膨脹機振動監測與隱患排查研究

劉勝國 潘 賁

（上海石油天然氣有限公司)

0 引言

透平膨脹機是實現接近絕熱等熵膨脹過程的一種有效設備，它廣泛應用于氣體液化、低溫分離等過程。在天然氣膨脹制冷回收輕烴工藝裝置中，膨脹機的等熵效率是一個重要參數，它直接決定了膨脹機出口溫度、制冷量、產液量和丙烷回收率等。

利用振動監測技術結合實際運行實踐，我們及時發現了故障苗子，預防了膨脹機重大損毀事故的發生。

1 膨脹機系統

該膨脹機由美國MAFI公司制造，內部主要部件有膨脹葉輪、壓縮葉輪、膨脹輪背密封環、壓縮輪背密封環、膨脹側阻熱器及軸密封環、壓縮側軸密封環、膨脹側徑向和推力組合式軸承、壓縮側徑向和推力組合式軸承、轉子及轉子內部拉桿和兩端的葉輪背帽。

主要附屬系統有潤滑油系統、密封氣系統、軸向推力自動平衡系統。主要儀表監測系統有軸徑向振動監測、速度監測、軸承溫度監測、軸向推力監測等。上述監測系統都有相應的顯示、報警和超報自動聯鎖停機功能，可自動停機保護膨脹機，以防止極限情況下繼續運轉造成各種損壞。

2 振動監測發現異常

我公司對膨脹機系統定期進行振動監測，以便及時監測和發現可能的異常情況。某日起出現了膨脹端和壓縮端振動產生軸向振動過大的異常情況，通過對膨脹機的離線和在線振動信號進行分析發現：機組除了表面上振動幅值有所上升外，在線振動所測得的頻譜結構發生了變化，2倍頻和高次諧波的幅值大于1倍的幅值 （故障頻譜如圖1所示）。同時，離線振動頻譜出現比較高的4倍和5倍頻的幅值 （故障頻譜如圖2所示），也從理論上反映出軸瓦和止推面的磨損已比較嚴重。

圖1 故障頻譜

圖2 故障頻譜

磨損的實際情況必須通過物理解體實際驗證。由于天然氣處理廠擔負著非常重要的居民供氣任務，停機解體維修必須慎之又慎。膨脹機運行一直比較正常和平穩，軸承溫度、軸向推力等儀表監測參數沒有出現異常，但考慮到該機組畢竟已運行4萬多小時，尤其是在監測過程中發現了膨脹端和壓縮端振動產生軸向振動過大的異常情況，加之一段時間來，還出現了一臺潤滑油泵不能正常維持供回油壓差的異常現象。振動監測技術結合實際運行情況，使我們發現了故障苗子，如果不及時解決將導致膨脹機組更嚴重的損壞。于是，經慎重考慮還是決定解體檢查。

3 解體檢查

解體后發現兩端軸承推力面磨損比較嚴重，特別是壓縮側軸承推力面偏磨非常明顯，而徑向面磨損相對較輕。膨脹端軸承止推面磨損如圖3所示。

圖3 膨脹端軸承止推面磨損

3.1 軸向竄動量的檢查

拆卸轉子總成前，打表檢查轉子軸向竄動量為0.730 mm，而該轉子裝置投運前打表檢查的軸向竄動量為0.279 mm，廠家指導軸向竄動允許范圍是0.254～0.406 mm。這說明經過4萬多小時的運行，兩端軸承推力面磨損很嚴重，轉子軸向竄動量已嚴重超標。該數據嚴重超標的后果是：一旦轉子由于工況變化而偏向一側，很容易引起葉輪刮傷蝸殼或葉輪掃膛，最終將造成整個轉子總成的損壞和報廢。另外，轉子軸向間隙增大，軸承的需油量將相應增加，而油泵的供油量隨著運轉時間的延長和內部磨損或漏失的增加則相應減少，這樣很容易造成供油相對不足和供回油壓差難以正常維持的問題。

3.2 軸承徑向間隙的檢查

軸承軸瓦與軸頸徑向間隙經打表檢查為0.050 mm，出廠數據為0.071 mm，廠家指導間隙范圍為0.066～0.076 mm。之所以測得的數據比以前間隙小，一是說明徑向軸承面磨損并不很嚴重，間隙沒有超標；二是由于磨損毛刺影響，測出的數據較徑向軸瓦的實際間隙略小。

3.3 轉子軸徑的檢查

轉子兩端軸承軸頸配合處用千分尺測得軸徑分別為壓縮端 50.76、50.76 mm， 膨脹端 50.74、50.78 mm，而出廠數據為50.74 mm，去除毛刺影響所造成的測量誤差，說明軸頸處磨損并不是很嚴重。

3.4 轉子軸間距的檢查

轉子端面間距測得數據為 177.20、177.54、177.62、 177.53、 177.51、 177.51、 177.14 mm， 而裝置投運前測得的間距為177.46 mm，廠家指導數據范圍為177.44～177.49 mm。因為有2處極限數據為177.20 mm和177.14 mm，說明轉子端面與軸承推力面磨損確實很嚴重，間距明顯低于廠家指導范圍值，必須經過噴鍍等修復后才能使用。

4 現象與原因分析及實證

從磨損情況來看，兩端軸承推力面磨損比較嚴重，特別是壓縮側軸承推力面偏磨非常明顯，而徑向面磨損相對較輕，從軸承磨損印跡來看也沒有金屬過燒現象，這說明所有磨損都是在油膜正常建立的情況下發生的油液顆粒和金屬間的正常磨損，沒有金屬之間的接觸性硬磨損。這種軸承徑向面的輕度磨損不會造成軸振動過大，油液顆粒與軸承推力面的磨損也不會造成軸承溫度突然升高，此磨損系經過長達4萬小時的油液與銅基軸承推力面的長期磨損造成。根據上述分析，實際運行過程中所表現的振動和軸承溫度一直維持在正常范圍也就不難理解，而反觀軸承推力面的過度偏磨則有明顯的問題和疑點。既然壓縮端推力軸承嚴重偏磨，特別是其止推油壓引壓孔已磨沒，實際運行過程中轉子就不可能在中間位置而應該是偏向壓縮端，壓縮端的止推油壓應該大于膨脹端的止推油壓，特別是后來壓縮側推力引壓孔被磨堵后更不可能再正常維持油壓，而實際運行時止推油壓表顯示的油壓卻一直相近或相等，這種矛盾說明兩端止推油壓相等是假象。這個問題不解決，即使裝上新的膨脹機總成，同樣還會出現軸承推力面嚴重偏磨而轉子軸向推力平衡系統不起作用并且繼續給人兩端止推油壓平衡的假象。因此找出軸向推力自動平衡系統所存在的兩側油壓竄通問題也就顯得非常重要。

根據兩側油壓存在竄通可能的分析，系統內存在可能竄通的部位有如下兩處：一是推力自動平衡器汽缸內活塞環損壞，造成膨脹和壓縮兩端油壓互竄；二是膨脹側或壓縮側止推油壓高壓差開關正負壓室膜片破裂，導致膨脹和壓縮兩端油壓互竄。

將推力自動平衡器汽缸及管網組件拆下，通過臨時接管往汽缸內一側引入儀表風打壓，沒有發現另一側接管漏出氣體的不正常現象，說明汽缸活塞不存在竄通問題，該處疑點被排除。接下來我們就需要驗證膨脹或壓縮側是否存在問題。將膨脹側和壓縮側的止推油壓差開關拆下，通過校驗臺給壓差開關的一側壓室打壓，發現這兩處壓差開關均存在另一壓室明顯漏油的竄漏問題。由此可見，由于兩側油壓已互竄，止推壓力指示平衡只是一個假象，軸向推力系統的平衡功能已完全失效，所以導致止推面的嚴重磨損。隨后用庫房內的備件對這兩個止推油壓差開關進行了調換。至此，軸向推力自動平衡系統的油壓竄通問題得到了印證和解決。

對軸向推力平衡系統修復、更換新的組合軸承后投用機組，在線的軸位移信號頻譜以1倍頻為主，高次諧波的幅值依次遞減，4倍和5倍頻振動分量以及機組振動幅值也處于正常 （正常頻譜見圖 4）。

圖4 正常頻譜

5 結語

振動是機器的脈搏，振動信息反映了機器的狀態。振動監測提供了我們了解設備運行狀況的另一種手段。有時設備系統自帶的各種監測儀器可能會提供錯誤或虛假的信息。本案例中，除了發現膨脹機潤滑油泵供油不足外，幾乎所有的監測信號都無異常，僅僅振動監測顯示出有異常。因此，振動監測結合膨脹機儀表監測并對實際運行狀況進行綜合分析，才有助于設備管理者從宏觀上和微觀上了解設備，更科學地制訂維修策略和維修計劃，既保證設備安全可靠的運行，也確保設備維修的經濟性。