二氧化碳壓縮機增速箱異常跳車原因分析及對策

曾立林

(云南大為制氨有限公司 設(shè)備技術(shù)部，云南 曲靖 657800)

1 概述

1.1 設(shè)備概述

甲醇裝置二氧化碳壓縮機是將二氧化碳解吸塔頂部出來的二氧化碳壓縮到 8.2 MPa 后，送入后續(xù)系統(tǒng)工段的主要設(shè)備。該壓縮機由沈陽透平機械股份有限公司生產(chǎn)，型號為2MCL527+2BCL355，是兩缸四段多級離心式壓縮機，一段和二段構(gòu)成低壓缸，三段和四段構(gòu)成高壓缸，低壓缸與高壓缸之間通過增速箱進行連接。增速齒輪箱采用水平布置，低速軸通過聯(lián)軸器與壓縮機低壓缸聯(lián)結(jié)，高速軸通過聯(lián)軸器與壓縮機高壓缸聯(lián)結(jié)。壓縮機由汽輪機驅(qū)動，整臺機組分為雙層布置，主機布置在二樓，輔機布置在一樓。

圖1 壓縮機機組結(jié)構(gòu)

1.2 故障簡述

2019年9月26日，甲醇裝置消缺檢修完畢后進入裝置開車階段。 06∶30，甲醇裝置二氧化碳壓縮機開始啟動，轉(zhuǎn)速 1000 r/min，運行時間 50 min，期間各參數(shù)正常。07∶19，通過ITCC控制系統(tǒng)開始升速，07∶27，轉(zhuǎn)速升至 4987 r/min 時，增速箱低速軸振動點JC_30VI3035X與JC_30VI3035Y的振動發(fā)生異常突變(見圖2)，由 11 μm 迅速增長到 100 μm，并造成機組聯(lián)鎖跳車。

2 原因分析

該機組增速箱最近一次的大修是2018年4月，之后經(jīng)過多次開、停車，運行中各測點的軸振動、溫度、軸位移等參數(shù)均在報警值內(nèi)。本次開車過程中的振動達到聯(lián)鎖值100μm，屬于異常狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場掌握情況，本文進行了原因分析排查。

2.1 徑向軸承間隙變化分析

2.1.1 檢修裝配數(shù)據(jù)對比

增速箱低速軸支撐軸承為水平剖分式四油楔圓瓦軸承，屬動壓滑動軸承[1]。該增速箱低速軸驅(qū)動端支撐軸承直徑間隙設(shè)計要求與實際檢修裝配數(shù)據(jù)如表1。由表1看出，隨著機組運行時間的增加，低速軸驅(qū)動端支撐軸承直徑間隙也在逐漸變大(因在設(shè)計范圍內(nèi)，未進行軸承更換)，同時，該機組因各種原因多次開、停車，如2018年4月大修后至2019年9月期間，啟、停機共計12次。由于多次啟、停，軸承支撐系統(tǒng)出現(xiàn)磨損，也是造成軸承直徑間隙增大的原因之一。

表1 低速軸驅(qū)動端檢修裝配數(shù)據(jù)

2.1.2 軸中心平均位置變化

2018年4月大修后，開車過程中低速軸軸中心平均位置變化見圖3。

圖3 低速軸軸中心平均位置變化 (單位：10 μm/格)

由圖3可知，開車階段至機組運行穩(wěn)定過程中，軸心垂直方向的最大位移量在 170 μm 左右，水平最大位移量在 80 μm 左右。該轉(zhuǎn)子軸頸在垂直方向已接近軸承瓦塊上緣，可能導(dǎo)致振動的惡化。

2.1.3 靜電腐蝕

該機組長期存在較高軸電壓，在汽輪機轉(zhuǎn)子前軸徑位置安裝有簡易臨時接地放電裝置，并定期進行電壓測量與維護[2]。軸電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 軸電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)

2019年9月26日，檢查軸承軸瓦與轉(zhuǎn)子軸徑時，均出現(xiàn)不同程度的磨損，軸頸表面光潔度下降，出現(xiàn)磨砂狀磨痕，伴有可見腐蝕麻點，軸頸直徑尺寸減少 0.01 mm。同樣，軸瓦表面光潔度下降，兩側(cè)邊緣部位出現(xiàn)腐蝕狀麻點，軸瓦直徑尺寸變大。根據(jù)軸電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)以及軸頸、軸瓦檢查情況，機組產(chǎn)生了靜電腐蝕，致使軸承加劇磨損，直徑間隙變大。

2.2 軸承安裝狀態(tài)

該增速箱低速軸徑向軸承為四油楔圓瓦軸承，設(shè)計軸承油楔進油方向與旋轉(zhuǎn)方向相同(見圖4a)。正常情況下，轉(zhuǎn)子運行中潤滑油從油楔進入軸頸與軸瓦之間縫隙，形成動壓油膜，靠油膜力支撐轉(zhuǎn)子正常運行。若在安裝反向的情況下，軸瓦設(shè)計的油楔進油變?yōu)槌鲇涂?，出油口變?yōu)檫M油口，進油間隙相對減小，運行中造成進油量不足，油膜便會形成不好，進而油膜承載力降低，造成軸頸與軸瓦接觸性摩擦[3]。

a.設(shè)計安裝方向 b.實際安裝方向圖4 轉(zhuǎn)子與軸瓦運行示意

本次檢修發(fā)現(xiàn)，低速軸驅(qū)動端徑向軸承原始安裝方向與設(shè)計方向相反(見圖4b)，即軸承油楔進油方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反。這很有可能造成運行中軸承潤滑油進油量不足、油膜形成不好、承載力降低、軸頸與軸瓦接觸摩擦。尤其經(jīng)過多次的啟、停車過程，更易發(fā)生磨損，軸承間隙便會隨之變大。同時，運行產(chǎn)生的熱量無法及時通過潤滑油帶走，形成積碳。

2.3 潤滑油影響

潤滑油溫度、壓力、油品質(zhì)量對機組的正常運行有很大的影響。檢查潤滑油溫度、壓力，未發(fā)現(xiàn)異常變化。同時，對潤滑油油品進行取樣分析，分析結(jié)果見表3。

表3 潤滑油取樣分析結(jié)果

由表3可知，各項分析指標均在范圍內(nèi)，但酸值與月初比較略有升高。在線排油3桶，并補充4桶新油。機械雜質(zhì)分析無，現(xiàn)場也未檢查到可見機械雜質(zhì)，可排除機械雜質(zhì)進入引起的軸瓦異常磨損。

2.4 頻譜分析

查看開車System1狀態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在以往開車升速階段，多次出現(xiàn)0.49倍轉(zhuǎn)速頻率分量，并且幅值較大；隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，0.49倍頻率分量逐漸消失。本次開車在轉(zhuǎn)速 4600 r/min 時出現(xiàn)油膜渦動特征頻率(見圖5)。

圖5 油膜渦動特征頻率(2019-09-26)

該增速箱低速軸徑向軸承為剖分式四油楔圓瓦軸承，相對于可傾瓦軸承而言，其穩(wěn)定性較差。同時，分析認為，由于軸承間隙增大及軸瓦原始安裝錯誤的共同作用，軸承支撐剛度降低，失穩(wěn)轉(zhuǎn)速閾值降低，因此，該軸承的穩(wěn)定性進一步降低，在啟機時發(fā)生了渦動現(xiàn)象。失穩(wěn)轉(zhuǎn)速閾值計算公式[4]如下：

式中：Ω閾為失穩(wěn)轉(zhuǎn)速閾值，rad/s；λ為流體平均速比，常數(shù)；k為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)組合剛度，N/m；M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，kg。

2.5 原因總結(jié)

綜合以上分析，造成二氧化碳壓縮機開車階段異常跳車的原因主要有以下兩種：

1)主要原因是軸瓦穩(wěn)定性差，啟機過程中轉(zhuǎn)子失穩(wěn)發(fā)生油膜渦動，軸振幅不斷增大最終導(dǎo)致跳車。

2)次要原因：①因多次啟、停機及電腐蝕造成軸瓦間隙超差；②低速軸驅(qū)動端軸承原始安裝方向錯誤，造成軸承工作面潤滑油進油量不足，油膜形成不好，承載力不足，振動增大。

3 處理措施

根據(jù)上述分析，要解決開車過程中增速箱機組出現(xiàn)異常情況，需從提高軸承運行狀態(tài)穩(wěn)定性出發(fā)，提出以下對策：

1)將低速軸四油楔軸承原設(shè)計直徑間隙0.15～0.22 mm，調(diào)整為0.14～0.20 mm(本次更換新軸承軸瓦直徑間隙 0.16 mm)，抑制油膜渦動的產(chǎn)生。同時，在檢修過程中，對于超差軸瓦及達到間隙上限軸承應(yīng)及時更換。

2)油膜渦動對軸承潤滑油溫度變化比較敏感，降低潤滑油溫度可以有效的抑制油膜渦動。在開車階段，增速箱及機組各缸體振動較低的條件下，可適當降低潤滑油油溫，改變潤滑油粘度，抑制油膜渦動的產(chǎn)生。

3)將低速軸徑向軸承安裝方向重新調(diào)整，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向與油楔進油方向同向，并同時對檢修規(guī)程以及標準化作業(yè)指導(dǎo)書進行修訂[5-6]。

4 結(jié)束語

在更換調(diào)整增速箱低速軸軸承后，機組轉(zhuǎn)子振動、溫度各項參數(shù)正常，機組運行穩(wěn)定。二氧化碳壓縮機的開、停車是一個很關(guān)鍵的過程，需要通過狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)密切關(guān)注機組開、停車的運行狀況，對早期故障及早診斷分析，避免故障進一步惡化，造成嚴重后果。同時，嚴格按照檢修規(guī)程及標準化作業(yè)指導(dǎo)書進行機組的檢修，嚴格控制檢修質(zhì)量。