大型透平空壓機(jī)軸振動(dòng)故障分析與排除

高永春，凌 波，蘭榮海

（廣西鋼鐵集團(tuán)有限公司氣體廠，廣西防城港 538001）

引言

GT123L3K1 型空壓機(jī)是廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司氣體公司十二五規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目2#40000 m3/h制氧機(jī)組配套的關(guān)鍵單體設(shè)備，于2012 年引進(jìn)，由Atlas Copco 公司生產(chǎn)，為制氧機(jī)組提供原料壓縮空氣[1]。設(shè)計(jì)加工空氣量為212000 m3/h，額定功率為20000 kW。該空壓機(jī)為三級(jí)離心式壓縮機(jī)，主電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)增速箱大齒輪軸，由大齒輪軸帶動(dòng)兩根小齒輪軸，其中一根小齒輪軸上裝有一個(gè)閉式葉輪，為三級(jí)葉輪；另一根小齒輪軸作為過(guò)渡軸帶動(dòng)另一根小齒輪軸，該齒輪軸上裝有一個(gè)半開(kāi)式葉輪和一個(gè)閉式葉輪，分別為一級(jí)葉輪和二級(jí)葉輪。詳見(jiàn)結(jié)構(gòu)示意圖1。

圖1 空壓機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

級(jí)間共設(shè)2 個(gè)冷卻器，采用外置式。該空壓機(jī)投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，各級(jí)振動(dòng)值正常穩(wěn)定。2018年2月，該空壓機(jī)二級(jí)軸振動(dòng)值突然上升，并超過(guò)報(bào)警值，利用臨時(shí)檢修時(shí)機(jī)，查找故障原因，利用有限條件采取緊急處理措施復(fù)產(chǎn)，并確定徹底消除故障隱患的方案待條件允許時(shí)實(shí)施，保證空壓機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 存在問(wèn)題

該空壓機(jī)自2012年投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，各級(jí)振動(dòng)值穩(wěn)定正常。2018 年2 月某日，該空壓機(jī)二級(jí)X 向軸振動(dòng)VXIAS1004 點(diǎn)由16.4 μm 上升至52 μm 左右超過(guò)報(bào)警值，二級(jí)其它3 個(gè)軸振動(dòng)點(diǎn)（VYIAS1001、VXIAS1002、VYIAS1003）在原值基礎(chǔ)上分別上升6～9 μm，一級(jí)軸振動(dòng)4 個(gè)軸振動(dòng)點(diǎn)在原值基礎(chǔ)上分別上升1～2 μm；位移測(cè)點(diǎn)無(wú)明顯變化；齒輪箱各軸承溫度測(cè)點(diǎn)無(wú)明顯變化。整個(gè)變化過(guò)程約5 min，之后各參數(shù)保持穩(wěn)定，空壓機(jī)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)明顯異響，振動(dòng)變化不明顯，暫時(shí)注意觀察。數(shù)日后，該空壓機(jī)二級(jí)X 向軸振動(dòng)VXIAS1004 點(diǎn)由52.7 μm 上升至74 μm 左右，接近停車(chē)值，二級(jí)其它3 個(gè)軸振動(dòng)點(diǎn)在原值上分別上升4～7 μm（二級(jí)各振動(dòng)點(diǎn)波動(dòng)情況詳見(jiàn)表1），一級(jí)軸振動(dòng)4 個(gè)軸振動(dòng)點(diǎn)在原值的礎(chǔ)上分別上升1～2μm；位移測(cè)點(diǎn)無(wú)明顯變化；齒輪箱各軸承溫度測(cè)點(diǎn)無(wú)明顯變化。整個(gè)變化過(guò)程約5 min，之后各參數(shù)保持穩(wěn)定，空壓機(jī)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)明顯異響，空壓機(jī)東側(cè)平臺(tái)振動(dòng)明顯增加，該位置離VXIAS1004 振動(dòng)點(diǎn)較近。空壓機(jī)參數(shù)變化及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況說(shuō)明該空壓機(jī)運(yùn)行存在較大隱患，設(shè)備狀況不斷劣化，嚴(yán)重影響設(shè)備安全，決定臨時(shí)停機(jī)檢查。

表1 空壓機(jī)二級(jí)各振動(dòng)點(diǎn)波動(dòng)情況一覽表 μm

由于空壓機(jī)二級(jí)振動(dòng)點(diǎn)異常情況最為明顯。首先，檢查各級(jí)測(cè)振探頭尤其是二級(jí)測(cè)振探頭安裝情況。測(cè)振探頭緊固件安裝到位，信號(hào)線連接正常；將各級(jí)測(cè)振探頭拆下后進(jìn)行動(dòng)態(tài)校驗(yàn)，結(jié)果顯示各探頭測(cè)量準(zhǔn)確穩(wěn)定，無(wú)異常。其次，檢查二級(jí)葉輪運(yùn)行情況。拆除二級(jí)進(jìn)口管，發(fā)現(xiàn)二級(jí)進(jìn)口導(dǎo)葉上掛有1 根橡膠條、2 根金屬條；透過(guò)進(jìn)口導(dǎo)葉觀察二級(jí)葉輪，發(fā)現(xiàn)在二級(jí)葉輪入口端同一葉片位置掛有2根金屬條，見(jiàn)圖2。

圖2 金屬條位置及實(shí)物圖

通過(guò)查閱資料，發(fā)現(xiàn)該橡膠條及金屬條為中級(jí)冷卻器的密封部件。最后，檢查一級(jí)中冷的出口側(cè)，發(fā)現(xiàn)位于中冷中部、頂部的位置有約800mm 的Y 型密封條及壓條消失，并在中冷底部發(fā)現(xiàn)脫落的Y 型密封條及長(zhǎng)約50mm 的壓條。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)的金屬條基本與缺口處缺少的壓條長(zhǎng)度相當(dāng)，確定故障位置。

2 故障原因分析

通過(guò)查閱設(shè)備圖紙、結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查情況并查找類(lèi)似壓縮機(jī)故障文獻(xiàn)資料，基本確定故障發(fā)生的全過(guò)程，即中冷Y 型密封條的壓條損壞脫落，造成Y型密封條部分脫落，脫落的壓條及Y 型密封條進(jìn)入二級(jí)進(jìn)口管，分別掛在二級(jí)進(jìn)口導(dǎo)葉和二級(jí)葉輪上，導(dǎo)致二級(jí)軸振動(dòng)異常。分析此故障的原因主要有以下幾個(gè)方面：

2.1 直接原因：二級(jí)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡破壞

轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡是否良好對(duì)空壓機(jī)的振動(dòng)影響很大，而且在引發(fā)各類(lèi)機(jī)械振動(dòng)故障的原因中也占有較高的比例[2]。該空壓機(jī)的異常最早反應(yīng)在二級(jí)軸振動(dòng)的變化。對(duì)于二級(jí)轉(zhuǎn)子，金屬條掛在二級(jí)葉輪入口端的葉片上，隨著二級(jí)轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)，直接破壞了二級(jí)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡，導(dǎo)致二級(jí)軸振動(dòng)升高。二級(jí)軸振動(dòng)值的異常變化經(jīng)歷了兩個(gè)突變，其原因極有可能是在機(jī)組變工況時(shí)導(dǎo)致位于葉片上的壓條發(fā)生形態(tài)變化或者壓條所處位置的不穩(wěn)定性造成的。

2.2 間接原因：中間冷卻塔的密封損壞

中冷的頂部密封結(jié)構(gòu)如圖3，由Y 型密封條、壓條、緊固螺栓組成。檢查發(fā)現(xiàn)的橡膠條即為損壞的Y 型密封條，金屬條即為損壞的壓條。分析壓條和Y型密封條的損壞原因：

圖3 中冷頂部密封結(jié)構(gòu)示意圖

（1）壓條選用的材質(zhì)為L(zhǎng)F21。LF21 是一種鋁合金，耐腐蝕好，焊接性良好，但可切削性能不良，冷作硬化時(shí)塑性低，強(qiáng)度低，用于氣體介質(zhì)中工作的低載荷零件。

（2）密封結(jié)構(gòu)，壓條寬24 mm，厚2.5 mm，為分段結(jié)構(gòu)，非整根壓條，采用M8×35 mm 的不銹鋼螺栓緊固，壓條上的通孔直徑為Φ10 mm。每段壓條的接縫處無(wú)緊固措施。

（3）Y 型密封條是中冷典型的密封材料，滿足中冷密封要求。

（4）由于密封結(jié)構(gòu)的特殊性，每根壓條的接縫處、壓條的開(kāi)孔處是薄弱點(diǎn)。

由于Y 型密封條的密封特性，部分位置存在輕微泄露，導(dǎo)致壓條兩頭的受力模型為懸臂梁結(jié)構(gòu)，在距離壓條兩頭最近的固定螺栓處負(fù)荷最大，且此負(fù)荷為交變負(fù)荷，同時(shí)，該處的密封條開(kāi)有Φ10 mm的通孔，壓條截面長(zhǎng)度最小處僅為14 mm。由于壓條材質(zhì)塑性低、強(qiáng)度低，則會(huì)在螺栓緊固處疲勞斷裂。Y 型密封條在沒(méi)有壓條的預(yù)緊力后迅速損壞，而斷裂的壓條和損壞的Y型密封條隨著氣流進(jìn)入二級(jí)進(jìn)口管，掛在了二級(jí)進(jìn)口導(dǎo)葉和二級(jí)葉輪上，導(dǎo)致故障現(xiàn)象最初表現(xiàn)在二級(jí)軸振動(dòng)的變化。

3 處理措施及效果

通過(guò)以上分析，基本確定故障的根本原因，為保證第一時(shí)間復(fù)產(chǎn)，采取臨時(shí)處理措施修復(fù)設(shè)備，同時(shí)，制定徹底消除故障隱患的方案，待條件允許時(shí)實(shí)施，具體處理措施如下：

（1）檢查中冷內(nèi)部其余壓條、Y 型密封條及固定螺栓，除少量Y型密封條密封效果較差外均無(wú)異常。臨時(shí)修復(fù)部分損壞的Y 型密封條，在頂部隔板兩側(cè)利用5#不銹鋼角鋼對(duì)夾封堵，每側(cè)角鋼的一端與中冷芯子的頂板分段焊接固定，另一端對(duì)夾在中冷頂部的隔板上，盡量減少空氣短路的面積，保證中冷的冷卻效果。由于角鋼的一端與隔板可以滑動(dòng)，可以有效補(bǔ)償各零部件因溫度變化的形變。由于臨時(shí)修復(fù)措施只能在短期內(nèi)防止故障劣化，中冷的其它位置未損壞的密封依然存在類(lèi)似故障隱患，后期待時(shí)機(jī)需對(duì)中冷密封改進(jìn)，主要從更換中冷所有Y型密封條、重新選用整條強(qiáng)度更高的壓條（如304不銹鋼）等方面入手。

（2）確認(rèn)振動(dòng)對(duì)二級(jí)轉(zhuǎn)子的影響。拆除二級(jí)入口導(dǎo)葉及進(jìn)口擴(kuò)壓器，對(duì)二級(jí)葉輪及葉輪密封全面檢查。經(jīng)外觀檢查確認(rèn)，二級(jí)葉輪無(wú)明顯異常，葉輪表面有少量積灰結(jié)垢；二級(jí)葉輪密封良好，無(wú)損壞。葉輪清理干凈后回裝。

（3）確認(rèn)振動(dòng)對(duì)增速箱的影響。拆開(kāi)增速箱箱檢查人孔，檢查齒輪箱內(nèi)齒輪嚙合及磨損情況，并檢查轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是否有剮蹭的情況。經(jīng)盤(pán)車(chē)檢查后，齒輪箱內(nèi)齒輪嚙合情況良好，齒面無(wú)磨損，各級(jí)轉(zhuǎn)子運(yùn)行情況良好，無(wú)剮蹭現(xiàn)象。停止盤(pán)車(chē)后，從齒輪箱的檢查人孔進(jìn)入齒輪箱內(nèi)，對(duì)各級(jí)軸承壓蓋預(yù)緊螺栓檢查，各預(yù)緊螺栓緊固無(wú)松動(dòng)。

（4）確認(rèn)地腳螺栓緊固合理。該空壓機(jī)主機(jī)安裝于油箱上，油箱與基礎(chǔ)通過(guò)地腳螺栓緊固。檢查空壓機(jī)與油箱的連接螺栓，無(wú)松動(dòng)；檢查油箱的地腳螺栓，東西布置2 排，共8 顆。該空壓機(jī)地腳最東側(cè)、最西側(cè)共4顆地腳螺栓為滑動(dòng)螺栓，螺帽與油箱底板間隙約為0.5 mm，用于消除齒輪箱的熱變形；中間4顆地腳螺栓為固定螺栓，按要求的預(yù)緊力緊固?，F(xiàn)場(chǎng)檢查滿足設(shè)備安裝要求。

（5）空壓機(jī)各零部件回裝，經(jīng)各專業(yè)口檢查確認(rèn)，具備試車(chē)條件。

空壓機(jī)開(kāi)機(jī)后，二級(jí)X 向軸振動(dòng)VXIAS1004 點(diǎn)下降至16 μm，其它各級(jí)振動(dòng)基本恢復(fù)至故障前的數(shù)值，故障排除。由于空壓機(jī)中冷修復(fù)采取臨時(shí)修復(fù)措施，長(zhǎng)期運(yùn)行依然存在故障隱患，如冷卻效率較低、采用的角鋼可能對(duì)其它零部件造成磨損等。為了徹底消除故障隱患，必須對(duì)該中冷徹底修復(fù)，抽出中冷的芯子，更換整根Y型密封條，并更換壓條的材質(zhì)，比如選用不銹鋼304 等性能更好的材料。由于修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，必須提前計(jì)劃、備料，利用合適的時(shí)機(jī)及時(shí)實(shí)施。

4 結(jié)束語(yǔ)

該空壓機(jī)由于中冷密封損壞，進(jìn)而造成二級(jí)軸振動(dòng)異常，在采取臨時(shí)修復(fù)措施后，設(shè)備恢復(fù)正常。通過(guò)介紹該空壓機(jī)的故障現(xiàn)象，分析故障原因，實(shí)施處理措施，防止了設(shè)備故障劣化，消除了設(shè)備隱患。