汽輪機(jī)軸承異常振動(dòng)分析處理

楊林， 蘭云霞， 羅國民， 陳立， 劉博強(qiáng)， 趙興國

（中國石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司， 四川成都， 610021）

1 前言

某煉油廠焦化裝置富氣壓縮機(jī)組的驅(qū)動(dòng)機(jī)為背壓式汽輪機(jī)， 額定轉(zhuǎn)速為11 041 r/min， 臨界轉(zhuǎn)速13 000 r/min， 進(jìn)汽壓力為3.5 MPa， 排氣壓力為1.0 MPa， 汽輪機(jī)徑向軸承為可傾瓦滑動(dòng)軸承，軸端及級(jí)間密封為迷宮密封。 汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中， 由于動(dòng)力蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大波動(dòng)， 未能及時(shí)緊急處理， 造成動(dòng)力蒸汽帶水進(jìn)入汽輪機(jī)，對(duì)動(dòng)葉片產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊， 機(jī)體產(chǎn)生劇烈的高頻振動(dòng)， 轉(zhuǎn)子發(fā)生嚴(yán)重的彎曲變形， 各支承系統(tǒng)、 汽封部件、 振動(dòng)位移探頭嚴(yán)重磨損。 為保障生產(chǎn)盡快恢復(fù)， 組織對(duì)其進(jìn)行搶修， 更換轉(zhuǎn)子、 修復(fù)磨損部位。 搶修后， 富氣壓縮機(jī)組投入運(yùn)行， 但監(jiān)測發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)高壓端軸承振動(dòng)比較大， 轉(zhuǎn)速在10 200 r/min 時(shí)， 高壓端振動(dòng)位移量達(dá)到了63.58 μm， 比汽輪機(jī)水擊事故前振動(dòng)提高了40 μm。 同時(shí)， 還存在汽封泄漏較大， 汽封冷卻器水量比較大的問題。 通過DCS 系統(tǒng)檢查機(jī)組各軸承溫度、軸位移以及汽輪機(jī)進(jìn)出口蒸汽壓力、 流量、 溫度，壓縮機(jī)進(jìn)出口工藝氣體各項(xiàng)參數(shù)均比較平穩(wěn)。

2 狀態(tài)監(jiān)測分析

2.1 振動(dòng)監(jiān)測

富氣壓縮機(jī)組采用在線監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷， 各軸承箱振動(dòng)探頭采用的傳感器為非接觸式電渦流傳感器， 具有結(jié)構(gòu)簡單、 測量范圍寬、 靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)， 能夠測量轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)軸相對(duì)振動(dòng)、 軸心軌跡、 轉(zhuǎn)速和相位等振動(dòng)特征量。 每個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)安裝有A、 B 2 個(gè)振動(dòng)傳感器探頭， 2 個(gè)探頭分別安裝在軸承兩邊同一平面相隔約90°， 保證了振動(dòng)測量數(shù)據(jù)的可靠性。富氣壓縮機(jī)組搶險(xiǎn)后開車運(yùn)行， 在正常工況下，監(jiān)測機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)， 發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)的高壓端軸承振動(dòng)比較大， 其他軸承振動(dòng)均在安全運(yùn)行范圍內(nèi)， 具體見表1。

表1 富氣壓縮機(jī)組（9 600 r/min）各振動(dòng)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)表μm

2.2 振動(dòng)分析

2.2.1 頻譜圖分析

頻譜分析是大型回轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測和診斷的基本手段， 振動(dòng)傳感器監(jiān)測的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)直流分量濾波后進(jìn)行傅立葉變換， 得到該振動(dòng)信號(hào)的頻率構(gòu)成信息， 各階倍頻分量清晰， 是機(jī)械設(shè)備故障診斷的重要方法。 查看富氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)高壓側(cè)軸承振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖1～2， 諧波能量的80%以上集中在轉(zhuǎn)子的工作頻率（約160 Hz）即基頻上，其他倍頻成分所占的比例相對(duì)較小， 在轉(zhuǎn)速不變的情況下， 工頻振動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。 這種情況與轉(zhuǎn)子不平衡狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)頻譜圖典型特征非常符合。

圖1 汽輪機(jī)高壓端振動(dòng)探頭A 頻譜圖

圖2 汽輪機(jī)高壓端振動(dòng)探頭B 頻譜圖

2.2.2 軸心軌跡分析

軸心軌跡是軸承同一個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)A、 B 2 個(gè)振動(dòng)渦流傳感器監(jiān)測的振動(dòng)信號(hào)中去除直流分量后加以合成得到的， 它表征轉(zhuǎn)子軸心一點(diǎn)在軸承處相對(duì)于軸承座的徑向運(yùn)行軌跡。 從圖3 看出軸心軌跡是一個(gè)比較規(guī)則的橢圓， 從圖4 看出軸承振動(dòng)的進(jìn)動(dòng)方向?yàn)檎M(jìn)動(dòng)。 與轉(zhuǎn)子不對(duì)中、 油膜渦動(dòng)、 轉(zhuǎn)子支撐系松動(dòng)、 轉(zhuǎn)軸裂紋等轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見的故障振動(dòng)特征無關(guān)。

圖3 汽輪機(jī)高壓端軸心軌跡圖

圖4 汽輪機(jī)高壓端全息圖譜

綜合以上分析， 可以初步判斷富氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)高壓側(cè)軸承異常振動(dòng)原因?yàn)檗D(zhuǎn)子動(dòng)平衡不良， 決定對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行升降速試驗(yàn)， 根據(jù)動(dòng)平衡不良的其他特性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.3 升降速試驗(yàn)

組織人員對(duì)富氣壓縮機(jī)組進(jìn)行升降速試驗(yàn)，如果為動(dòng)平衡不良， 轉(zhuǎn)子在工頻、 通頻的振動(dòng)會(huì)隨轉(zhuǎn)速變化而發(fā)生變化， 壓縮機(jī)組升降速試驗(yàn)就能夠進(jìn)一步驗(yàn)證。 具體的實(shí)驗(yàn)曲線如圖5 所示，從圖中可以看出汽輪機(jī)高壓端振動(dòng)趨勢曲線與轉(zhuǎn)速變化曲線完全吻合， 符合通過振動(dòng)監(jiān)測狀態(tài)分析得出的動(dòng)平衡不良的初步判斷。

圖5 機(jī)組升降速試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)趨勢圖

2.4 診斷結(jié)論

該汽輪機(jī)在上一周期運(yùn)行過程中， 水擊導(dǎo)致了汽輪機(jī)組受到劇烈的高頻振動(dòng)， 汽輪機(jī)損壞嚴(yán)重， 更換了轉(zhuǎn)子部件， 更換的轉(zhuǎn)子在使用前做了低速動(dòng)平衡， 在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。 但維修后汽輪機(jī)在正常工況下運(yùn)行， 高壓端軸承振動(dòng)較大， 汽封泄漏較大， 汽封冷卻器水量比較大。 根據(jù)汽輪機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測圖譜和升降速曲線試驗(yàn)分析， 可以判斷振動(dòng)的主要原因是動(dòng)不平衡。 但該汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子， 只需做低速動(dòng)平衡， 且汽輪機(jī)只有高壓端振動(dòng)超標(biāo)， 低壓端振動(dòng)正常， 因此可以排除轉(zhuǎn)子本身不平衡故障。 針對(duì)只有高壓側(cè)一側(cè)的振動(dòng)大， 判斷高壓側(cè)的軸瓦間隙、 緊力、 瓦和瓦座的接觸面積存在問題。 另外由于汽輪機(jī)汽封漏量比較大， 可能還存在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)體不同心的問題。 鑒于目前汽輪機(jī)和壓縮機(jī)整體運(yùn)行平穩(wěn)， 振動(dòng)趨于穩(wěn)定， 為保障生產(chǎn)， 只要振動(dòng)沒有繼續(xù)增大趨勢， 該機(jī)組可以在監(jiān)護(hù)下安全運(yùn)行。

3 設(shè)備拆檢與維修

3.1 設(shè)備拆檢情況

根據(jù)診斷結(jié)論， 在裝置檢修期間對(duì)富氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)進(jìn)行針對(duì)性拆檢， 通過對(duì)動(dòng)靜部件測量發(fā)現(xiàn)， 汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子不同心， 轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子向東偏0.50 mm、 向下偏0.20 mm， 轉(zhuǎn)子單邊間隙偏大， 汽輪機(jī)本體與高壓端軸承不同心，導(dǎo)致軸承與軸承座接觸面積不夠， 經(jīng)涂抹紅丹檢查發(fā)現(xiàn)接觸面積在40%以下， 軸瓦緊力不夠。 通過比對(duì)完全符合之間的狀態(tài)監(jiān)測診斷， 屬于軸瓦部分的問題引起的汽輪機(jī)高壓側(cè)軸承振動(dòng)較大。

3.2 汽輪機(jī)的檢修

針對(duì)汽輪機(jī)軸承座出現(xiàn)的問題決定對(duì)軸承座進(jìn)行常溫點(diǎn)焊修補(bǔ)后， 再進(jìn)行鏜床加工修復(fù)， 在焊接修復(fù)過程中嚴(yán)格采用脈沖焊機(jī)連續(xù)電焊， 并始終控制溫度在60 ℃以內(nèi)， 防止軸承座變形。 在鏜床加工過程中以油封端面為基準(zhǔn)面， 采用二維坐標(biāo)鏜床進(jìn)行加工， 最后留0.02 mm 左右的余量進(jìn)行手工研磨修復(fù)。 通過修復(fù)， 汽輪機(jī)高壓側(cè)軸承座與軸承接觸面積達(dá)到了95%以上， 同時(shí)對(duì)軸承箱與缸體接觸面采用加偏墊的方法找好汽輪機(jī)本體的同心度， 最后以汽輪機(jī)為基準(zhǔn)， 對(duì)整個(gè)機(jī)體重新找正。 檢修后對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行試車運(yùn)行， 汽輪機(jī)的振動(dòng)降到15 μm 以下。

4 總結(jié)

通過對(duì)富氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)高壓端軸承振動(dòng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測分析， 準(zhǔn)確地判斷出汽輪機(jī)故障原因、 程度及發(fā)展趨勢， 指導(dǎo)了設(shè)備在生產(chǎn)期間的運(yùn)行和檢修期間的維修， 保障了生產(chǎn)也減少了檢修工作量。 說明在大型轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備日常監(jiān)測維護(hù)工作中， 應(yīng)該重視狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行中的應(yīng)用， 來指導(dǎo)進(jìn)行設(shè)備預(yù)防性維修和維護(hù)， 延長設(shè)備使用周期， 保障裝置穩(wěn)定運(yùn)行。