空分三大機(jī)組軸承支座振動(dòng)高故障分析及處理

王磊

（國能新疆化工有限公司，新疆烏魯木齊 831404）

1 機(jī)組概述

三大機(jī)組是某公司空分裝置的關(guān)鍵設(shè)備，包括空氣壓縮機(jī)、增壓機(jī)和汽輪機(jī)，機(jī)組采用“一拖二方式”，即一臺(tái)高壓蒸汽透平汽輪機(jī)組為主要驅(qū)動(dòng)裝置，分別帶動(dòng)空壓機(jī)和增壓機(jī)組，中間分別設(shè)有軸承支座和齒輪箱（圖1）。其中汽輪機(jī)型號(hào)SST600，額定功率61 938 kW，額定轉(zhuǎn)速4504 r/min；空壓機(jī)型號(hào)STC-GV（200-3），額定功率32 192 kW，額定流量515 880 m3/h；增壓機(jī)型號(hào)STC-GV（20-4-H），額定功率19 909 kW，額定流量47 706 m3/h。三大機(jī)組主機(jī)均引進(jìn)國外公司生產(chǎn)的設(shè)備，具有效率高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 三大機(jī)組結(jié)構(gòu)布置

由于汽輪機(jī)與空壓機(jī)安裝跨距比較大，相應(yīng)轉(zhuǎn)子連接撓度大等問題，采用了軸承支座分別將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與空壓機(jī)轉(zhuǎn)子連接在一起的方式，從而避免了上述問題，保證了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行（圖2）。

圖2 軸承支座結(jié)構(gòu)

2 故障現(xiàn)象

2015 年12 月14 日13:20，機(jī)組由于鍋爐連鎖跳車，20：25重新啟動(dòng)了汽輪機(jī)一直運(yùn)行至26 日13:30，空壓機(jī)軸承支座振動(dòng)（VXI7007）一直維持在37～38 μm。13:30 后，VXI7007、VYI7007、VXI7006 振動(dòng)值上升明顯，于27 日11 時(shí)左右VXI7007 振動(dòng)值接近60 μm（圖3、圖4）。

圖3 軸承支座各振動(dòng)值趨勢

圖4 軸承支座測點(diǎn)布置

根據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)S8000 采集的實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：2015 年12 月29 日14：03：45 軸承箱振動(dòng)最大時(shí)波形頻譜圖，工頻（75.03 Hz）接近60 μm，在其附近存在幅值略低的0.91 倍頻（68 Hz），二者耦合形成“拍振”效應(yīng)（圖5）。值得注意的是，除了以上2 個(gè)能量較高的頻率外還存在0.09倍頻（7.03 Hz），兩低頻成分之和剛好等于工頻，即7.03+68=75.03 Hz，此規(guī)律在其他0.91 倍頻存在時(shí)刻也成立，重復(fù)性非常好。

2015 年12 月29 日14:33 機(jī)組因VXI7007 振動(dòng)高跳車（連鎖跳車值：124 μm）。跳車后儀表專業(yè)針對振動(dòng)值的測量系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的檢查：探頭及間隙電壓、延長線、前置放大器、檢查回路接線并進(jìn)行緊固，以上檢查儀表專業(yè)未發(fā)現(xiàn)異常。隨后設(shè)備專業(yè)針對軸承箱的固定件進(jìn)行檢查，檢查臺(tái)板及軸承箱固定螺栓，用敲擊扳手及小錘對其進(jìn)行了緊固，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)螺栓可以緊動(dòng)，考慮到未使用扭矩扳手，隨后未再繼續(xù)緊固，另外又對軸承壓蓋螺栓進(jìn)行緊固，未發(fā)現(xiàn)相應(yīng)螺栓松動(dòng)。

由于通過上述檢查未發(fā)現(xiàn)明顯的問題，2015 年12 月29 日19:38 對2111 機(jī)組進(jìn)行了重新啟動(dòng)，待機(jī)組加載正常后發(fā)現(xiàn)VXI7007 的振值基本維持在38 μm 左右波動(dòng)，并且相對平穩(wěn)運(yùn)行正常，而且從頻譜圖上觀察并未發(fā)現(xiàn)0.91 倍頻的出現(xiàn)。直至2016 年1 月9 日04:22 機(jī)組軸承支座VXI7007 出現(xiàn)了波動(dòng)上漲的現(xiàn)象，通過在線S8000 系統(tǒng)進(jìn)行頻譜分析發(fā)現(xiàn)：VXI7007 再次出現(xiàn)了0.91 倍頻，隨后振值不斷攀升。

綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)S8000 采集的實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析和通過幾次連續(xù)開停車發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象分析：①只要機(jī)組重新起機(jī)加載正常后，VXI7007 的振值基本上都會(huì)維持在38 μm 左右波動(dòng)，并且運(yùn)行相對平穩(wěn)，即便上次機(jī)組因VXI7007 的振值高跳車后，重新起機(jī)加載正常后，VXI7007 的振值都會(huì)恢復(fù)至38 μm 左右，并且可以穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間；②一旦機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到10 d以上，VXI7007 的振動(dòng)值就會(huì)出現(xiàn)不斷上升的故障，而且同時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)S8000 采集的實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)都會(huì)出現(xiàn)0.91倍頻。

3 故障初步分析及處理

造成軸承支座振動(dòng)大的原因很多，軸承支座設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行和維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)失誤都可能引起振動(dòng)。在進(jìn)行故障原因分析時(shí)，必須立足于故障特征展開分析，因此針對此次故障進(jìn)行了多方面認(rèn)真分析、研究，并結(jié)合造成軸承支座振動(dòng)的可能原因逐一進(jìn)行探析，逐步排查出故障的根本原因。

3.1 基礎(chǔ)松動(dòng)

對軸承支座基礎(chǔ)進(jìn)行了外觀檢查，發(fā)現(xiàn)表面有多處淺表裂紋，隨后對裂紋處進(jìn)行了深鑿判斷，判定并不是貫穿性裂紋，并邀請土建專業(yè)再次進(jìn)行了確認(rèn)，基本一致認(rèn)為軸承支座基礎(chǔ)無明顯問題。

3.2 地腳松動(dòng)

用扭矩扳手對安裝臺(tái)板地腳螺栓進(jìn)行扭矩檢查（西門子要求：240 N·m），發(fā)現(xiàn)1 點(diǎn)位置地腳螺栓有些松動(dòng)，但是檢查使用的扭矩已經(jīng)超過了廠家的要求（圖6）。然后又用扭矩扳手對軸承支座地腳螺栓進(jìn)行緊固扭矩檢查（西門子要求：735 N·m），未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)的螺栓。全部緊固后發(fā)現(xiàn)VXI7007 振動(dòng)值并沒有減小趨勢。

圖6 安裝臺(tái)板地腳螺栓緊固情況

3.3 軸承磨損

對軸瓦間隙及上、下瓦面的磨損情況進(jìn)行檢查，其中瓦間隙為0.25 mm，并且上、下瓦面接觸情況良好，無磨損情況。另外對瓦背預(yù)緊力進(jìn)行了復(fù)核，緊力值0.05 mm，均在廠家要求范圍內(nèi)。

3.4 油封碰磨

對油封進(jìn)行拆解檢查發(fā)現(xiàn)下油封間隙有些小，并且下部稍微有些碰磨（圖7）。因此對下油封進(jìn)行了打磨，增大油封間隙，并符合廠家要求（圖8）。

圖7 油封間隙測量值

圖8 修復(fù)后油封間隙

通過上述檢查及問題處理后，該機(jī)組于2016 年1 月16 日21:09 啟動(dòng)，VXI7007 振動(dòng)值在27～28 μm 波動(dòng)，比前期振動(dòng)值下降了10 μm，頻譜圖并無0.91 倍頻分量。一直運(yùn)行至2016 年1 月30 日09:24，機(jī)組VXI7007 振動(dòng)值開始上升，并且伴有0.91 倍頻分量。2016 年2 月5 日18:01，機(jī)組因VXI7007 振動(dòng)值高連鎖跳車。

結(jié)合初步原因分析及處理可以發(fā)現(xiàn)：①軸承支座本體部件，無明顯的問題，不是導(dǎo)致故障的原因；②再一次驗(yàn)證了一旦機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到10 d 以上，VXI7007 的振動(dòng)值就會(huì)出現(xiàn)不斷上升，而且頻譜又會(huì)出現(xiàn)0.91 倍頻的情況。

4 原因進(jìn)一步分析及處理

4.1 熱膨脹導(dǎo)致聯(lián)軸器護(hù)罩受力

聯(lián)軸器護(hù)罩的設(shè)計(jì)是允許其自由滑動(dòng)的，聯(lián)軸器罩法蘭直接與軸承座外殼相連，另一端與汽輪機(jī)軸承箱的法蘭相連，內(nèi)部導(dǎo)向板安裝在聯(lián)軸器護(hù)罩的底部用來收集油霧（圖9）。由于聯(lián)軸器護(hù)罩受到內(nèi)部溫度的影響，使聯(lián)軸器護(hù)罩產(chǎn)生軸向的伸長，有可能造成聯(lián)軸器殼與聯(lián)軸器法蘭擠死的現(xiàn)象，內(nèi)部導(dǎo)流板將會(huì)影響到聯(lián)軸器法蘭造成軸承支座的振動(dòng)（圖10）。

圖9 聯(lián)軸器護(hù)罩熱膨脹示意

圖10 聯(lián)軸器護(hù)罩各測點(diǎn)溫度

據(jù)溫度計(jì)算，聯(lián)軸器護(hù)罩最大伸長量為2.1 mm（聯(lián)軸器罩溫度為113 ℃時(shí)）。打開聯(lián)軸器護(hù)罩進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部導(dǎo)流板與聯(lián)軸器護(hù)罩法蘭未接觸。因此，該故障并不是由于熱膨脹導(dǎo)致聯(lián)軸器護(hù)罩受力造成的。

4.2 軸承的位移可能導(dǎo)致潤滑油供應(yīng)不足

軸承應(yīng)以正確的方式進(jìn)行安裝，軸承箱內(nèi)油管路的安裝集中在節(jié)流裝置的正確安裝上，錯(cuò)誤安裝可能導(dǎo)致額外的壓力損失和額外的熱量轉(zhuǎn)移到軸承座上，導(dǎo)致潤滑油的供應(yīng)不足（圖11）。按照西門子廠家提供的安裝圖紙，針對軸承及軸承座的安裝位置進(jìn)行了相應(yīng)的檢查，油環(huán)通道安裝在正確的位置上，軸承溫度在正常范圍（75～80 ℃）。因此該故障并不是軸承的位移可能導(dǎo)致潤滑油供應(yīng)不足造成的。

圖11 軸承位移

4.3 熱量傳導(dǎo)至軸承座后，導(dǎo)致軸承座不同程度的膨脹

使用濕毛巾對聯(lián)軸器護(hù)罩及聯(lián)軸器法蘭處降溫，振動(dòng)值有所下降；后期采用冰塊和多孔軟管連續(xù)供應(yīng)冷卻水后，振動(dòng)值下降明顯，并且可以維持穩(wěn)定（圖12）。

圖12 振動(dòng)值因降溫下降趨勢

持續(xù)的熱量不斷地加熱聯(lián)軸器護(hù)罩，熱量又通過聯(lián)軸器護(hù)罩傳遞給軸承座，軸承座的上半?yún)^(qū)域?qū)⒈粷櫥屠鋮s（油溫接近43 ℃），軸承座的下半部分將與潤滑油的回油管線相連（圖13中a 和b 的區(qū)域），上軸承座的結(jié)構(gòu)比下軸承座復(fù)雜，上軸承座更容易受到熱量的影響和將影響軸承的安裝位置。另外在回油管線的窺鏡里發(fā)現(xiàn)了水珠，由于通過用水在這個(gè)部位冷卻的結(jié)果，在回油管線負(fù)壓的作用，透過聯(lián)軸器密封處的水分被吸入到了潤滑油的回油管線內(nèi)。因此采用冷卻水冷卻聯(lián)軸器護(hù)罩的措施應(yīng)當(dāng)停止，因?yàn)樵诨赜凸芫€內(nèi)發(fā)現(xiàn)了水珠。

圖13 a 與b 區(qū)域劃分示意

軸承座與聯(lián)軸器護(hù)罩的熱絕緣，將有效阻止熱量傳遞給軸承座，阻止軸承安裝位置的改變。因此，需要在聯(lián)軸器護(hù)罩與軸承座之間安裝聚四氟乙烯板來防止熱傳遞，這種措施被積極采用，并在后續(xù)的機(jī)組運(yùn)行中得以驗(yàn)證（圖14）。

圖14 聚四氟乙烯板安裝

4.4 油通過聯(lián)軸器疊片與聯(lián)軸器法蘭進(jìn)入聯(lián)軸器中空軸內(nèi)，形成不平衡量

潤滑油被封閉在聯(lián)軸器護(hù)罩內(nèi)，防止油的泄漏。聯(lián)軸器護(hù)罩內(nèi)的轉(zhuǎn)軸與護(hù)罩空間，產(chǎn)生的氣流擾動(dòng)使油霧分布在整個(gè)聯(lián)軸器護(hù)罩內(nèi)。聯(lián)軸器護(hù)罩內(nèi)分布的油霧，可以通過聯(lián)軸器調(diào)整片及膜片的最小徑向間隙進(jìn)入聯(lián)軸器內(nèi)部（圖15）。

圖15 油霧進(jìn)入聯(lián)軸器中空軸內(nèi)分布區(qū)域

根據(jù)西門子廠家的重新核算，油可能進(jìn)入了聯(lián)軸器的內(nèi)部，導(dǎo)致聯(lián)軸器側(cè)有油滴懸掛，在目前的機(jī)組會(huì)發(fā)生類似的情況。此外，油霧通過在聯(lián)軸器內(nèi)部約8 d的累積，可能形成不平衡量，這樣也許可以解釋為什么穩(wěn)定運(yùn)行10 d 左右后，VXI7007 的振動(dòng)值就會(huì)出現(xiàn)不斷上升，而且頻譜會(huì)出現(xiàn)0.91 倍頻的原因。而一旦機(jī)組停機(jī)后，聚集在聯(lián)軸器內(nèi)部的油，在重力的作用下會(huì)從聯(lián)軸器膜片和墊片處流出，這樣每次重新起機(jī)后，VXI7007 的振動(dòng)值都在正常范圍內(nèi)。

針對上述分析的可能性采取以下措施：①在聯(lián)軸器墊片處鉆2 個(gè)Φ4 mm 通孔（圖16、圖17）；②在聯(lián)軸器法蘭處鉆1 個(gè)Φ4 mm 通孔（圖16、圖18）。機(jī)組在運(yùn)行過程中，通過聯(lián)軸器調(diào)整片及膜片進(jìn)入到聯(lián)軸器中空軸內(nèi)的油霧，在聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，第一時(shí)間通過新增的通孔被甩出，進(jìn)入到封閉的聯(lián)軸器護(hù)罩內(nèi)，然后導(dǎo)流至下部收集管中。此收集管與機(jī)組回油總管相連，靠油箱負(fù)壓最終殘油被排入機(jī)組油箱，從而避免了油霧在聯(lián)軸器內(nèi)部積存形成不平衡量。

圖16 聯(lián)軸器鉆孔的位置

圖17 墊片鉆孔

圖18 法蘭鉆孔

5 校正措施

安裝絕熱板與聯(lián)軸器上鉆孔這兩個(gè)措施，同時(shí)被應(yīng)用在機(jī)組上，為了驗(yàn)證每一個(gè)措施都是否有效，決定在一套機(jī)組上同時(shí)安裝隔熱板和聯(lián)軸器上鉆孔，在另一套機(jī)組上只采用聯(lián)軸器上鉆孔的措施，通過這樣的比對驗(yàn)證，才能最終找到故障的根源。

6 驗(yàn)證結(jié)果

對處理后的2 套機(jī)組進(jìn)行測試運(yùn)行（2016 年4 月23 日—6 月12 日），測試期間兩套機(jī)組都運(yùn)行正常，軸承支座的振動(dòng)值沒有任何上升趨勢，因此只有在聯(lián)軸器上鉆孔的措施才是解決軸承支座振動(dòng)的根本措施。

7 結(jié)束語

引起機(jī)組振動(dòng)故障的原因有很多種，只要認(rèn)真觀察機(jī)組運(yùn)行中的振動(dòng)特點(diǎn)和規(guī)律，抓住振動(dòng)成因的相關(guān)性，以此來進(jìn)一步開展分析工作，就能找到引起振動(dòng)的根源。