半貧砜胺液泵驅(qū)動透平軸承振動故障分析

楊林，林萬洲，劉拴儀，孫雷，甘春榮

（中國石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司，成都 610021）

某高含硫項目凈化廠共3 列天然氣凈化處理裝置，每列裝置設(shè)計安裝有半貧砜胺液泵2 臺，分別采用電機和蒸汽透平驅(qū)動，用于將尾氣處理單元SCOT 吸收塔來的半貧液輸送至脫硫單元的吸收塔。項目作業(yè)權(quán)移交之前，由于透平調(diào)試故障較多，一直未能有效投用，長期運行電機驅(qū)動半貧砜胺液泵。項目作業(yè)權(quán)移交之后 ，針對透平驅(qū)動半貧砜胺液泵無法投用，一旦電機泵發(fā)生故障，裝置面臨停車風(fēng)險，對驅(qū)動透平進(jìn)行了重新調(diào)試。透平調(diào)試正常后，在聯(lián)泵投用過程中，第2 列半貧砜胺液泵（透平驅(qū)動）始終存在透平驅(qū)動端振動高導(dǎo)致聯(lián)鎖跳停問題。擬利用專業(yè)的振動監(jiān)測儀現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，振動分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，找出引起透平驅(qū)動端振動聯(lián)鎖的根本原因，解決設(shè)備故障，保證裝置的穩(wěn)定運行。

1 半貧砜胺液泵及驅(qū)動透平簡介

半貧砜胺液泵和透平的主要參數(shù)見表1。驅(qū)動透平是單級汽輪機（如圖1 所示），由一個蒸汽進(jìn)氣閥控制，所使用轉(zhuǎn)子盤通過鍵連接和熱縮方式固定到轉(zhuǎn)子軸上，轉(zhuǎn)子總成上采用兩個單獨的直邊盤，每個轉(zhuǎn)子盤包含一排動葉片，一個軸套密封、轉(zhuǎn)子定位軸承、超速跳車機構(gòu)。驅(qū)動透平徑向軸承采用滑動軸承，內(nèi)襯巴氏合金，水平剖分，透平軸承振動報警值為64 μm，聯(lián)鎖停機值為100 μm。

表1 半貧液透平驅(qū)動泵參數(shù)Table 1 Parameters of semi lean liquid turbine driven pump

2 問題描述

凈化廠第2 列裝置半貧砜胺液泵P-070902-2B 在啟機升速至1 800 ～ 2 000 r/min 區(qū)間時，始終存在透平驅(qū)動端振動高導(dǎo)致聯(lián)鎖跳停問題，通過多次修改透平PLC 控制柜參數(shù)改變透平啟動升速速度，但始終未解決該問題?，F(xiàn)場利用專業(yè)的振動監(jiān)測儀采集振動數(shù)據(jù)顯示：透平驅(qū)動端振動在臨近1 800 r/min 時急劇攀升，如圖1 所示。同時，對泵體軸承箱進(jìn)行了振動監(jiān)測，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

圖1 蒸汽透平結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural diagram of steam turbine

3 透平驅(qū)動端軸承振動高原因查找

現(xiàn)場采集半貧砜胺液泵P-070902-2B 驅(qū)動透平升速過程的振動數(shù)據(jù)，并與第1、2 列半貧砜胺液泵透平啟機過程的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)透平啟機升速臨近1 800 r/min 時均存在頻率約3 120 Hz 的軸承振動增大現(xiàn)象（如圖3 所示），但第1、2 列透平軸承振動未達(dá)到聯(lián)鎖值。初步判斷透平葉輪可能存在約3 120 Hz 的固有頻率，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至1 500 ～ 1 800 r/ min時，蒸汽噴射葉片產(chǎn)生的氣流激振頻率與該透平轉(zhuǎn)子存在的固有頻率重合，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致軸承振動被放大?？紤]高溫蒸汽以一定角度噴射葉輪葉片的工作方式，氣流激振力直接作用在葉輪圓盤面上，在激振頻率接近圓盤固有頻率時激起圓盤共振模態(tài)的可能性較大，決定通過核實透平轉(zhuǎn)子固有頻率和氣流激振頻率進(jìn)一步驗證判斷[1-5]。

圖2 透平驅(qū)動端軸承振動加速度有效值-升速曲線（1 830 r·min-1 時跳停）Fig.2 Effective value of bearing vibration acceleration at turbine drive end - speed rise curve （skip stop at 1 830 r·min-1）

圖3 3 列透平驅(qū)動端振動加速度頻譜（3 000 ～ 3 200 Hz）Fig.3 Vibration acceleration spectrum of turbine drive end of 3 trains（3 000 ～ 3 200 Hz）

3.1 透平轉(zhuǎn)子固有頻率

該透平一階臨界轉(zhuǎn)速為8 850 r/min，對應(yīng)頻率僅為147.5 Hz，遠(yuǎn)低于實測的某固有頻率3 120 Hz，說明該頻率不是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階固有頻率。通過對庫房存放的轉(zhuǎn)子圓盤進(jìn)行敲擊測試，可見葉輪圓盤模態(tài)豐富，其中一處約3 000 Hz 的固有頻率較突出，如圖4所示。

圖4 透平葉輪圓盤面敲擊測試響應(yīng)譜Fig.4 Response spectrum of turbine impeller disk surface knocking test

3.2 激振頻率

3.2.1 葉片通過頻率

該透平小葉輪葉片數(shù)為166，大葉輪葉片數(shù)為158，葉片通過頻率為葉片數(shù)與轉(zhuǎn)頻乘積，通過計算可知葉片通過頻率與3 120 Hz 相差甚遠(yuǎn)。

3.2.2 激振頻率屬非同步頻率

隨著轉(zhuǎn)速的升高，振動頻譜中可見葉片通過頻率正比例增長，但該激振頻率僅出現(xiàn)微小的增長（如圖5 所示），與轉(zhuǎn)頻無固定數(shù)值關(guān)系。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下透平驅(qū)動端垂直方向振動加速度頻譜/波形Fig.5 Spectrum / waveform of vertical vibration acceleration at turbine driving end at different speeds

通過分析透平1 500 ～ 1 800 r/min 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動加速度頻譜可知，當(dāng)該氣流激振頻率約3 120 Hz時振動幅值最高。振動頻譜主要頻率成分均為該氣流激振頻率，且數(shù)值穩(wěn)定在3 120 Hz 附近，能量占比最大，是導(dǎo)致透平在1 800 r/min 附近振動聯(lián)鎖跳機的直接原因，如圖6 所示。

圖6 升速過程透平驅(qū)動端垂直方向振動加速度頻譜瀑布圖Fig.6 Spectrum waterfall diagram of vertical vibration acceleration at turbine driving end during speed increase

3.3 透平單試

透平調(diào)試時，因透平汽封碳環(huán)要進(jìn)行多次磨合，做超速機械脫扣試驗等，透平進(jìn)行了長時間單獨運行，運轉(zhuǎn)過程中，各項運行參數(shù)符合設(shè)計要求，透平軸承振動在線監(jiān)測數(shù)值較小，且在升速過程中也未發(fā)現(xiàn)有軸承振動數(shù)值有明顯增大，未用振動監(jiān)測儀進(jìn)行振動數(shù)據(jù)采集和分析。

因第2 列半貧砜胺液泵透平聯(lián)機啟動超過振動聯(lián)鎖值，觸發(fā)在線振動位移探頭聯(lián)鎖，決定對P-070902-2B 脫開聯(lián)軸器單試透平，采集振動數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。通過對振動監(jiān)測儀采集的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)軟件分析，透平驅(qū)動端振動頻譜可見轉(zhuǎn)頻及其1 ～ 5 倍基頻成分，振動波形中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)松動振動沖擊特征突出，如圖7 所示，綜合判斷透平驅(qū)動端存在旋轉(zhuǎn)松動。

圖7 P-070902-2B 透平單試驅(qū)動端振動速度頻譜/波形Fig.7 P-070902-2B vibration velocity spectrum / waveform of turbine single test drive end

4 分析結(jié)論

（1）透平轉(zhuǎn)子部件存在約3 120 Hz 的固有頻率。

（2）當(dāng)透平帶負(fù)荷升速至約1 500 ～ 1 800 r/min區(qū)間時激振頻率為高溫蒸汽通過調(diào)速閥閥瓣或噴射葉片產(chǎn)生的氣流激振頻率約3 120 Hz，該轉(zhuǎn)速區(qū)間以外則不存在該頻率。

（3）當(dāng)脫開聯(lián)軸器單試透平時，在0 ～ 2 980 r/min 全轉(zhuǎn)速范圍均未出現(xiàn)該氣流激振頻率。說明該氣流激振頻率的產(chǎn)生與蒸汽流量直接相關(guān)，僅在帶載1 500 ～ 1 800 r/min 工況下才能形成，而且該激振頻率范圍包含透平轉(zhuǎn)子葉輪固有頻率。

（4）該共振現(xiàn)象均表現(xiàn)在透平驅(qū)動端，而非驅(qū)動端幾乎不受影響，分析可能是非驅(qū)動端存在推力軸承，關(guān)支承剛度較大。

綜上分析，可判斷驅(qū)動端支承剛度偏低，透平驅(qū)動端軸瓦可能存在間隙超標(biāo)等問題，是P-070902-2B 透平啟機階段（1 800 r/min 左右）共振幅值被顯著放大導(dǎo)致聯(lián)鎖跳停的主因[6-9]。

5 處理措施

拆檢P-070902-2B 透平驅(qū)動端軸承箱，檢查發(fā)現(xiàn)軸瓦下瓦巴氏合金輕微剝落，瓦背腐蝕發(fā)黑（如圖8 所示），測量檢查發(fā)現(xiàn)透平驅(qū)動端軸瓦間隙過大（0.35 mm），超出標(biāo)準(zhǔn)0.18 ～ 0.25 mm 的上限0.10 mm，對軸瓦進(jìn)行了更換。

圖8 P-070902-2B 透平驅(qū)動端軸瓦Fig.8 P-070902-2B turbine drive end bearing bush

P-070902-2B 透平驅(qū)動端軸瓦更換后，透平與泵安裝聯(lián)軸器并進(jìn)行熱對中。具備啟動條件后，透平帶負(fù)荷啟動成功。

6 結(jié)論

通過專業(yè)的振動數(shù)據(jù)采集和分析設(shè)備，對3 臺透平啟機過程的振動進(jìn)行采樣分析，查明透平存在共振區(qū)，在升速過程中振動增大原因，給設(shè)備檢維修提供指導(dǎo)意見。也充分說明設(shè)備振動監(jiān)測分析作為動設(shè)備預(yù)知性維護(hù)的有效工具，合理地掌握運用，就能不斷提高設(shè)備管理維護(hù)水平。