利用在線監(jiān)測系統(tǒng)精確診斷壓縮機(jī)摩碰故障

譚興斌

（中國石油遼陽石化公司機(jī)動(dòng)設(shè)備處設(shè)備監(jiān)測中心，遼寧遼陽 111003）

0 引言

石化企業(yè)工藝復(fù)雜，設(shè)備繁多。隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械向智能化，高速化發(fā)展，設(shè)備的精密度越來越高，價(jià)格也愈發(fā)昂貴。一旦旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生故障，不但影響企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)，甚至帶來難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)，為精確診斷機(jī)組故障提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，為制定科學(xué)合理的檢維修方案提供了依據(jù)。旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行過程中，因機(jī)械受力和動(dòng)剛度的變化，會(huì)出現(xiàn)如不平衡、不對中、摩碰、流體失穩(wěn)等故障現(xiàn)象。下面具體介紹如何通過在線監(jiān)測系統(tǒng)精確診斷壓縮機(jī)摩碰故障，為設(shè)備管理人員進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷提供參考。

1 摩碰故障概述

摩碰故障是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)過程，是轉(zhuǎn)子與靜止部件（如密封）由于間隙調(diào)整問題或者轉(zhuǎn)子自身的彎曲、平衡、熱脹以及氣體激勵(lì)，造成轉(zhuǎn)子失穩(wěn)而產(chǎn)生比較大的振動(dòng)，致使轉(zhuǎn)子與靜止部件發(fā)生碰撞摩擦（圖1）。根據(jù)摩碰時(shí)轉(zhuǎn)子和靜止部件接觸情況，轉(zhuǎn)子摩碰大致有局部摩碰和整周摩碰兩種形式。一般的轉(zhuǎn)子摩碰從局部摩碰開始，當(dāng)摩碰比較輕微的時(shí)候，轉(zhuǎn)子與靜止部件的接觸不是完全連續(xù)的，而是瞬間的（可以反復(fù)出現(xiàn)）。若靜止部件（如密封）材料相對較軟時(shí),一般造成靜止部件的磨損，當(dāng)這種摩碰不足以改變轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，動(dòng)靜部件又脫離接觸。如果接觸程度嚴(yán)重，到了足以改變轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)的地步，將可能發(fā)生動(dòng)靜部件充分接觸，使得轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)剛性變化增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)靜部件整周摩碰，機(jī)組振動(dòng)急劇加大，運(yùn)行狀態(tài)將無法控制，直接威脅整個(gè)生產(chǎn)裝置的安穩(wěn)運(yùn)行。

圖1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摩碰示意

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械開機(jī)和停機(jī)過程，空載和負(fù)載過程中，都會(huì)發(fā)生摩碰故障。其嚴(yán)重性取決于哪些部件互相接觸、這些部件的材料組成、引起摩碰的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)子與靜止部件的結(jié)構(gòu)硬度、以及沖擊速度本身。

摩碰導(dǎo)致的振動(dòng)多數(shù)情況下不具有規(guī)律性，可能是突發(fā)的振動(dòng)現(xiàn)象，也可能是長期無規(guī)律的振動(dòng)波動(dòng)。如果不及時(shí)處理，就會(huì)發(fā)展為更嚴(yán)重的摩碰故障，進(jìn)而因摩擦發(fā)熱導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸彎曲事故。

摩碰故障的發(fā)生，給機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行帶來極大的安全隱患。利用機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)準(zhǔn)確地診斷機(jī)組摩碰故障，就有必要掌握旋轉(zhuǎn)機(jī)械摩碰故障的振動(dòng)特征。

2 摩碰故障特征

2.1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摩碰的一般特征

（1）當(dāng)發(fā)生摩碰時(shí)，轉(zhuǎn)子的剛度會(huì)改變，并因此在摩碰中改變轉(zhuǎn)子的固有頻率。

（2）摩碰會(huì)導(dǎo)致局部磨損和變形，這取決于碰撞的角度和沖擊速度。

（3）摩碰不僅會(huì)產(chǎn)生大的作用力，還會(huì)產(chǎn)生高扭矩，并立刻影響到電氣特征，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致電流的增大。

（4）當(dāng)發(fā)生摩碰時(shí)，摩碰會(huì)對抗軸的旋轉(zhuǎn)。這個(gè)大摩擦力甚至?xí)a(chǎn)生向后的渦動(dòng)，即“反進(jìn)動(dòng)”。

（5）摩碰會(huì)造成功耗上升和效率下降，同時(shí)局部會(huì)有溫升，因此工藝參數(shù)對轉(zhuǎn)子與靜止部件摩碰的故障診斷非常重要。

（6）軸心軌跡圖在診斷摩碰時(shí)也非常有幫助。

（7）局部摩碰通常先于整周摩碰發(fā)生。

2.2 局部摩碰的振動(dòng)特征

（1）發(fā)生局部摩碰時(shí)，時(shí)域波形呈輕微的削波現(xiàn)象。

（2）振動(dòng)頻率成分會(huì)出現(xiàn)1/n 倍頻及n 倍頻，并伴隨1 倍頻成分。

（3）振動(dòng)的方向主要是徑向，且振動(dòng)值波動(dòng)明顯。

（4）軸心軌跡圖紊亂，轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)方向?yàn)榉催M(jìn)動(dòng)。

（5）振動(dòng)時(shí)，相位出現(xiàn)反向位移。

2.3 整周摩碰的振動(dòng)特征

（1）整周摩碰的特征就是1 倍轉(zhuǎn)速頻率的反進(jìn)動(dòng)，而不平衡會(huì)產(chǎn)生正進(jìn)動(dòng)，它在轉(zhuǎn)子與接觸表面系統(tǒng)的固有頻率下發(fā)生。

（2）另一種整周摩碰是以1 倍轉(zhuǎn)速頻率的響應(yīng)為主，并伴有一些較低幅值的轉(zhuǎn)速諧波。

（3）由于整周摩碰時(shí)摩擦連續(xù)不斷，因此會(huì)產(chǎn)生非線性響應(yīng)，即產(chǎn)生很多轉(zhuǎn)速諧波。

（4）整周摩碰的振動(dòng)幅值取決于軸承間隙與系統(tǒng)阻尼。

（5）振動(dòng)的方向主要是徑向，且振動(dòng)值波動(dòng)明顯。

（6）軸心軌跡圖紊亂，轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)方向反進(jìn)動(dòng)。

（7）振動(dòng)時(shí)，相位出現(xiàn)反向位移，跳動(dòng)和突變。

3 摩碰故障診斷實(shí)例

3.1 故障描述

某石化企業(yè)200 萬噸/年加氫精制裝置C9101 壓縮機(jī)（圖2）自2020 年6 月起透平端1H、1V、2H、2V 四個(gè)測點(diǎn)振動(dòng)值出現(xiàn)波動(dòng)，且波動(dòng)頻次、幅值不規(guī)律。利用在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到2H、2V 測點(diǎn)最大振值分別為47.5 μm、32.1 μm（報(bào)警值為50 μm）。車間針對此情況，特制訂了監(jiān)護(hù)運(yùn)行方案及應(yīng)急預(yù)案。

圖2 機(jī)組概貌

3.2 診斷分析

C9101 壓縮機(jī)組透平兩端測點(diǎn)振值出現(xiàn)無規(guī)律頻繁波動(dòng)，具體現(xiàn)象表現(xiàn)為：機(jī)組振值出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，透平驅(qū)動(dòng)端測點(diǎn)振值升高，非驅(qū)動(dòng)端測點(diǎn)振值下降，波動(dòng)結(jié)束后，振值能恢復(fù)至波動(dòng)前狀態(tài)（圖3、圖4）。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)2H、2V測點(diǎn)頻率成分以工頻占主導(dǎo)，伴有少量的分頻及高頻成分（圖5、圖6）。振值波動(dòng)升高時(shí)，工頻成分增長顯著，一倍頻相位發(fā)生變化，時(shí)域波形存在較明顯削波現(xiàn)象（圖7、圖8），軸心軌跡反進(jìn)動(dòng)（圖9）。通過相關(guān)在線圖譜，綜合分析認(rèn)為該機(jī)組存在局部摩碰故障。

圖3 1H、1V 測點(diǎn)振動(dòng)趨勢

圖4 2H、2V 測點(diǎn)振動(dòng)趨勢

圖5 2H 測點(diǎn)頻譜

圖6 2V 測點(diǎn)頻譜

圖7 2H 測點(diǎn)波形

圖8 2V 測點(diǎn)波形

圖9 透平驅(qū)動(dòng)端軸心軌跡

3.3 檢修反饋

2021 年3 月21 日，該機(jī)組進(jìn)行窗口檢修，機(jī)組解體后，發(fā)現(xiàn)透平驅(qū)動(dòng)端氣封處蒸汽結(jié)垢，運(yùn)行的轉(zhuǎn)子與凸起的垢層發(fā)生局部摩碰故障（圖10）。垢層磨平后，局部摩碰消失，待垢層積聚并凸起后，又出現(xiàn)新一輪的摩碰。如此不斷反復(fù)，振值也起伏波動(dòng)。

圖10 局部摩碰故障部位

4 結(jié)論

摩碰故障是機(jī)組運(yùn)行中的常見故障，該類故障診斷的關(guān)鍵點(diǎn)是根據(jù)故障特征進(jìn)行綜合判斷。利用在線監(jiān)測系統(tǒng)對該類故障進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷時(shí)，可以從波形、頻譜、軸心軌跡等多個(gè)角度展開分析，以達(dá)到精確診斷的目的，從而不斷提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷水平。