基于軸承狀態(tài)信號的壓縮機故障診斷及分析

陳忠偉 許少凡 鐘龍風 於 迪

(1.海洋石油富島有限公司 海南東方 572600；2.廣州機械科學研究院有限公司設備潤滑與檢測研究所 廣東廣州 510535)

壓縮機是可以提高氣體壓力和輸送氣體的機械裝置,通過儲存部分氣體介質(zhì),提高氣體壓力,形成具備一定壓力和流量的氣體,在冶金、石油開采、化工等領域有重要應用[1]。軸承的性能對系統(tǒng)正常運行具有重要意義,軸承故障會導致設備停機,嚴重時可能造成嚴重事故和重大經(jīng)濟損失。

軸承基本狀態(tài)參數(shù)包含大量的機械運行狀態(tài)信息,狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在設備運行中采集軸承運行狀態(tài)信號,通過對這些信號進行分析、處理、變換和識別,可以判斷設備的運行狀態(tài)[2]。LIN和WU[3]依據(jù)往復式壓縮機的缸蓋振動信號進行簡單分析探究,判斷壓縮機內(nèi)部的運行狀態(tài)。SAFIZADEH和LATIFI[4]針對振動故障,采用多源信息融合方法進行診斷研究。

油液監(jiān)測技術是指對機器在用潤滑油進行定期取樣檢測,分析油品理化指標和磨損指標的變化情況,實現(xiàn)對機器設備產(chǎn)生的故障進行有效診斷的目的[5]。趙桂芹等[6]采用鐵譜分析設備檢測油液中的磨粒情況,進而對壓縮機工作狀態(tài)進行預測與診斷。

海洋石油富島股份有限公司化肥二期合成氨裝置包括合成氣壓縮機組(103J/JT)及冷凍氨壓縮機組(105J/JT),兩臺機組共用一個油箱,使用的潤滑油為MOBIL DTE LIGHT汽輪機油。兩臺機組自2003年9月投入運行以來,壓縮機運行較為穩(wěn)定。2006年3月與2009年3月停車檢修時,發(fā)現(xiàn)油箱內(nèi)壁上和油面上有少量膠狀成塊的黑色異物,但軸承沒有明顯異常。2013年3月,機組潤滑油更換為SHELL TURBO J32。2018年10月,油液監(jiān)測顯示潤滑油污染度變高,鐵譜分析顯示油中存在大顆黑色物質(zhì),同時機組軸承溫度和振動開始出現(xiàn)頻繁波動。

本文作者結(jié)合軸承基本狀態(tài)參數(shù)與油液監(jiān)測分析,對軸承故障進行診斷,并針對性地提出解決方法,為機組精確維護和壓縮機安全穩(wěn)定運行提供對策。

1 油液監(jiān)測分析

合成氣壓縮機組(103J/JT)及冷凍氨壓縮機組(105J/JT)的詳細參數(shù)如表1所示。

表1 壓縮機組的詳細參數(shù)

為了更全面地對機組的潤滑狀態(tài)進行監(jiān)控和評估,2011年開始每月對機組在用油品進行檢測,除對油品的常規(guī)技術指標進行檢測外,還進行污染度、光譜元素、鐵譜磨損[7]等分析。

2018年10月對103J/JT合成氣壓縮機的油液監(jiān)測發(fā)現(xiàn),其主要理化指標正常,但污染度NAS 1638等級偏高(GB/T T7596要求運行中礦物渦輪機油SAEAS4059F顆粒污染等級≤8級,等同于NAS 1638等級8級[8]),監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 103J/JT壓縮機油液監(jiān)測數(shù)據(jù)

鐵譜分析顯示,油中存在大顆黑色物質(zhì),如圖1所示。

圖1 103J/JT壓縮機油液監(jiān)測鐵譜圖片F(xiàn)ig 1 Ferrography images of 103J/JT compressor oil monitoring

根據(jù)鐵譜分析結(jié)果,為進一步確定污染來源及影響,根據(jù)現(xiàn)場設備狀況,對軸承溫度、振動情況進行監(jiān)測分析。

2 軸承基本狀態(tài)參數(shù)

使用機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對機組轉(zhuǎn)子-軸承運行信號(溫度、振動和軸位移)進行實時監(jiān)測,對采集到的轉(zhuǎn)子振動運行信號進行加工和處理,形成轉(zhuǎn)子運行特征圖譜。主要特征圖譜包括趨勢圖、波形圖、頻譜圖(半頻/全頻)、軸心軌跡圖、波德圖、瀑布圖(半頻/全頻)和軸中心位置圖等。不同的機械運行故障,會有不同的特征圖譜,可以對機械故障類型進行診斷[9]。

2.1 參數(shù)趨勢分析

2018年10月1日開始,壓縮機低壓缸驅(qū)動側(cè)軸承溫度和振動開始出現(xiàn)頻繁波動,如圖2所示。隨后,軸承溫度和轉(zhuǎn)子振動均出現(xiàn)近似周期的波動,且有明顯的對應關系,初期軸承溫度緩慢波動上升,后期快速上升后極速下降,對應的轉(zhuǎn)子振動卻急速上升后緩慢下降。軸承溫度急速下降說明軸承潤滑環(huán)境瞬間得到改善,轉(zhuǎn)子振動的瞬間上升,同時伴隨著1X相位出現(xiàn)滯后,說明軸承可能與轉(zhuǎn)子發(fā)生了摩擦[10],能夠恢復則表明故障嚴重程度較輕。

圖2 103J/JT壓縮機軸承溫度和轉(zhuǎn)子振動趨勢Fig 2 Trend of bearing temperature and rotorvibration of 103J/JT compressor

2.2 振動頻譜分析

如圖3所示,壓縮機低壓缸驅(qū)動側(cè)轉(zhuǎn)子振動頻譜圖顯示振動的主要頻率分量為1倍頻,頻率成分和故障發(fā)生前相比沒有發(fā)生變化,且無半倍頻和0.49倍等次同步諧波,二倍頻及以上分量也很小,可以排除氣流激振和軸承油膜渦動或振蕩等振動故障[11]。

圖3 103J/JT壓縮機轉(zhuǎn)子振動頻譜Fig 3 Spectrum of rotor vibration of103J/JT compressor

2.3 瀑布圖分析

瀑布圖由一段時間內(nèi)或者一段變化的負載狀況下的一系列的頻譜圖疊加而成,可以觀察各振動頻率分量隨時間的變化關系。從圖4可知,轉(zhuǎn)子振動波動主要是由一倍頻分量波動引起的,其他頻率分量沒有出現(xiàn)明顯的波動,可以判斷出機組動靜部分沒有發(fā)生重摩擦[12]。

圖4 103J/JT壓縮機轉(zhuǎn)子振動瀑布圖Fig 4 Rotor vibration waterfall diagramof 103J/JT compressor

2.4 極坐標圖分析

極坐標圖是把轉(zhuǎn)子振動的幅值和相位隨轉(zhuǎn)速變化的關系用極坐標的形式表示出來。單次轉(zhuǎn)子波動的極坐標圖如圖5所示,觀察此次波動的特征,1X頻率分量呈現(xiàn)出“水滴”運動軌跡,波動后位置與波動前相差不大,符合轉(zhuǎn)子發(fā)生輕摩擦后恢復的故障特征。

圖5 103J/JT壓縮機轉(zhuǎn)子振動極坐標圖Fig 5 Polar coordinate diagram of rotorvibration of 103J/JT compressor

綜合壓縮機低壓缸轉(zhuǎn)子-軸承監(jiān)測信號分析與油液監(jiān)測結(jié)果,可以推斷出低壓缸動靜部分并沒有發(fā)生重摩擦；從軸承溫度的變化趨勢可發(fā)現(xiàn),當軸承溫度上升至一定程度,軸承的潤滑狀況瞬間改善,同時伴隨著轉(zhuǎn)子振動的瞬間上升現(xiàn)象,且該現(xiàn)象近似周期性地發(fā)生,符合軸承漆膜故障的現(xiàn)象和特征。

3 黑色異物分析

通過油液數(shù)據(jù)與軸承基本狀態(tài)參數(shù)等綜合分析,初步確定軸承存在故障。停機檢修時在油箱內(nèi)油面上及油箱壁上均發(fā)現(xiàn)大量膠狀成塊的黑色異物,軸承下瓦塊有明顯的黑色結(jié)垢物,初步判斷是黑色異物導致漆膜現(xiàn)象的發(fā)生,如圖6所示。為探究漆膜形成原因,需要對異物進行成分分析。

圖6 設備中軸瓦磨損(a)與黑色異物(b)Fig 6 Bearing wear (a) and black foreignmatter (b) in equipment

對黑色異物進行成分分析的主要方法是溶解性試驗、異物尺寸分析、光譜元素分析、傅里葉紅外光譜分析。

3.1 溶解性試驗

對黑色異物進行溶解性試驗,在試驗過程中發(fā)現(xiàn),黑色異物微溶于汽油或石油醚,但在甲苯中可以完全溶解,如圖7所示。

圖7 黑色異物在汽油和甲苯中的溶解情況Fig 7 Dissolution of black foreign matter in gasolineand toluene (a)slightly soluble in gasoline;(b)fully soluble in toluene

溶解性試驗表明,該異物極性較強,溶于甲苯,微溶于石油醚,呈黑色膠狀,可判斷該異物極有可能是瀝青質(zhì)或者膠質(zhì)。

3.2 異物尺寸分析

由于異物處于黏著狀態(tài),對其尺寸進行分析前,需進行前處理,具體步驟如下：先進行500 ℃高溫灰化,目的是避免進行顯微電鏡測試時黑色異物所含有機成分高溫揮發(fā),污染電鏡系統(tǒng)而導致電鏡光學系統(tǒng)損壞；之后進行機械粉碎,最后在掃描電鏡下進行顆粒尺寸測試,從而確定異物的原始尺寸。

根據(jù)圖8掃描電鏡標注尺寸,異物分為大顆粒(大于100 μm)、中等顆粒(大于20 μm且小于100 μm)和小顆粒(小于20 μm)。其中小顆粒中尺寸最小可達2 μm,甚至更小。

圖8 處理后黑色異物及其電鏡圖譜Fig 8 Black foreign matter after treatment(a) andits electron microscopic(b)

3.3 光譜分析

對設備中的異物進行光譜元素測定,檢測結(jié)果如表3所示。檢測結(jié)果表明,黑色異物主要元素為Zn和P,同時含有Si、Na、Ca、Fe和少量Cu、Al、Mn。該異物中Ca、Zn、P比例與一般壓縮機油品中添加劑的正常比例不一致,表明異物不是油泥或者油中添加劑析出產(chǎn)物。

表3 異物光譜元素分析

3.4 傅里葉紅外光譜分析

黑色異物傅里葉紅外光譜分析結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明,黑色異物含有烷烴油(10%～20%(質(zhì)量分數(shù)，下同)),有機硫酸銨類化合物(60%～70%),少量有機硅(<1%)和少量碳酸鈣(<5%),另外還有部分未知物。該異物溶于甲苯,說明該異物主要為有機成分；結(jié)合紅外分析該異物主要成分為烷烴以及有機酸胺類化合物,說明該異物并非積碳；該異物具有一定吸水性,說明存在極性。

圖9 黑色異物石油醚與乙醚溶出物紅外光譜圖Fig 9 Infrared spectra of dissolved in petroleum ether anddiethyl ether (a)dissolved matter by petroleumether;(b)dissolved matter by diethyl ether

黑色異物中含有有機酸銨類化合物,且質(zhì)量分數(shù)達到60%～70%,油品中本身的添加劑析出可能性極小,有機酸銨類化合物有可能來源于外界污染。

3.5 討論

結(jié)合潤滑油中黑色異物分析結(jié)果及現(xiàn)場的實際情況,機組潤滑油中可能混入氨,導致產(chǎn)生有機酸銨類物質(zhì)。其原因可能為冷凍氨壓縮機干氣密封一級放空流量計經(jīng)常處于滿量程狀態(tài),氨氣存在大量泄漏,由于干氣密封緩沖氣(N2)壓力較低,泄漏的氨氣通過軸端疏齒密封進入到軸承箱中。這可以從每次打開油箱蓋時聞到濃濃的氨味得到確認。2018年10月機組出現(xiàn)漆膜現(xiàn)象后對油箱中油氣進行取樣分析,分析結(jié)果為油氣中氨的質(zhì)量分數(shù)約為2%。因機組使用的潤滑油屬防銹汽輪機油,一般使用羧酸類酸性防銹劑例如烯基丁二酸,泄漏的氨氣進入油系統(tǒng)后會與油中的酸性防銹劑發(fā)生反應,生成絮狀沉淀物[13],與檢測到異物中有機酸銨類化合物質(zhì)量分數(shù)達到 60%～70%的結(jié)果相吻合。而潤滑油中不可分解物通過最小軸承間隙處時,在高溫等因素作用下,容易積聚在巴氏合金表面,形成漆膜。漆膜使得軸承最小油膜厚度減小,最大油膜壓力增大,承載能力減小,潤滑油溫升增大,軸承潤滑狀況惡化[14]。當漆膜厚度逐漸增加到一定程度后,與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰摩,油膜失穩(wěn),導致轉(zhuǎn)子振動瞬間波動[15]。同時漆膜因與轉(zhuǎn)子碰摩部分脫落并被潤滑油沖走,軸承潤滑狀況得到改善,軸承溫度下降,與軸承狀態(tài)信號分析吻合。

4 處理措施

漆膜嚴重影響軸承的正常潤滑,導致軸承溫度過高以及潤滑油氧化等故障,是機組安全穩(wěn)定運行的重大隱患?？筛鶕?jù)漆膜的形成機制,采取針對性的處理策略。

4.1 短期措施

機組軸承出現(xiàn)漆膜現(xiàn)象說明在用油品已經(jīng)變質(zhì),應盡快停機更換全部潤滑油,清洗油管路。如果因生產(chǎn)需要無法停機更換,可采取以下措施處理以保證機組的安全運行。

(1)采用對應措施減少或杜絕漆膜形成物的繼續(xù)生成。根據(jù)漆膜生成的主要原因,將泄漏的氨氣接到水槽排放,油箱中油氣的氨質(zhì)量分數(shù)從2%降至5×10-5,有效減少了漆膜的繼續(xù)生成。

(2)置換部分潤滑油。機組軸承漆膜現(xiàn)象出現(xiàn)后,潤滑油中雜質(zhì)含量增多,在線置換部分油箱中潤滑油可以減少雜質(zhì)的含量,增加潤滑油的抗氧防銹性能,減緩漆膜現(xiàn)象的發(fā)生頻率。

(3)在線過濾。漆膜形成物中的“軟顆粒”在油液中顆粒占比較高,這類“軟顆?！背叽绾苄?如果采用超微機械過濾方法很容易造成濾芯的堵塞且過濾效果差[16]。而利用除漆膜凈油機對油箱中的潤滑油進行在線過濾,可以減少潤滑油中漆膜的含量,有效降低漆膜現(xiàn)象的發(fā)生頻率。除漆膜凈油機有靜電凈化系統(tǒng)和離子樹脂吸附系統(tǒng),靜電吸附系統(tǒng)可使污染顆粒物極化帶電后吸附在收集器上,以清除油品中的污染物,離子樹脂吸附技術能夠去除油中的可溶性漆膜產(chǎn)物[17]。

通過以上措施,潤滑油的漆膜現(xiàn)象逐漸消除,機組軸承溫度、軸承振動的波動幅度逐漸趨于正常,如圖10所示。

圖10 103J/JT壓縮機軸承振動及溫度Fig10 Vibration and temperature of bearingof 103J/JT compressor

4.2 長期措施

(1)采用抗氨氣輪機油。利用抗氨汽輪機油MOBIL TERESSTIC AC32替換普通汽輪機油SHELL TURBO J32?？拱逼啓C油采用了抗氨性能較好的防銹劑,不易與油氣中的氨發(fā)生反應生成沉淀物[18]。

(2)對干氣密封供、排氣系統(tǒng)進行改造。為了防止氨氣進入到潤滑系統(tǒng)中,有必要對冷凍氨壓縮機干氣密封供、排氣系統(tǒng)進行改造,在保證干氣密封正常運行的前提下,增加隔離氣的壓力,減少干氣密封泄漏后氨氣進入到潤滑系統(tǒng)的可能性。同時要對干氣密封一級放空系統(tǒng)的流量計進行改造,采用高靈敏度的流量計對干氣密封一級泄漏情況進行監(jiān)控,如有泄漏要及時采取有效措施,防止泄漏后氨氣進入到潤滑系統(tǒng)中。

5 結(jié)論

軸承基本狀態(tài)參數(shù)與油液監(jiān)測相輔相成,狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對監(jiān)測信號進行采集、處理和分析,形成轉(zhuǎn)子運行特征圖譜,根據(jù)這些圖譜的特征,可以診斷出機械故障類型；通過油液監(jiān)測可及時發(fā)現(xiàn)潤滑油的變化,發(fā)現(xiàn)設備潛在的故障。文中通過油液監(jiān)測發(fā)現(xiàn)了油中黑色異物,并對黑色異物進行成分分析,得出異物的主要成分是有機酸銨類化合物,是由泄漏的氨氣與酸性防銹劑發(fā)生反應生成的。有機酸銨類化合物附著在軸承表面,引起軸承溫度上升,潤滑油因高溫造成油液急速熱降解生成大量新的析出物,產(chǎn)生漆膜。

針對此類故障,提出短期與長期應對措施,對機組進行精確維護,提高壓縮機運行穩(wěn)定性與安全性,避免更大的安全事故。