狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在循環(huán)氣壓縮機(jī)電機(jī)振動故障診斷中的應(yīng)用

呂志堅

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

循環(huán)氣壓縮機(jī)是為氣相反應(yīng)物和惰性組分提供動力的設(shè)備，可使其在含少量催化劑的樹脂流化床中連續(xù)循環(huán)；循環(huán)氣流經(jīng)樹脂床，使床層流化并帶走聚合熱，然后再通過循環(huán)氣冷卻器從循環(huán)氣中撤走聚合反應(yīng)熱及壓縮熱。壓縮機(jī)非計劃停車將終止硫化樹脂床反應(yīng)， 造成裝置停工及大量原料浪費(fèi)。某石化廠循環(huán)氣壓縮機(jī)在歷年運(yùn)行中， 故障主要表現(xiàn)為氣相反應(yīng)物介質(zhì)中粉料在壓縮機(jī)葉輪上結(jié)料， 造成轉(zhuǎn)子動平衡精度下降；為適應(yīng)市場需求， 產(chǎn)品牌號頻繁轉(zhuǎn)換， 不同粘性產(chǎn)品在葉輪上結(jié)料的速度不同， 導(dǎo)致故障發(fā)生的頻率也不同。而本文所述的電機(jī)軸瓦頻繁波動的故障在該壓縮機(jī)運(yùn)行過程中首次出現(xiàn)， 在拆檢時找出故障的原因， 并采取科學(xué)合理的措施， 徹底解決了該問題。下面詳細(xì)介紹故障現(xiàn)象及分析診斷過程。

1 設(shè)備概況

1.1 機(jī)組簡介

某石化廠循環(huán)氣壓縮機(jī)為日本神戶制鋼公司生產(chǎn)的單級、開式葉輪、恒速離心式壓縮機(jī)，型號為DH9M。循環(huán)氣循環(huán)流率由壓縮機(jī)吸入口的入口導(dǎo)葉控制。該壓縮機(jī)功率為5 100 kW；進(jìn)口壓力為2.262 MPa，出口壓力為2.43 MPa，設(shè)計壓力為3.103 MPa；操作溫度為45～100 ℃，設(shè)計溫度為170 ℃；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為2 983 r/min；設(shè)計流量為57 375 m3/h；機(jī)體總質(zhì)量37 000 kg；密封系統(tǒng)采用約翰克蘭干氣密封系統(tǒng)；驅(qū)動機(jī)采用了雙驅(qū)動機(jī)方式，由蒸汽透平通過液力耦合器與電機(jī)非驅(qū)動端連接，再由電機(jī)與壓縮機(jī)連接，可實現(xiàn)節(jié)能降耗。

1.2 機(jī)組振動測點分布及壓縮機(jī)機(jī)組結(jié)構(gòu)

機(jī)組振動測點分布及壓縮機(jī)機(jī)組結(jié)構(gòu)分別見圖1和圖2。

圖1 機(jī)組振動測點分布

圖2 壓縮機(jī)機(jī)組結(jié)構(gòu)

2 電機(jī)軸瓦振動波動故障現(xiàn)象

2019年9月，對壓縮機(jī)進(jìn)行了解體檢修、葉輪水力清洗，更換干氣密封，檢查電機(jī)軸瓦，并在軸承座上加裝了熱電偶溫度探頭，實現(xiàn)二選二溫度聯(lián)鎖保護(hù)。開機(jī)后，電機(jī)驅(qū)動側(cè)振動較檢修前有增大現(xiàn)象，并且存在幅值波動，運(yùn)行至2020年9月，波動頻次及幅值均有所增大。SG8000在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示：2020年9月15日 06：36：04，電機(jī)驅(qū)動端探頭VI40304A/B振動幅值從37.4 μm/14.24 μm上漲到8:26:05的85.11 μm/51.78 μm，然后再回落至9:26:04的25.2 μm/21.2 μm。壓縮機(jī)聯(lián)軸器端探頭VI40303B也跟隨電機(jī)驅(qū)動端出現(xiàn)11 μm的反向波動。隨后，2020年9月16日再次出現(xiàn)波動。2020年9月21日23:41:57， 電機(jī)驅(qū)動端VI40304A波動至峰值94.73 μm，VI40304B波動至峰值63.89 μm，相應(yīng)地，壓縮機(jī)聯(lián)軸器側(cè)出現(xiàn)跟隨性振動，而電機(jī)非驅(qū)動端及壓縮機(jī)非聯(lián)軸器未出現(xiàn)波動。

3 振動故障原因監(jiān)測與分析

3.1 狀態(tài)監(jiān)測圖譜

通過對機(jī)組振動及溫度進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：振動波動主要集中在壓縮機(jī)與電機(jī)之間的聯(lián)軸器兩側(cè)徑向振動測點，與電機(jī)側(cè)振動幅值上漲相對應(yīng)的是壓縮機(jī)側(cè)振動幅值的變化， 當(dāng)幅值變化較小時， 其余測點無變化； 各軸瓦溫度無同步變化。因此，可將故障部位縮小到壓縮機(jī)與電機(jī)之間的聯(lián)軸器兩側(cè)。

3.2 圖譜分析及故障診斷

分析波動期間振動趨勢圖發(fā)現(xiàn)：電機(jī)驅(qū)動端x和y方向同步出現(xiàn)振動正向波動(如圖3所示)；壓縮機(jī)驅(qū)動端x和y方向同步出現(xiàn)振動負(fù)向波動(如圖4所示)。波動期間電機(jī)驅(qū)動端時域波動為正弦波，波形光滑無毛刺，從頻域中可以看出，通頻幅值波動主要是由于1X幅值增加所致(見圖5)；瀑布圖中無新增頻率成分出現(xiàn)，工頻幅值成分波動為同頻值波動的主導(dǎo)因素，其余頻率成分無增大變化(見圖6)。從軸心位置圖可以看出，當(dāng)振動幅值達(dá)到最大時，軸心位置向上移動了17 μm，轉(zhuǎn)子偏心率減小，穩(wěn)定性下降【1】(見圖7)；從軸心軌跡可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)長時間反進(jìn)動，此時轉(zhuǎn)子存在輕微碰磨。提純后的軸心軌跡呈長軸遠(yuǎn)大于短軸的橢圓形，在x軸方向較長(見圖8)。由此可以判斷，轉(zhuǎn)子在波動過程中，振幅較大，垂直方向受轉(zhuǎn)子重力作用，抑制了振動值幅值增大【1】，水平方向出現(xiàn)了大幅波動。根據(jù)軸瓦溫度趨勢可以判斷，轉(zhuǎn)子與軸瓦并無接觸；根據(jù)反進(jìn)動出現(xiàn)時間及波動特征可以判斷，電機(jī)驅(qū)動端出現(xiàn)了軟碰磨【2】。

圖3 電機(jī)驅(qū)動端徑向振動趨勢

圖5 電機(jī)驅(qū)動端徑向振動波形頻譜

圖6 電機(jī)驅(qū)動端徑向振動瀑布

圖7 電機(jī)與壓縮機(jī)之間聯(lián)軸器側(cè)軸心位置

圖8 電機(jī)與壓縮機(jī)之間聯(lián)軸器側(cè)軸心軌跡

3.3 檢修情況分析

2019年大修期間，電機(jī)驅(qū)動端更換軸瓦和油封， 更換后電機(jī)軸瓦間隙為聯(lián)軸器側(cè)0.21 mm、非驅(qū)動端側(cè)0.22 mm，電機(jī)主軸軸瓦部位軸徑為φ159.79 mm，軸瓦安裝間隙符合檢修標(biāo)準(zhǔn)要求(0.16～0.26 mm)。電機(jī)軸徑、軸瓦測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 電機(jī)軸徑、軸瓦測量數(shù)據(jù)

檢修期間更換的電機(jī)軸瓦為原廠配件，經(jīng)各項檢查合格后使用。電機(jī)擋塵環(huán)因拆檢時損壞，由密封廠家進(jìn)行了測繪加工制作，由于該零件在圖紙上并未標(biāo)明規(guī)格尺寸，而電機(jī)驅(qū)動端擋塵環(huán)已安裝完畢，無法進(jìn)行對比；檢修人員對新?lián)鯄m環(huán)進(jìn)行了尺寸檢測，發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外徑不完全符合安裝配合間隙。由此可以判斷，電機(jī)驅(qū)動端出現(xiàn)的軟碰磨很可能為該擋塵環(huán)導(dǎo)致的。擋塵環(huán)材質(zhì)為聚甲醛，上、下兩半圓弧由彈簧固定，應(yīng)該具有一定補(bǔ)償和隨動性能。檢修更換配件清單見表2。

表2 檢修更換配件清單

3.4 診斷結(jié)論

電機(jī)動、靜部分存在軟碰磨，可以確定碰磨部位在驅(qū)動端，排除軸瓦及油封碰磨的可能性。轉(zhuǎn)子軸系無機(jī)械故障；與電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)軟碰磨的部件應(yīng)為電機(jī)驅(qū)動端擋塵環(huán)；擋塵環(huán)受軸向和徑向位置限制，與轉(zhuǎn)軸接觸，其復(fù)位后，振動波動消失。轉(zhuǎn)軸與聚甲醛擋塵環(huán)碰磨屬于剛性和柔性材質(zhì)的碰磨，作用時間較長，摩擦過程出現(xiàn)轉(zhuǎn)子反進(jìn)動，時域波形并未出現(xiàn)削波現(xiàn)象。電渦流傳感器安裝在軸承箱外側(cè)單獨的殼體上，貼近擋塵環(huán)部位，當(dāng)發(fā)生碰磨時殼體受到?jīng)_擊，在頻域中表現(xiàn)為工頻振動增大，在殼振監(jiān)測中表現(xiàn)為同步振動增大。

4 拆檢及故障驗證

為避免壓縮機(jī)非計劃停機(jī)帶來的影響，決定進(jìn)行停機(jī)檢修。拆檢新加裝的熱電偶溫度傳感器，未發(fā)現(xiàn)機(jī)械干擾；拆檢軸承箱上蓋，檢查軸瓦，未發(fā)現(xiàn)磨損現(xiàn)象；測量軸瓦間隙、瓦背緊力，均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；測量電機(jī)隔爆環(huán)間隙、油封間隙，未發(fā)現(xiàn)磨損；檢查擋塵環(huán)發(fā)現(xiàn)，其端面較舊環(huán)增加0.2 mm，內(nèi)徑增大0.7 mm，外徑增大8.6 mm，外徑與殼體間隙為零。

擋塵環(huán)外徑間隙小造成其安裝后在殼體中呈現(xiàn)無法自動調(diào)節(jié)狀態(tài)，隨動補(bǔ)償性能下降，轉(zhuǎn)軸與擋塵環(huán)間隙變得不均勻，最小部位小于軸瓦間隙。運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)軸與擋塵環(huán)接觸后產(chǎn)生軟碰磨，導(dǎo)致振動逐漸增大；當(dāng)卡澀的擋塵環(huán)在持續(xù)轉(zhuǎn)軸離心力作用下慢慢在環(huán)槽內(nèi)調(diào)整到合適位置時，軟碰磨減緩，振動降低。如受到溫度變化影響，則會再次出現(xiàn)碰磨情況。擋塵環(huán)安裝位置見圖9。

圖9 擋塵環(huán)安裝位置

由于無新配件可供更換，為了保證電渦流傳感器安裝腔體內(nèi)的潔凈度，將舊擋塵環(huán)去除，在腔體外側(cè)對稱安裝兩條進(jìn)氣線。改造后進(jìn)氣線安裝見圖10。通過進(jìn)氣線通入氣體，可使腔體內(nèi)保持微正壓，防止灰塵、油水進(jìn)入腔體。經(jīng)上述改造處理后，徹底解決了電機(jī)振動波動故障，使機(jī)組的運(yùn)行恢復(fù)平穩(wěn)。

圖10 改造后進(jìn)氣線安裝