J4D375-3M型載氣壓縮機異常振動原因和應對措施分析

王小平

（國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司烯烴一分公司，寧夏 靈武 750411）

我公司聚合裝置采用德國魯姆斯公司的NOVOLEN氣相法聚合工藝技術(shù)，裝置設(shè)計生產(chǎn)能力為100萬噸／年聚丙烯顆粒，操作彈性為60%～110%，裝置共有4條生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)均聚物和抗沖共聚物和少數(shù)的無規(guī)共聚物，裝置的年操作時間，8000h，計劃實現(xiàn)機組2年一大修的目標。J4D375-3M載氣壓縮機設(shè)備運行周期相對較短暫，連續(xù)運行3個月左右就出現(xiàn)了肉眼清晰可見的振動現(xiàn)象，指派專人加強監(jiān)護運行，4個月以后因振動程度持續(xù)增加，需要停車處置，且會在每次檢修以后再次投運一段時間也滋生出同樣的問題，不利于裝置的長久運行。鑒于以上情況，應全面探查壓縮機振動問題的成因，最后認為介質(zhì)中三乙基鋁結(jié)晶后出現(xiàn)的垢層附著在腔體上，打破活塞的動態(tài)平衡是造成機組磨損、點蝕、振動加劇的主要原因。

1 J4D375-3M型載氣壓縮機基本狀況

J4D375-3M型載氣壓縮機是立式往復式壓縮機，有3組氣缸及其內(nèi)做往復運動的活塞，改變其內(nèi)部容積的壓縮機。活塞式壓縮機是容積型往復式壓縮機的一種，能滿足各種氣量的需求。壓縮機性能參數(shù)設(shè)計如下。

（1）選擇氣體丙烯、乙烯等作為介質(zhì)。

（2）最小、額定進氣量分別為5000㎏/h、7500㎏/h。

（3）進口壓力、溫度分別是60kPa、40℃；出口壓力、溫度3.5MPa、120℃。

（4）最小、額定軸功率850kW、970kW。

2 生產(chǎn)運行存有的問題

載氣壓縮機初始開車或者檢查、維修以后開車，早期運轉(zhuǎn)狀態(tài)均未見異常，振動值約10μm，一般連續(xù)運行3個月左右后，振動值增加到20μm，為規(guī)避因機組突然跳車造成聚合裝置停車，應用臨時提升振動報警數(shù)值的方法進行處理，但振動實測值依然會漸進式增加，運轉(zhuǎn)4個月左右后機組振動值達40～50μm，需要對其進行停車處置。每次停車處置環(huán)節(jié)中，解體檢查機組氣閥泄漏、活塞桿磨損、涂層脫落，腔體內(nèi)油泥較多，一定要清洗各零部件上的垢層及相關(guān)內(nèi)件。機組振動程度的增加對實際生產(chǎn)會形成較大影響：一是造成壓縮機轉(zhuǎn)速、流量、壓力等被降低，裝置很難抵達設(shè)計生產(chǎn)能力；二是壓縮機設(shè)備要屢次停車檢查、維修，以上過程中均要更換局部受損零部件，檢修后要外送到相關(guān)機構(gòu)開展活塞桿動平衡試驗研究，一方面，增加設(shè)備檢修造價；另一方面不利于機組的長期運行；三是壓縮機的高頻率開、停車會加速其自體各零部件的損耗過程，以致設(shè)備存有較嚴重的安全隱患因素。

3 異常振動成因分析

3.1 機組原因

為了能盡早掌握再其壓縮機振動問題的成因，技術(shù)人員先要觀察活塞的外觀，未見活塞零部件發(fā)生損壞、涂層脫落情況，著色探傷檢查也未見裂紋。為了能更全面地檢查活塞裙改變狀況，測量活塞桿的圓跳動情況，統(tǒng)計與分析測量數(shù)據(jù)，可以確定活塞桿的徑向跳動、軸向擺動全、整體處于限定范疇中。采用著色探傷技術(shù)檢查支撐軸瓦、止推軸瓦，其均未見裂紋、氣孔等質(zhì)量缺陷。軸瓦間隙檢查到的數(shù)據(jù)有：支撐、止推徑向瓦量均為0.15mm，轉(zhuǎn)子竄量0.25，符合要求。將千分表搭設(shè)在壓縮機軸上，用于對小齒輪半聯(lián)軸器外緣進行打表處理，借此方式獲得機組轉(zhuǎn)子的找正數(shù)據(jù)：徑向下偏差-0.83mm，左、右偏差是-0.37mm、-0.43mm，均符合設(shè)計要求；軸向下偏差-0.O1mm，左、右偏差分別是-0.01mm、0mm，同樣符合要求。在檢查壓縮機轉(zhuǎn)子、軸承、密封等零部件時，發(fā)現(xiàn)其均未受損，據(jù)此能解除壓縮機本體故障導致的異常振動。全面解讀設(shè)備運行狀況以后，也排解掉因臨界轉(zhuǎn)速、油膜及結(jié)構(gòu)共振等因素造成的振動。參照過去幾年中載氣壓縮機的實際運行狀況與表象特征，檢查、維修機組以后開車早期均能正常運轉(zhuǎn)，常態(tài)運行一段時間后，振動實測值才緩慢增加，據(jù)此能基本排除由機組本體問題引起的異常振動現(xiàn)象。

3.2 工藝原因

縱觀實際生產(chǎn)的工藝狀況：排放倉氣體經(jīng)載氣過濾器過濾粉末，過濾后的氣體進入載氣壓縮機一段壓縮、增加壓力，然后通過水冷卻器降溫后送至再起壓縮機二段繼續(xù)壓縮、增加壓力，再次通過水冷卻器降溫后送至再起壓縮機三段繼續(xù)壓縮、提高壓力，最后送至反應器。由于過濾器過濾的能力有限，因此，很難取得十分理想的過濾效果，進入壓縮機的工藝介質(zhì)含有聚丙烯粉末較多。

對壓縮機進行數(shù)次檢查、維修以后發(fā)現(xiàn)，一段氣閥結(jié)垢、活塞桿涂層脫落嚴重現(xiàn)象，二段氣閥結(jié)垢、活塞桿涂層脫落現(xiàn)象相對較少，三段氣閥結(jié)垢、活塞桿涂層脫落的現(xiàn)象基本未見。參照壓縮機內(nèi)氣體的工作特征，當氣體壓力下滑、體積擴增時，勢必會吸收一定的熱量，反之，其會釋放出大量熱量。很多載體被吸納到機組內(nèi)部，壓力、溫度值均會降低；隨著壓縮工序的推進，壓力、溫度值均會上升。在這樣的工況中，便會出現(xiàn)第一段工作溫度最低，隨后各級溫度緩緩上升的情況，壓縮機組出口位置溫度能高達120℃。

經(jīng)數(shù)次取樣分析后，統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓縮機內(nèi)部的結(jié)垢物質(zhì)是聚丙烯及三乙基鋁結(jié)晶。參照以上分析所得結(jié)果，在壓縮機進口與一段氣缸位置，氣體壓力下跌以后會造成溫度降低，導致氣體溫度在80℃以下，氣體內(nèi)摻雜的三乙基鋁會在該處結(jié)晶及生成垢層。隨著壓縮機內(nèi)壓縮氣體持續(xù)進行，壓力值上升，溫度值也隨之提高。三乙基鋁結(jié)晶產(chǎn)生的垢層會吸附在活塞裙局部，打破了活塞初有的動平衡，活塞自身失衡會引發(fā)異常振動情況。以上就是實際生產(chǎn)運行階段機組振動加劇的主因。

3.3 軸系發(fā)生異常扭轉(zhuǎn)振動

這種情況不僅會導致壓縮機的電動機運作過程中轉(zhuǎn)子與定子兩者之間的間隙不斷增大，使轉(zhuǎn)子和定子之間空氣流速出現(xiàn)一定改變，形成氣流噪聲及磁場脈沖，進而使電磁噪聲量增加，并且其還會造成壓縮機電動機運作過程中的氣隙扭矩發(fā)生波動現(xiàn)象，氣隙扭矩的波動會經(jīng)過定子磁通造成定子的電流出現(xiàn)改變，進而使電動機輸入（輸出） 功率出現(xiàn)一定波動，最后造成電動機對外發(fā)出持續(xù)改變的異常聲音。

3.4 內(nèi)燃機曲軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動

當出現(xiàn)這種異常狀況時，通常會形成同頻和倍頻的扭轉(zhuǎn)縱向耦合振動現(xiàn)象，在這種耦合振動的作用下機械振動會越來越嚴重，同頻耦合振動、扭轉(zhuǎn)振動引起了二倍頻耦合縱向振動數(shù)其主要的外在表現(xiàn)形式。曲軸的扭轉(zhuǎn)振動一般會通過兩個不同途徑去引起機體發(fā)生振動，其中一種是經(jīng)過連桿活塞傳送給機體，另一種是經(jīng)過主軸承傳遞給機體，雖然以上兩種作用途徑有差別，但均會導致曲軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動情況，最后造成機體出現(xiàn)異常振動。從理論上講，壓縮機和內(nèi)燃機的運動結(jié)構(gòu)基本一致，因此，根據(jù)以上形成的結(jié)論可以推測載氣壓縮機工作過程中發(fā)生較為強烈的扭轉(zhuǎn)振動，一定會加劇主體的振動情況。

4 應對措施

（1）結(jié)合以上載氣壓縮機異常振動現(xiàn)象的成因分析，通過適度提升壓縮機進口載氣介質(zhì)的溫度是處理振動問題的有效方法之一。設(shè)備使用單位可以采用加熱方法去提升載氣介質(zhì)溫度，可以在原裝置內(nèi)增設(shè)1臺列管式換熱器，但以上操作階段需要考慮的重要問題是換熱器的進口位置可能由于和壓縮機同樣的原因發(fā)生結(jié)垢情況，進而造成進口氣量不夠?qū)е孪到y(tǒng)停車。為規(guī)避以上情況，可以將1股組分和其等同的高溫氣體添加到初有的氣體介質(zhì)中，借此方式使混合氣體溫度上升到一定值以后，便能確保氣體流經(jīng)壓縮機進口與一段過程中不發(fā)生結(jié)晶情況。實質(zhì)上就是通過新配置單根管道把局部和壓縮等同的載氣添加至壓縮機的進口，高溫載氣和被整合至載氣壓縮機前的循環(huán)載氣都要做到均勻混合，將進入載氣壓縮機入口的氣體溫度嚴格控制在120℃上下。

（2）完善載氣壓縮機的維修工作。對于一、二線載氣壓縮機，及時更換填料密封、氣閥、主軸軸封等受損率較高的部件，將潤滑油由最初的格高150#整改成CPI-4600-150#。對于三、四線載氣壓縮機，不僅要及時更換填料密封、活塞桿、導向軸承等備件，也要把潤滑油由格高220#改造成CPI-4600-220#。

（3）研發(fā)應用XP閥，其實現(xiàn)了密封型面設(shè)計，且完善了閥座-閥片-閥蓋槽道設(shè)計，明顯提升了流通性，氣閥效率非常高，與普通氣閥相比，其節(jié)能效果提升了40%左右。PC+閥片自身的熱膨脹系數(shù)極低，使自身尺寸穩(wěn)定性、密封性能得到更大保障；具體開發(fā)中應用了最先進的材料技術(shù)，即PowerPEEK閥片，其耐高溫性強，使用壽命更長久；在具體設(shè)計過程中整合了閥環(huán)和閥片各自特征，動作執(zhí)行快速、安穩(wěn)、可靠；閥片實現(xiàn)了注塑成型，明顯改善了纖維的排布方向，自身強度處于很高水平，耐沖擊性更強，以上均是防控壓縮機設(shè)備運行階段發(fā)生異常振動情況的有效措施。

（4）既往有大量的實踐表明，處理載氣壓縮機異常振動問題過程中，應以其自身主要技術(shù)參數(shù)為基礎(chǔ)編制科學、可行的解決方案，可以嘗試應用以下方法去消減軸系的扭轉(zhuǎn)振動，具體操作可以做出以下闡述：在不影響作業(yè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，適度降低軸系的激振能量；科學整頓軸系的固有頻率；精準劃分轉(zhuǎn)速禁區(qū)；增加軸系的阻力消耗能量值。相比之下，調(diào)整軸系的固有頻率是減弱或者消除軸系扭轉(zhuǎn)振動的最有效、操作最便捷的方法。各個部件的彈性及慣量數(shù)值及其自身的分布情況、振動形式是影響多質(zhì)量系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率高低的主要因素。如果能合理調(diào)節(jié)軸系節(jié)點周邊的柔度值或振動幅度較大處的慣性，均會對軸系的固有頻率值造成較大的影響。鑒于以上情況，為實現(xiàn)對軸系扭轉(zhuǎn)振動固有頻率的有效調(diào)控，可以濕度整改曲軸的直徑或長度值，結(jié)合設(shè)備現(xiàn)場應用情況增加或減少飛輪自體的慣性量，提升軸系的質(zhì)量水平，改變曲軸的制造材質(zhì)，增設(shè)數(shù)量適宜的彈性聯(lián)軸節(jié)等。對于那些正處于生產(chǎn)作業(yè)黃臺下的壓縮機組軸系，其現(xiàn)場改造操作過程并不煩瑣，技術(shù)人員需要按照設(shè)計圖紙進行操作，逐一將配重體加裝至其軸系上，嚴格按照生產(chǎn)現(xiàn)場測量所得的準確壓縮機組振動與噪聲數(shù)值，對其進行嚴格分析，結(jié)合分析結(jié)果提出配重體的具體方案，科學準確地設(shè)定其實際位置，并配合應用質(zhì)量改進措施，借此方式確保軸系正常運作時能帶動配重體共同順暢運行，在這樣工況下軸系的運轉(zhuǎn)慣量相應增加，實現(xiàn)了對軸系固有頻率的有效增加，減輕或消除軸系的扭轉(zhuǎn)振動程度，明顯延長了連桿大頭瓦的使用年限，此時，工作人員在處理壓縮機的異常振動問題時，也取得了較滿意的效果。

5 結(jié)語

推行以上整改措施后，載氣壓縮機伴隨投運時間的延長其自身振動加劇的實際問題被解除，壓縮機的運行流量也有顯著提升，在沒有發(fā)生異常機械故障的工況下，機組常態(tài)運轉(zhuǎn)了1年后，其振動值均沒有出現(xiàn)十分明顯的改變；在設(shè)備投運1年后，開啟壓縮機大蓋進行例行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部轉(zhuǎn)子與隔板等內(nèi)件的清潔度相對較高，其表層僅吸附少許的白色粉末?？梢娨陨险拇胧┯幸欢ㄐЯ?，可以嘗試推廣。