùn)行，但是隨著松動(dòng)的進(jìn)一步加劇，可能會(huì)造成整個(gè)螺桿壓縮機(jī)組的失效進(jìn)而引發(fā)重大安全生產(chǎn)事故。

使用力矩扳手分別對(duì)電機(jī)、壓縮機(jī)地腳連接螺栓、壓縮機(jī)本體連接螺栓進(jìn)行了校驗(yàn)，結(jié)果如表2 所示。由表2可知，連接螺栓并未發(fā)生松動(dòng)。

表2 連接螺栓力矩緊固 單位：N·m

3.2 螺桿壓縮機(jī)基礎(chǔ)剛性

螺桿壓縮機(jī)組整體安裝在剛性基礎(chǔ)上，如果基礎(chǔ)剛性差則相當(dāng)于整個(gè)基礎(chǔ)就是一個(gè)振動(dòng)源，而通過(guò)振源傳遞將會(huì)造成整個(gè)機(jī)組的振動(dòng)值增大。

在壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，用振動(dòng)檢測(cè)儀器VM63對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其振動(dòng)值≤0.8 mm/s，測(cè)點(diǎn)如圖3所示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖3 壓縮機(jī)基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)

表3 壓縮機(jī)基礎(chǔ)振動(dòng)值 單位：mm/s

從表3中可以看出，基礎(chǔ)的振動(dòng)值符合HGJ 205—1992《化工機(jī)器安裝工程及驗(yàn)收規(guī)范》≤1.0 mm/s的規(guī)定，滿足基礎(chǔ)剛性要求。

3.3 工藝操作是否有波動(dòng)

工藝操作波動(dòng)(如進(jìn)氣量的頻繁變化)會(huì)造成機(jī)組軸向負(fù)荷的交替變化，影響機(jī)組運(yùn)行壽命【2】。與工藝進(jìn)行對(duì)接確認(rèn)，結(jié)果顯示：各項(xiàng)操作均嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，工藝操作無(wú)調(diào)整、無(wú)明顯波動(dòng)現(xiàn)象。

3.4 螺桿壓縮機(jī)機(jī)組對(duì)中

螺桿壓縮機(jī)機(jī)組對(duì)中不良會(huì)造成一系列有害于設(shè)備的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，如引起機(jī)器聯(lián)軸器偏轉(zhuǎn)、軸承早期損壞、油膜失穩(wěn)、軸彎曲變形等，導(dǎo)致機(jī)器發(fā)生異常振動(dòng)【3】。

利用激光對(duì)中儀對(duì)螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行復(fù)查對(duì)中，結(jié)果顯示：端面<0.02/100 mm，外圓<0.05 mm，聯(lián)軸器軸向間隙值為5 mm； 而壓縮機(jī)維護(hù)手冊(cè)對(duì)中要求為： 端面≯0.05/100 mm， 外圓≯0.08 mm，聯(lián)軸器軸向間隙值為3.5～5.5 mm。由上述復(fù)查結(jié)果可知，該壓縮機(jī)機(jī)組對(duì)中符合要求。

3.5 進(jìn)、出口管線是否堵塞或存在應(yīng)力

用高壓空氣對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)、出口管線進(jìn)行吹掃，未發(fā)現(xiàn)憋壓情況，且進(jìn)、出口過(guò)濾器干凈。對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行復(fù)查對(duì)中，其中，斷開(kāi)進(jìn)、出法蘭時(shí)壓縮機(jī)的對(duì)中數(shù)據(jù)為：端面0.02/100 mm，外圓0.02 mm；連接進(jìn)、出口法蘭后再次復(fù)查的對(duì)中數(shù)據(jù)為：端面0.02/100 mm，外圓0.02 mm。由上述數(shù)據(jù)可知，其變化值符合標(biāo)準(zhǔn)值≤0.05 mm的要求。進(jìn)一步檢查進(jìn)、出口管線發(fā)現(xiàn)，進(jìn)、出口法蘭面平行度為0.05 mm，徑向位移為0.10 mm，也滿足HGJ 205—1992規(guī)范中平行度標(biāo)準(zhǔn)值≤0.10 mm、徑向位移≤0.20 mm的要求。

3.6 潤(rùn)滑油是否有雜質(zhì)

與工藝人員共同確認(rèn)所添加潤(rùn)滑油，并對(duì)潤(rùn)滑油取樣進(jìn)行化驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)任何雜質(zhì)成分；現(xiàn)場(chǎng)檢查油管線也未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)；采用空壓機(jī)對(duì)管線進(jìn)行吹掃均暢通。

3.7 軸承間隙是否符合標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)螺桿壓縮機(jī)電機(jī)滑動(dòng)軸承進(jìn)行解體檢查，結(jié)果顯示：滑動(dòng)軸承軸瓦表面光滑，無(wú)硬點(diǎn)、裂紋、氣孔、夾渣、脫皮、脫殼等缺陷【4】。滑動(dòng)軸承各部數(shù)值如表4所示。對(duì)螺桿壓縮機(jī)本體滾動(dòng)軸承進(jìn)行檢查，結(jié)果顯示：滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)自如，無(wú)點(diǎn)蝕、疤坑、毛刺等缺陷。各滾動(dòng)軸承游隙值如表5所示。

表4 電機(jī)滑動(dòng)軸承各部數(shù)值

表5 各滾動(dòng)軸承游隙值 單位：mm

3.8 齒輪磨損或嚙合部位是否合適

將螺桿壓縮機(jī)解體，檢測(cè)其齒輪嚙合情況，發(fā)現(xiàn)同步齒輪損壞嚴(yán)重，陽(yáng)轉(zhuǎn)子傳動(dòng)齒輪齒斷裂，輸入軸傳動(dòng)齒輪也有不同程度的損傷，損壞情況如圖4所示。

3.9 轉(zhuǎn)子嚙合間隙是否符合標(biāo)準(zhǔn)

用塞尺對(duì)轉(zhuǎn)子與殼體徑向間隙、轉(zhuǎn)子與殼體端面軸向間隙、轉(zhuǎn)子之間的嚙合間隙進(jìn)行檢查測(cè)量，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。測(cè)量結(jié)果如表6所示。

3.10 轉(zhuǎn)子是否彎曲

發(fā)現(xiàn)同步齒輪損壞后，對(duì)螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步解體，檢測(cè)轉(zhuǎn)子的彎曲度，檢測(cè)結(jié)果如圖5和表7所示。

圖4 壓縮機(jī)同步齒輪損壞情況

表6 轉(zhuǎn)子各部間隙值 單位：mm

圖5 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子檢測(cè)

單位：mm

從檢測(cè)結(jié)果可以看出：陽(yáng)轉(zhuǎn)子彎曲度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)值。

3.11 轉(zhuǎn)子是否動(dòng)平衡

螺桿壓縮機(jī)解體完成后發(fā)現(xiàn)：陽(yáng)轉(zhuǎn)子固定端端面有磨損現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子表面也有燒焦現(xiàn)象。對(duì)其進(jìn)行動(dòng)不平衡校驗(yàn)，結(jié)果顯示：陽(yáng)轉(zhuǎn)子殘余不平衡量25.32 g，陰轉(zhuǎn)子殘余不平衡量9.24 g。

已知：陽(yáng)轉(zhuǎn)子質(zhì)量為150 kg，半徑為129 mm，轉(zhuǎn)速為6 502 r/min；陰轉(zhuǎn)子質(zhì)量為90 kg，半徑為107.5 mm，轉(zhuǎn)速為4 335 r/min，動(dòng)平衡精度為G6.3。

下面根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算允許的轉(zhuǎn)子殘余不平衡量。

m=(Eper×M)/(r×2)

(1)

式中：m——允許殘余不平衡量，g；

Eper——允用不平衡精度，μm；

M——轉(zhuǎn)子的自身質(zhì)量，kg；

r——轉(zhuǎn)子的校正半徑，mm。

其中

Eper=(G×1 000)/(n/10)

(2)

式中：G——平衡精度等級(jí)，mm/s；

n——轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速，r/min。

經(jīng)計(jì)算得出：

m陽(yáng)=(Eper×M)/(r×2)

=[(6.3×1 000)/(6 502/10)]×

150/(129×2)=5.633g

m陰=(Eper×M)/(r×2)

=[(6.3×1 000)/(4 335/10)]×

90/(107.5×2)=6.084 g

由上述結(jié)果可知，陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子的殘余不平衡量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。

通過(guò)對(duì)上述可能引起螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)值增大的原因進(jìn)行逐一排查，確定了引起機(jī)組振動(dòng)大的根本原因?yàn)椋和烬X輪損壞、轉(zhuǎn)子彎曲和轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡。

4 處理措施

4.1 同步齒輪損壞

對(duì)于損壞的同步齒輪，可采取齒輪堆焊、鑲齒法、鑲環(huán)法進(jìn)行修復(fù)【5】，但從修復(fù)后同步齒輪的硬度、傳動(dòng)精度及費(fèi)用等多方面綜合考慮，本次采取更換新齒輪的方法。

4.2 轉(zhuǎn)子彎曲

對(duì)于轉(zhuǎn)子彎曲的修復(fù)方法，查閱相關(guān)資料后得到以下3種方案。

4.2.1 捻打法

捻打法是將主軸凹面向上放置，用錘捻打凹處，使金屬分子間的內(nèi)聚力減少而使纖維伸長(zhǎng)，達(dá)到直軸的目的【6】。軸下面置油壓千斤頂,然后用寬為30～40 mm、厚為7～10 mm的沖頭擊打彎曲部位。通常冷擊10～15次,然后拆卸壓緊裝置與千斤頂,將軸放回原軸承,用千分表測(cè)量矯直后的彎曲程度。若不滿足要求，則重復(fù)上述步驟，直至彎曲值恢復(fù)到0.03～0.04 mm時(shí),可認(rèn)為矯直結(jié)束。但此種方法會(huì)使材料存在殘余應(yīng)力。

4.2.2 局部加熱法

此方法通過(guò)局部加熱使凸出部位的金屬纖維收縮、凹入側(cè)的金屬纖維伸長(zhǎng)，以達(dá)到使主軸伸直的目的【6】。加熱范圍為軸向長(zhǎng)0.10～0.15D(D為軸直徑)、 圓周向?qū)?.3D， 溫度不超過(guò) 500～550 ℃。這種矯直方法需要多次反復(fù)矯正，精度較低，有可能在今后的退火及運(yùn)行中使軸向反側(cè)彎曲；且容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力,使軸在高溫工作條件下恢復(fù)到原來(lái)彎曲的程度；同時(shí)殘余應(yīng)力會(huì)造成轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中破壞平衡。

4.2.3 彎曲部位先堆焊、后車削

在轉(zhuǎn)子彎曲部位先進(jìn)行堆焊， 再進(jìn)行車削加工， 然后安裝2個(gè)徑向軸承作為支撐， 檢查其彎曲度， 直至符合要求為止。此種方法精度高， 不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力； 且修復(fù)后穩(wěn)定性高， 不會(huì)出現(xiàn)再次彎曲現(xiàn)象。

具體操作如下：首先采用8點(diǎn)找正法找出轉(zhuǎn)子的最大彎曲點(diǎn)，然后通過(guò)堆焊增大軸的直徑，再利用車床進(jìn)行車削修復(fù)對(duì)陽(yáng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行矯正。矯正后，測(cè)得陽(yáng)轉(zhuǎn)子的彎曲度≤0.04 mm(見(jiàn)表8)，符合標(biāo)準(zhǔn)≤0.05 mm的要求。

表8 陽(yáng)轉(zhuǎn)子彎曲度值 單位：mm

4.3 轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡

根據(jù)式(1)計(jì)算出的陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子所允許的動(dòng)不平衡量分別為6.084 g和5.633 g，動(dòng)平衡校驗(yàn)時(shí)，其不平衡量不能大于該數(shù)值。由此可見(jiàn)，陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子的動(dòng)不平衡質(zhì)量至少需要分別減小3.156 g 和19.687 g。

根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，采用去重法減少動(dòng)不平衡量。所謂去重法，即在重的一方用鉆孔、磨削、鏨削、銑削和激光鉆孔等方法去除一部分金屬【7】。圖6所示為調(diào)試陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的操作。經(jīng)過(guò)反復(fù)動(dòng)平衡處理后，測(cè)得陰轉(zhuǎn)子的最大殘余不平衡量為3.67 g，陽(yáng)轉(zhuǎn)子的最大殘余不平衡量為3.51 g，滿足壓縮機(jī)精度要求。

圖6 陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的調(diào)試

5 效果驗(yàn)證

2013年9月以來(lái)，通過(guò)更換新同步齒輪、矯正陽(yáng)轉(zhuǎn)子彎曲度以及動(dòng)平衡校驗(yàn)等，回裝后螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)，采取消缺措施后，螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)螺桿壓縮機(jī)頻繁出現(xiàn)振動(dòng)故障的現(xiàn)象，對(duì)引起故障的原因逐一進(jìn)行排查，確定具體原因并采取相應(yīng)措施，徹底消除了設(shè)備故障。此外螺桿壓縮機(jī)陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子配件費(fèi)用約為130萬(wàn)元，采取堆焊車削的方法對(duì)舊配件進(jìn)行修舊利廢，一方面節(jié)約了成本，另外一方面也為同類型機(jī)組的設(shè)備故障消缺提供了技術(shù)參考。

圖7 2013年采取消缺措施后的螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)