油封積碳導(dǎo)致的壓縮機(jī)磨碰故障分析

張 玲

（中國(guó)石油遼陽(yáng)石化分公司設(shè)備監(jiān)測(cè)中心，遼寧遼陽(yáng) 111003）

0 引言

石化企業(yè)中廣泛使用高速、高壓離心壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械，為了提高這些關(guān)鍵機(jī)組的工作效率，設(shè)計(jì)人員往往會(huì)把軸封、級(jí)間密封、油封間隙和葉片頂隙設(shè)計(jì)得比較小，以實(shí)現(xiàn)減小氣體泄漏的目標(biāo)。但是，過(guò)小的間隙不但會(huì)引起流體動(dòng)力激振，還會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與靜止部件間發(fā)生摩擦。一般情況下，部件間摩擦碰撞的初期會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)，機(jī)器末停車解體檢修之前找不出振動(dòng)的根本原因。因此，必須掌握摩擦激振的故障特征，以便及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)這類故障做出精準(zhǔn)診斷，避免更大事故的發(fā)生。

1 摩擦的概念

摩擦是旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間的非正常接觸。通常，軸承會(huì)阻止機(jī)器的旋轉(zhuǎn)部件接觸靜止部件。當(dāng)機(jī)械零件移動(dòng)到間隙縮小的位置，或者振動(dòng)越過(guò)間隙時(shí)，便會(huì)在非軸承的位置發(fā)生接觸，這時(shí)動(dòng)部件和靜止部件將發(fā)生摩擦。接觸期間，摩擦?xí)?duì)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生限制。摩擦?xí)?duì)接觸的部件造成直接損害。損害的程度各不相同，從機(jī)器的輕度損壞（輕微的摩擦造成）到完全破壞不等。

摩擦總是一種由其他故障導(dǎo)致的繼發(fā)效應(yīng)，這種故障使平均軸心位置和軸心動(dòng)態(tài)位置相疊加后超過(guò)轉(zhuǎn)子和定子之間的可用間隙。由翹曲的機(jī)殼、管道應(yīng)變、地基問(wèn)題、溫升不均、鎖住的齒式聯(lián)軸器或內(nèi)部零件錯(cuò)位導(dǎo)致的徑向載荷過(guò)大、松動(dòng)及外部或內(nèi)部不對(duì)中，都會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)極限平均軸心位置。由過(guò)度不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲或失穩(wěn)導(dǎo)致的大幅振動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)極限軸心動(dòng)態(tài)位置。即使振動(dòng)沒(méi)有達(dá)到極限，也會(huì)在平均軸心位置附近作動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。只要轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)位置越過(guò)可用間隙，摩擦就會(huì)發(fā)生。

當(dāng)實(shí)際摩擦/定子接觸發(fā)生在振動(dòng)周期的一小部分時(shí)，稱為局部摩擦。當(dāng)接觸發(fā)生在整個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)且具有連續(xù)性時(shí)，稱為全周摩擦。局部摩擦是最常見(jiàn)的摩擦表現(xiàn)形式。局部徑向摩擦是最常見(jiàn)的摩擦形式，通常可分為兩類：正常—緊密和正常—松動(dòng)。

在正常—緊密摩擦中，機(jī)器轉(zhuǎn)子通常運(yùn)轉(zhuǎn)在無(wú)約束條件下。當(dāng)轉(zhuǎn)子接觸軸承壁、密封圈或其他某個(gè)零件時(shí)，就會(huì)受到約束，或者說(shuō)處于緊密狀態(tài)。由于轉(zhuǎn)軸的自由運(yùn)動(dòng)受到限制，因此轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度會(huì)增大。正常—緊密是局部徑向摩擦最常見(jiàn)的形式。

正常—松動(dòng)摩擦是機(jī)器中松動(dòng)的表現(xiàn)形式。在這種情況下，轉(zhuǎn)子通常運(yùn)轉(zhuǎn)在約束條件下。在某一時(shí)刻（通常由于大幅振動(dòng)所致），轉(zhuǎn)子會(huì)擺脫約束而進(jìn)人松動(dòng)狀態(tài)。磨損的軸承或松動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu)會(huì)引起正常—松動(dòng)行為。如果轉(zhuǎn)子在軸承壁附近正常運(yùn)轉(zhuǎn)（由于受到軸承約束，可能在底部附近運(yùn)轉(zhuǎn)），并且轉(zhuǎn)子振動(dòng)達(dá)到能夠動(dòng)態(tài)地使轉(zhuǎn)子完全脫離軸承約束的程度，則轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的彈簧剛度將減小，從而導(dǎo)致振動(dòng)響應(yīng)發(fā)生變化。此外，松動(dòng)的軸承座還會(huì)使轉(zhuǎn)子和軸承抬起或與軸承座失去接觸，從而導(dǎo)致軸承座的剛度突然減小。當(dāng)轉(zhuǎn)子在振動(dòng)周期的某一時(shí)刻重新接觸軸承或軸承座結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)發(fā)生正常—松動(dòng)摩擦。空氣壓縮機(jī)概貌如圖1 所示。

圖1 新鮮空氣壓縮機(jī)

2 C2102 空氣壓縮機(jī)檢修、運(yùn)行狀態(tài)分析

2011 年11 月1 日C2102 空氣壓縮機(jī)機(jī)組停機(jī)檢修，對(duì)高壓缸入口、出口端軸瓦進(jìn)行檢查、清洗、回裝。經(jīng)檢修合格后，11 月5 日壓縮機(jī)啟機(jī)試轉(zhuǎn)，測(cè)得高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y共4 個(gè)測(cè)點(diǎn)振值最大值為39 μm（二取二，報(bào)警值55 μm，聯(lián)鎖值66 μm），機(jī)組運(yùn)行正常。

3 月21 日2：03，該機(jī)組工藝未做任何調(diào)整，高壓缸兩端P2701X/Y 和P2702X/Y 共4 個(gè)測(cè)點(diǎn)振值均發(fā)生突然改變，P2701X/Y 測(cè)點(diǎn)振值增大，P2702X/Y 測(cè)點(diǎn)振值減小，振值改變前伴隨有輕微波動(dòng)現(xiàn)象，高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)趨勢(shì)如圖2 所示。

圖2 高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)趨勢(shì)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試診斷，高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y 共4個(gè)測(cè)點(diǎn)頻率成分均為工頻，高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y測(cè)點(diǎn)頻譜如圖3 所示，結(jié)合該機(jī)組以往檢修及運(yùn)行情況，通過(guò)以上振動(dòng)數(shù)據(jù)分析認(rèn)為引起高壓缸高振動(dòng)的主要原因是：高壓缸兩端油封處存在輕微磨碰故障、高壓缸入口端軸瓦支撐剛度薄弱（存在瓦間隙不良、預(yù)緊力不均、瓦塊質(zhì)量缺陷等問(wèn)題）。建議對(duì)該機(jī)組高壓缸進(jìn)行解體檢查。

圖3 高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y 測(cè)點(diǎn)頻譜

4 月2 日，廠組織檢修人員對(duì)高壓缸轉(zhuǎn)子進(jìn)行解體檢修，發(fā)現(xiàn)高壓缸出口端的油封有一根梳齒脫落立于軸上且變形嚴(yán)重，另一根梳齒角部變形，且伴有輕微積碳現(xiàn)象，高壓缸出口端油封損壞如圖4 所示，高壓缸梳齒掉落處與軸磨損如圖5 所示，發(fā)現(xiàn)高壓缸入口端軸瓦支撐剛度薄弱（存在瓦間隙不良）。于是檢修人員更換油封，調(diào)整高壓缸入口端軸瓦間隙。

圖4 高壓缸出口端油封損壞

圖5 高壓缸梳齒掉落處與軸磨損

2022 年4 月19 日，機(jī)組試轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)數(shù)升至14 794 r/min時(shí)，高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y 共4 個(gè)測(cè)點(diǎn)振值監(jiān)測(cè)到最大振值為26.26 μm，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)正常。充分驗(yàn)證了高壓缸存在磨碰故障和軸瓦支撐剛度薄弱問(wèn)題。波動(dòng)透平驅(qū)動(dòng)端軸瓦檢修前后振值對(duì)比見(jiàn)表1，高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y 測(cè)點(diǎn)頻譜圖測(cè)點(diǎn)頻譜如圖6 所示。

表1 透平驅(qū)動(dòng)端軸瓦檢修前后振值對(duì)比

圖6 高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y 測(cè)點(diǎn)頻譜圖測(cè)點(diǎn)頻譜

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比檢修前后數(shù)據(jù)，高壓缸兩端端軸瓦振值明顯下降，整體運(yùn)行情況良好，目前該機(jī)組已運(yùn)行一周，運(yùn)行參數(shù)平穩(wěn)，無(wú)異常。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)大型壓縮機(jī)組發(fā)生積碳導(dǎo)致的磨碰故障的診斷證明故障診斷技術(shù)的有效性。