壓縮機(jī)組在狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下動(dòng)靜碰磨故障診斷探究

文冰

（中國(guó)石油四川石化有限責(zé)任公司，四川 成都 611930）

1 前言

透平式壓縮機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕，應(yīng)用范圍較廣，并且在諸多應(yīng)用場(chǎng)合下具有無法替代的地位。作為一種工業(yè)裝備，它廣泛應(yīng)用于石油精煉、化工、冶煉、天然氣運(yùn)輸、制冷和礦山通風(fēng)等諸多重要部門；作為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的基本組成元件，在航空、水、陸交通運(yùn)輸和發(fā)電等領(lǐng)域隨處可見；作為增壓器，已成為當(dāng)代內(nèi)燃機(jī)不可缺少的組成部件。在諸如大型化肥、大型乙烯等工藝裝置中，它所需投資可觀，耗能比重大，其性能的高低直接影響裝置經(jīng)濟(jì)效益，安全運(yùn)行與整個(gè)裝置的可靠性緊密相關(guān)，因而成為備受關(guān)注的心臟設(shè)備。

透平壓縮機(jī)運(yùn)行過程中由于動(dòng)靜結(jié)構(gòu)部件運(yùn)動(dòng)干涉導(dǎo)致碰磨是較為常見的故障，主要發(fā)生在機(jī)組動(dòng)靜葉片密封、轉(zhuǎn)子軸封以及滑動(dòng)軸承等處。這種動(dòng)靜碰磨狀態(tài)早期容易造成機(jī)組內(nèi)的密封磨損和失效，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)升高或者級(jí)間泄露損失，碰磨后期長(zhǎng)期的沖擊力甚至有可能導(dǎo)致機(jī)組葉片突然斷裂，嚴(yán)重情況下，斷裂葉片和其他葉片碰撞引發(fā)二次葉片斷裂事故，迫使機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)檢修，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失以及安全事故。

為了保障設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，防止突發(fā)事故，避免設(shè)備事故帶來的危害以及經(jīng)濟(jì)效益損失，實(shí)施基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)防維修已經(jīng)成為現(xiàn)代化設(shè)備管理的重要方向。

2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)是指用人工或?qū)Ｓ玫膬x器工具，對(duì)規(guī)定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行間斷或連續(xù)的(周期)監(jiān)測(cè)，掌握設(shè)備運(yùn)行所處于的狀態(tài)，判定設(shè)備是處于正常狀態(tài)還是異常狀態(tài)的一種方法。可監(jiān)測(cè)的設(shè)備動(dòng)態(tài)參數(shù)有壓力、流量、溫度、振動(dòng)、油液與噪聲等。狀態(tài)檢測(cè)的目的在于掌握設(shè)備發(fā)生故障之前的異常征兆與劣化信息，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，判定其處于正?；蚍钦顟B(tài)，以便事前采取針對(duì)性措施，控制和防止故障的發(fā)生。故障診斷依托專業(yè)的技術(shù)人員對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精密分析，精準(zhǔn)鎖定設(shè)備潛在的故障位置，故障類型和嚴(yán)重程度，提出故障治理措施和方案，為操作人員和檢修人員指明正確的方向，避免盲目處理。

基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)進(jìn)行設(shè)備管理可以有效指導(dǎo)設(shè)備檢修，提高設(shè)備管理水平，防患于未然，將事故消滅在萌芽，獲得潛在的巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，推行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)，有助于降低設(shè)備維護(hù)成本，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，最大限度提高以生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的管理。

3 動(dòng)靜碰磨故障特征

3.1 物理特征

設(shè)備運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件之間發(fā)生干涉稱為動(dòng)靜碰磨。轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡較差、轉(zhuǎn)軸彎曲度過大、對(duì)中不良以及熱膨脹不均造成的間隙不足等都有可能引起動(dòng)靜部件發(fā)生干涉碰磨。

離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子碰磨故障包含三種物理現(xiàn)象：碰撞、摩擦和軸系剛度的改變。

碰撞產(chǎn)生的效應(yīng)體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：①改變轉(zhuǎn)子的振動(dòng)形態(tài)。碰撞相當(dāng)于給轉(zhuǎn)子及靜子一個(gè)脈沖，能將轉(zhuǎn)子和靜子的固有頻率激發(fā)起來。因此，轉(zhuǎn)子的實(shí)際振動(dòng)是由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)和沖擊產(chǎn)生的自由振動(dòng)的疊加而成的，從而使振動(dòng)頻譜中的高頻分量增加。②碰磨點(diǎn)限制了轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子的振動(dòng)波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生削波現(xiàn)象。

摩擦產(chǎn)生的效應(yīng)為：①動(dòng)靜部分摩擦，使機(jī)組的零部件磨損，影響機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，使機(jī)組的效率下降。②使轉(zhuǎn)子和靜子局部過熱，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱態(tài)彎曲。③產(chǎn)生切向摩擦力，使轉(zhuǎn)子從正向渦動(dòng)轉(zhuǎn)向反向渦動(dòng)。

軸系剛度不僅與轉(zhuǎn)子的材料有關(guān)，而且與軸系的邊界條件有關(guān)，動(dòng)靜碰磨時(shí)，邊界條件改變了，若其剛度變化，則固有頻率變化，軸系將不穩(wěn)定，可能發(fā)生自激振動(dòng)。

基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集轉(zhuǎn)子軸振動(dòng)信號(hào)，轉(zhuǎn)子發(fā)生動(dòng)靜碰磨時(shí)振動(dòng)信號(hào)特征如下：

3.2 振動(dòng)特征

轉(zhuǎn)子在正常狀態(tài)下的自轉(zhuǎn)頻率為ω0，當(dāng)機(jī)械設(shè)備發(fā)生碰磨故障時(shí)，轉(zhuǎn)子受到外力沖擊。在力的作用下，轉(zhuǎn)子發(fā)生彎扭耦合振動(dòng)[61]，轉(zhuǎn)子異常扭振信息會(huì)體現(xiàn)在彎曲振動(dòng)信號(hào)的相位中[62]，在橫振信號(hào)中則體現(xiàn)為調(diào)頻信息，轉(zhuǎn)子故障狀態(tài)下的實(shí)際頻率ωi的表達(dá)式為：

式中：ω0為自轉(zhuǎn)頻率/rad·s-1；ωm為調(diào)制頻率/rad·s-1；Am為調(diào)制信號(hào)幅值；φm 為調(diào)制信號(hào)相位/°；ωi為實(shí)際頻率/rad·s-1。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度即為ωi隨時(shí)間的積分，表達(dá)式如下：

碰磨故障信號(hào)的一般表達(dá)式為：

綜上可得碰磨故障的信號(hào)表現(xiàn)形式：

其特征為：

（1）時(shí)域波形出現(xiàn)削波現(xiàn)象，波形的波峰或者波谷被削去一部分，削去的量由碰磨嚴(yán)重程度決定。削波現(xiàn)象從信號(hào)合成原理上看，是疊加了其他高倍諧波成分的結(jié)果；

（2）頻譜成分比較豐富，會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻、2 倍、3 倍等高次諧波頻率成分，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)1/2、1/3 等分?jǐn)?shù)倍頻率成分；

（3）軸心軌跡比較紊亂而且形狀多樣，當(dāng)發(fā)生局部碰磨時(shí)，軸心軌跡會(huì)出現(xiàn)尖點(diǎn)、呈現(xiàn)“8”字形，故障嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)花瓣形；

（4）二維全息譜中高倍橢圓增多、幅值增大，全息橢圓的偏心率較大，轉(zhuǎn)頻橢圓會(huì)出現(xiàn)反進(jìn)動(dòng)。

4 某透平壓縮機(jī)機(jī)組碰磨故障案例分析

4.1 機(jī)組信息

某石化蠟油裝置一臺(tái)關(guān)鍵機(jī)組循環(huán)氫透平壓縮機(jī)機(jī)組信息如下：

汽輪機(jī)型號(hào)：NG32/25/0，輸送介質(zhì)：蒸汽，類型：背壓式，額定轉(zhuǎn)速：12100r/min，額定功率：2848KW，額定進(jìn)氣壓力：4.0MPa，額定進(jìn)氣溫度：420 ℃，額定排氣壓力：1.32MPa。

壓縮機(jī)型號(hào)：BCL409/B，工作介質(zhì)：循環(huán)氫，類型：離心式，壓縮機(jī)軸功率：2815kW，額定轉(zhuǎn)速：12100r/min，最大連續(xù)轉(zhuǎn)速：12705r/min，第一臨界轉(zhuǎn)速：4369r/min，第二臨界轉(zhuǎn)速：17139r/min，額定入口壓力：15.79MPa（A），額定進(jìn)口溫度：56.67℃，密封型式：干氣密封。

汽輪機(jī)和壓縮機(jī)采用聯(lián)合底座，使用潤(rùn)滑油站供油。機(jī)組布置如圖4-1 所示。該機(jī)組安裝了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)，壓縮機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，如徑向軸振動(dòng)，軸向軸位移，軸瓦溫度，機(jī)組轉(zhuǎn)速等。

圖4 -1 透平壓縮機(jī)布置圖

4.2 運(yùn)行概況

圖4 -2 汽輪機(jī)振動(dòng)趨勢(shì)

圖4 -3 2017-7-18 透平振動(dòng)趨勢(shì)

圖4 -4 2017-7-18 汽輪機(jī)1 倍頻振動(dòng)趨勢(shì)

該機(jī)組配備了實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從2016 年8 月25 日開始，該機(jī)組透平振動(dòng)開始出現(xiàn)振動(dòng)報(bào)警的情況，隨著時(shí)間的推移，報(bào)警頻率從2017 年6 月10 日開始逐漸升高，該機(jī)組汽輪機(jī)振動(dòng)趨勢(shì)如圖4-2 所示。

經(jīng)過初步分析，透平每次發(fā)生振動(dòng)波動(dòng)時(shí)，趨勢(shì)都是先緩慢上升，然后再緩慢下降，但波動(dòng)幅度不同，以2017 年7月18 日汽輪機(jī)振動(dòng)為例，波動(dòng)趨勢(shì)如圖4-3 所示。

4.3 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行精密分析，以2017 年7 月18 日振動(dòng)數(shù)據(jù)為例，透平振動(dòng)報(bào)警時(shí)一倍頻振動(dòng)幅值及相位趨勢(shì)如圖4-4 所示，同圖4-3 透平通頻振動(dòng)趨勢(shì)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通頻振動(dòng)幅值變化時(shí)，一倍頻幅值及相位都同步發(fā)生改變。振動(dòng)瀑布圖如圖4-5 所示，振動(dòng)波動(dòng)的時(shí)候主要是一倍頻幅值波動(dòng)，振動(dòng)平穩(wěn)時(shí)軸心軌跡如圖4-5 所示，振動(dòng)波動(dòng)至最高點(diǎn)時(shí)軸心軌跡如圖4-6 所示，通過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)波動(dòng)時(shí)，透平兩端的軸向軌跡形狀發(fā)生變化，驅(qū)動(dòng)端進(jìn)動(dòng)方向也由正進(jìn)動(dòng)變?yōu)榉催M(jìn)動(dòng)。

圖4 -5 振動(dòng)平穩(wěn)時(shí)透平軸心軌跡（左：驅(qū)動(dòng)端，右：非驅(qū)端）

圖4 -5 振動(dòng)平穩(wěn)時(shí)透平軸心軌跡（左：驅(qū)動(dòng)端，右：非驅(qū)端）

圖4 -6 振動(dòng)波動(dòng)至高點(diǎn)時(shí)透平軸心軌跡（左：驅(qū)動(dòng)端，右：非驅(qū)端）

4.4 結(jié)語(yǔ)及驗(yàn)證

4.4.1 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)升高期間，汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)端右側(cè)貓爪下墊片松動(dòng)，初步推測(cè)汽輪機(jī)氣缸整體受到外力被頂起。再根據(jù)以上狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析可以得出：

（1）汽輪機(jī)振動(dòng)波動(dòng)是由于一倍頻振動(dòng)幅值及相位發(fā)生波動(dòng)，引起一倍頻幅值和相位變化的原因主要是轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量在一定的時(shí)間內(nèi)發(fā)生了緩慢變化，波動(dòng)結(jié)束后又恢復(fù)原狀態(tài)，因此，推斷該汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生輕度碰磨，碰磨過程中轉(zhuǎn)子局部過熱，引起了轉(zhuǎn)子臨時(shí)性軸彎曲，導(dǎo)致一倍頻幅值和相位發(fā)生變化；

（2）導(dǎo)致轉(zhuǎn)子汽輪機(jī)動(dòng)靜碰磨的二次原因?yàn)椋涵h(huán)境、介質(zhì)溫度變化或管道應(yīng)力引起的汽輪機(jī)殼體熱變形、軸承座標(biāo)高變化，或高密度流體沖擊引起的轉(zhuǎn)子振動(dòng)擾動(dòng)等因素引起汽輪機(jī)定子與轉(zhuǎn)子間隙減小，從而導(dǎo)致汽輪機(jī)動(dòng)靜碰磨。

4.4.2 建議

根據(jù)2017 年機(jī)組振動(dòng)趨勢(shì)，繼續(xù)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)運(yùn)行，并保證蒸汽參數(shù)達(dá)標(biāo)和穩(wěn)定。建議大修期間，按計(jì)劃?rùn)z查：汽輪機(jī)管道支撐及管口應(yīng)力情況；轉(zhuǎn)子及葉片沖蝕狀況；檢查和調(diào)整軸瓦間隙及瓦背緊力；檢查汽封部位磨碰情況。

4.4.3 檢修反饋

2018 年4 月28 日，對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢修，發(fā)現(xiàn)問題如下：

（1）通過測(cè)量氣封間隙，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)殼體向南發(fā)生了偏移，導(dǎo)致南側(cè)氣封間隙較北側(cè)明顯大，南北兩側(cè)氣封與轉(zhuǎn)子間隙差值最大達(dá)0.25mm。

（2）動(dòng)、靜氣封多處出現(xiàn)明顯磨損。如圖4-7 所示。

（3）設(shè)計(jì)院對(duì)汽輪機(jī)入口管道進(jìn)行檢查、計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)南側(cè)入口管道處彈簧支架的彈性失效，蒸汽管道膨脹對(duì)汽輪機(jī)殼體產(chǎn)生作用力，造成汽輪機(jī)殼體位移、變形。

5 結(jié)語(yǔ)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷能夠?qū)υO(shè)備實(shí)行“健康”狀況連續(xù)監(jiān)測(cè)，便于專業(yè)技術(shù)人員及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)設(shè)備進(jìn)行健康評(píng)估，鎖定潛在故障，為操作人員和檢修人員提供有力的技術(shù)支持，及時(shí)處理故障，確保監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)行的可靠性、安全性和穩(wěn)定性，提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 -7 氣封磨損情況

本文針對(duì)動(dòng)靜碰磨機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并且基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)一起透平壓縮機(jī)軸瓦碰磨故障進(jìn)行了分析診斷，指導(dǎo)檢維修，避免盲目解體檢查，從而得以及時(shí)處理故障，保障機(jī)組運(yùn)行成功，配合全場(chǎng)裝置開工生產(chǎn)。