二氧化碳壓縮機高壓缸軸振原因分析及對策

李亞軍，尤文卿，劉君有

(1.西安石油大學，陜西 西安 710065；2.塔里木油田公司石化分公司，新疆 庫爾勒 841000)

1.前言

中國石油塔里木石化分公司熔融尿素裝置，二氧化碳壓縮機組由汽輪機驅動，壓縮機高、低壓缸由齒輪變速箱連接，汽輪機型號為SAC1-8，壓縮機高低壓缸型號為2MCL606、2BCL306/A，高壓缸轉速13 000r/min,安裝有BH5000在線監測診斷系統，結構圖如圖1所示。

2.高壓缸振動異常現象

從2012年9月2日至10月10日，高壓缸齒輪箱側軸振動(測點為9H、9V)持續上升，最高達到40μm，上升量10μm。非驅動側軸振動(測點10H、10V)也輕微上漲，幅度較小。

3.原因分析

透平壓縮機組常見振動故障有不平衡、不對中、軸彎曲、軸裂紋、斷軸、斷葉片、葉輪破裂、油膜渦動和油膜振蕩、摩擦、旋轉脫離、喘振、靜電腐蝕等。

通過狀態監測系統，實時采集了9H、9V測點振動數據，其幅值、頻譜、相位、如圖2、3所示。從圖中可知：(1)其近似正弦波，較規整，無明顯沖擊信號；(2)頻譜以1X為主，振值上升過程中，1X是主變因素；(3)1X相位在振值上升過程中，有十幾度的下行變化；測點9水平和垂直相位差約100°(9H，188°；9V，288°)，接近90°。

結合檢測結果分析如下：

(1)因振動上升過程中，1X的分量起絕對主導作用，因此可排除不對中、油膜渦動和油膜振蕩；(2)從全譜圖來看，測點9的進動方向未發生變化，可判斷測點9振值上升的一次原因非摩擦導致；(3)因1X以下成分較少，可排除流道堵塞導致旋轉脫離；(4)因單邊振動，且測點9是整個軸系上軸頸與軸瓦徑向間隙最小的位置，疑靜電腐蝕導致。

對于凝氣式汽輪機，當大量小水滴經過高速旋轉的葉片時，會在葉片上產生靜電聚集，該靜電需通過安裝在汽輪機低壓側的靜電刷及接地線導入大地，否則靜電越聚越多，轉子與大地之間的電勢也會越來越大，可能擊穿軸瓦與軸頸之間的油膜，產生火花放電，從而使得軸瓦和軸頸表面有大量的電擊坑。而且這現象在油膜厚度最小也就是軸承徑向間隙最小的部位優先發生，使得機組表現出單邊振動的現象。檢查現場，電刷及接地線工作狀態良好，用于測量振動的電渦流傳感器的直流量在振動上升的過程中變化不明顯，根據軸心軌跡的變化判斷軸瓦未磨損，因此可以斷定非靜電腐蝕導致。初步判斷，高壓缸轉子振動上升原因是轉子本身漸變性不平衡所導致。

轉子的漸變性動平衡被破壞的原因分析如下：壓縮機介質為二氧化碳，如果介質中混入水就會生成碳酸，中冷器微漏與段間氣液分離器效果不佳，都會造成介質中混入水，屬于帶液腐蝕導致。

4.結論驗證

2013年1月1日，對高壓缸進行檢修，轉子吊出后發現轉子軸上三段入口處損壞嚴重，印證了狀態監測及故障診斷分析的結論。且外缸內表面、葉輪流道內、軸封處等多處有腐蝕痕跡，說明三段入口氣體帶液嚴重。對壓縮機的設計數據表進行計算分析：一段入口氣體中蒸汽體積組分為5.27%(蒸汽為臨界飽和狀態)，二段入口氣體中蒸汽體積組分為1.31%，三段入口為0.37%，經計算可得，若二段出口冷卻器的氣體溫度控制在40℃，三段入口分離器應具有356kg/h水的分離能力，如該分離器分離原件故障或設計不當，氣體將會帶液。此外，三段入口設計溫度為40℃，實際為28℃，這樣每小時將多冷凝68kg的水，三段入口分離器將不具備這樣的分離能力。

5.采取的措施

(1)對三段入口氣液分離器重新設計制造安裝，保證了其有足夠的分離能力，確保進壓縮機高壓缸的二氧化碳中不含液態水。

(2)對轉子材質進行了變更，更換為耐腐蝕的不銹鋼材質。

通過采取以上兩項措施，使二氧化碳壓縮機漸變性動平衡破壞問題得到解決。