振動監(jiān)測與診斷技術 在離心壓縮機故障處理的應用

張睿

(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

1 設備狀態(tài)簡述

2021年12月初，芳構化再生氣循環(huán)壓縮機(0254-C301)在運行過程中齒輪箱內存在間歇性異響，同時電機非驅動端軸承振動間歇性達到2.8 mm/s并觸發(fā)報警；12月10日齒輪箱高速軸壓縮機側軸承溫度TISA81123由原77 ℃上漲至86 ℃，隨后瞬時降至 70 ℃。為盡快消除故障隱患，通過現(xiàn)場實地故障排查，結合在線頻譜分析技術所得出的結論，判斷齒輪箱高速軸溫度及振動波動或與電機磁力中心變化引起高速軸竄動量超標有關。12月23日停機后進行電機單試，發(fā)現(xiàn)電機磁力中心距超出正常范圍1.06 mm，將電機位置進行調整后回裝聯(lián)軸器；12月29日開機，啟動后齒輪箱高速軸軸承溫度TISA81123為70 ℃左右，電機非驅動端軸承振動由平均2.5 mm/s，下降至平均2.0 mm/s，機組各項運行參數(shù)正常。

2 背景介紹

50萬噸/年輕烴芳構化裝置，再生氣循環(huán)壓縮機組(0254-C-301)為芳構化裝置反再系統(tǒng)關鍵設備，主要作用是維持催化劑再生系統(tǒng)再生氣循環(huán)，帶走催化劑燒焦產生的熱量，確保催化劑燒焦反應的正常進行。

機組主要由離心壓縮機、變速機、主電機、碳環(huán)密封系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)等組成，由CCS(壓縮機集成控制系統(tǒng))完成對機組的監(jiān)測與控制。壓縮機型號為MCL452，水平剖分式一缸一段2級離心壓縮機，由沈陽透平機械股份有限公司生產，主要由定子和轉子組成，通過金屬膜片式聯(lián)軸器與變速機相連接，然后再連接主電機。壓縮機、電機、齒輪箱采用聯(lián)合的底座，整個機組采用潤滑油站供油，徑向軸承采用可傾瓦軸承，推力軸承為金斯伯雷式軸承。齒輪箱主要由大、小齒輪，支撐、支推軸承，大小油封等組成。

3 問題描述

2021年12月初，芳構化再生氣循環(huán)壓縮機運行過程中，機組齒輪箱存在間歇性異響，電機非驅動端軸承振動VIHA81203、VIHA81204間歇性達到報警值2.8 mm/s，齒輪箱高速軸電機側振動值VIA81123、VIA81124由正常17.1 μm逐漸上漲至最高21.5 μm。12月10日22：04齒輪箱高速軸壓縮機側軸承溫度TISA81123、TISA81124由原77℃上漲至86 ℃，12月11日22：30降至70 ℃(圖1)，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)電機軸伸端聯(lián)軸器間歇性竄動明顯，肉眼可見。經觀察，軸伸端竄動期間軸承箱異常聲響明顯加大，竄動停止后聲音減小。

4 振動分析

如高速軸電機側軸承處振動波形及頻譜圖(如圖2所示)，該處測點波形圖整體重復性明顯，但圖中存在“尖頂”波形，溫度出現(xiàn)波動期間除齒輪箱高速軸電機側振動值存在小幅波動外，各測點總體趨勢平穩(wěn)，無明顯變化。該測點振動以1倍頻為主，其他倍頻成分不突出。如高速軸壓縮機側1X趨勢圖譜(如圖3所示)，該測點同樣以1倍頻為主，但2倍頻比較突出。同時，在瓦溫升高時該測點振動有小幅上升，1X變化約6 μm，相位變化約20°。

由齒輪箱高速軸各測點直流量幅值趨勢可以看出，在10日瓦溫升高時，高速軸壓縮機側4V測點直流量有明顯變化，說明軸向一側發(fā)生偏移；11日瓦溫降低時，高速軸壓縮機側兩測點4H、4V直流量均明顯變大，說明軸在軸瓦中的位置狀態(tài)再次發(fā)生變化，軸心位置的變化影響瓦溫變化。從高速軸壓縮機側軸心軌跡圖可以看出，其軸心軌跡混亂且有明顯偏移。

5 振動分析結論

振動監(jiān)測單位給出的評估結論為：(1)齒輪箱高速軸振動、軸心位置發(fā)生變化時，伴隨軸瓦溫度的變化，結合現(xiàn)場異響及離線監(jiān)測情況，說明齒輪嚙合狀態(tài)存在變化，軸瓦由于結焦或漆膜等影響導致油膜狀態(tài)發(fā)生變化，同時齒輪可能存在輕微磨損情況，導致振動1X倍頻幅值、相位發(fā)生較明顯變化；(2)兩齒輪軸中心線空間不平行精度略低。

結合各項監(jiān)測數(shù)據(jù)、機組現(xiàn)場實際運行情況及診斷結論。首先，通過齒輪箱高速軸兩端頻譜圖并沒有明顯的0.5X倍頻，也沒有油膜渦動及振蕩的其他相關特征，故判斷油膜狀態(tài)發(fā)生變化的原因應為齒輪箱低速軸的軸向竄動引起；其次，機組運行期間可明顯看到電機驅動端的竄動，同時伴隨軸承箱的異響起伏，在診斷報告中并未給出明確分析，電機軸伸端的徑向竄動是如何引起，高速軸軸心軌跡的偏移、高速軸壓縮機側軸承溫度的波動是否與此有關，需要在機組停機后進行檢查；最后，由軸心軌跡和高速軸頻譜存在非整數(shù)倍頻的振動，不排除碰磨現(xiàn)象的存在，該問題需要借助智能鐵譜分析手段進行確認[2]。

6 故障處理過程及啟機后運行情況

在2021年12月檢修中對增速箱進行如下檢查項目：(1)停機后脫開聯(lián)軸器，對電機進行單試，復測電機磁力中心距；(2)檢查電機軸伸端與齒輪箱對輪間距；(3)復測高速軸竄動量。

機組停機后電機單試，測得電機磁力中心距為41.76 mm，設計范圍為39.7±1 mm，超出1.06 mm，其他測量數(shù)據(jù)正常。從磁力中心距的測量結果，判斷該機組在安裝前電機單試過程中，沒有對電機磁力中心進行復測，并根據(jù)現(xiàn)場實測值進行調整安裝[1]。機組投用后電機軸伸端竄動明顯，引起變速箱兩軸嚙合狀態(tài)發(fā)生變化，從而導致變速箱異響、高速軸壓縮機側軸承溫度異常波動、高速軸軸心軌跡偏移等諸多問題。確認問題后，調整電機安裝位置，使磁力中心距在規(guī)定范圍內，回裝聯(lián)軸器。

12月29日C301啟動，電機非驅動端軸承振動VIHA81203、VIHA81204振動由檢修前平均2.5 mm/s，下降至目前平均1.7 mm/s；齒輪箱高速軸壓縮機側軸承TISA81123、TISA81124溫度，檢修完成后穩(wěn)定在66 ℃左右，該測點溫度異常跳動自啟機后未再出現(xiàn)，機組運行正常。

7 遺留問題

(1)由高速軸壓縮機側啟機后振動頻譜圖(如圖4所示)可以看出，啟機后該側振動出現(xiàn)了明顯的低頻振動成分，幅值甚至接近1X倍頻，這也導致啟機后一段時間內，該側振動出現(xiàn)了較大幅值波動。隨著運行時間的延長，通過最近一次測得振動頻譜圖(如圖5所示)可以看到，該低倍頻成分明顯降低，同時當前振動幅值也下降至停機前水平。值得注意的是，即使從PI系統(tǒng)上看高速軸壓縮機側振動已達到正常水平，低倍頻和2X成分依然比較突出。應注意測點對應軸瓦間隙變化或瓦背勁力不夠，同時不排除滑動軸承存在早期碰磨故障[2]。

(2)壓縮機動靜部件間的輕微摩擦，開始時故障癥狀并不十分明顯，特別是滑動軸承的輕微碰磨，由于潤滑油的緩沖作用，總振值的變化是很微弱的，主要靠油液分析來發(fā)現(xiàn)這種早期隱患。該機潤滑油牌號為L-TSA46，于2021年4月裝置大檢修期間更換開始使用至今。2022年5月委托潤滑油分析單位對C301油樣做智能鐵譜分析，發(fā)現(xiàn)油樣中超過20 μm的磨粒較多，同時油液清潔度等級高。智能鐵譜分析報告可以看出，油樣清潔度ISO 4406(1999)：23/21/19；NAS 1638標準中各尺寸范圍內最大顆粒數(shù)幾乎都到12級。同時，切削磨損、嚴重滑動磨損及非金屬磨損這三種磨損形式所對應的磨粒最多，均達到2000以上。從智能鐵譜分析結果來看，當前潤滑油質量不容樂觀，由于存在大量超過20 μm的磨粒，印證了齒輪箱高速軸存在早期碰磨故障的判斷[3]。

(3)軸心軌跡。檢修后機組運行軸心軌跡明顯好轉，軸心軌跡偏移消失。運行過程中進動方向都為正進動，軸心軌跡中有“90°”直角，為高速軸傳感器對應軸徑表面存在劃痕或毛刺問題導致特征。

(4)高速軸電機側軸承溫度波動。0254-C301齒輪箱高速軸電機側兩個軸瓦溫度測點TISA1125、TISA1126，經常性出現(xiàn)小幅度波動，2022年4月共出現(xiàn)兩次：4月19日17:13—17:19溫度由61.3 ℃上升至66.7 ℃后恢復61 ℃，持續(xù)時間6 min；4月19日18:41—18:49溫度由62.8 ℃上升至85.15 ℃后降至64 ℃，持續(xù)時間8 min。在排除儀表接線及信號故障后，判斷軸瓦溫度的波動可能與一下幾個方面有關：①不排除測點對應軸瓦間隙發(fā)生變化或瓦背緊力不夠；②高速軸傳感器對應軸頸表面存在當量4～5 μm左右機械劃痕毛刺；③由于瓦溫波動無規(guī)律性，且每次波動都在短時間內溫度上升后恢復正常，懷疑軸瓦表面存在積碳，積碳的形成及脫落引起了瓦溫的波動變化；④潤滑油的油質不理想，存在較大顆粒磨粒，隨著大顆粒磨粒的進入及被帶出軸瓦間隙的過程，引起了瓦溫的變化。

8 結語

就本次再生氣循環(huán)壓縮機故障分析及處理過程，有幾項工作需要加強：

(1)負責振動監(jiān)測和診斷單位需更加全面地進行數(shù)據(jù)分析，逐項說明潛在故障及成因。診斷報告作為指導檢修的重要依據(jù)之一，其內容中所提供設備狀態(tài)的描述必須準確，通過對狀態(tài)特征數(shù)據(jù)的分析，能夠預測設備狀態(tài)的發(fā)展趨勢，因此要求監(jiān)測單位對診斷報告內容需更加嚴謹。同時，機組狀態(tài)監(jiān)測單位應當主動介入，發(fā)揮出振動監(jiān)測的前瞻性優(yōu)勢，提前發(fā)現(xiàn)潛在故障做預防性檢修。

(2)檢修維保單位對機組或其他關鍵轉動設備的檢修，必須做詳細的檢修記錄。詳盡描述故障表現(xiàn)，認真記錄檢修前、后各部件安裝參數(shù)，做好影響留底等工作，為今后的故障判斷提供依據(jù)。維保單位技術人員需增強責任心，應能夠主動發(fā)現(xiàn)設備隱患，與裝置設備管理人員配合共同做好關鍵設備的管理工作。

芳構化再生氣循環(huán)壓縮機齒輪箱問題的分析過程，同時也是振動監(jiān)測技術與實際機組運行管理相結合的過程，反映出了振動分析與測量在診斷機械故障的重要地位。如何用好這項技術使其更好地與設備管理工作聯(lián)系到一起，是從事設備管理工作人員不斷學習和努力的方向。希望通過本次分析實例的描述，能夠為其他裝置解決類似問題提供一些參考。