大型透平壓縮機組葉輪裂紋故障的監測分析與診斷

逯梅钘

中石油北京天燃氣管道有限公司

大型透平壓縮機組葉輪裂紋故障的監測分析與診斷

逯梅钘

中石油北京天燃氣管道有限公司

在總結前人理論實踐的基礎上，依托設備狀態監測系統采集的實時數據，結合壓縮機故障振動機理和轉子動力學原理，應用故障正向推理的方法，精準判斷機組異常振動由罕見的葉輪輪轂裂紋故障所致。鑒于目前學術界對葉輪周向運動的機理研究很少，本文主要闡述該故障現象及征兆，深入分析故障發生、發展過程，研究探討故障機理與機組振動的作用關系，期望對透平壓縮機組類似故障的監測分析起到一定的參考作用。

透平壓縮機；紋故障；監測與診斷

為提高機組的使用安全性，目前大型旋轉機械的狀態監測己經普遍被采用，隨著設備的定期維護向設備的視情況維修的發展過程中，設備的故障診斷技術受到了普遍的重視，并不斷的發展。隨著通訊與網絡技術的發展，人們不再滿足單機的診斷技術，希望診斷技術能夠共享，以解決更多的機組故障，因此聯網成為診斷技術發展的必然趨勢。

1 透平壓縮機組

異構化循環氫壓縮機的主要作用是為裝置輸送異構化反應所需的含氫氣體，攜入及帶出反應熱量，維持床層溫度，抑制催化劑結焦。

該壓縮機由沈陽某公司制造，型號為BCL906，采用為垂直剖分鍛鋼殼體筒型結構，支撐軸承采用5塊可傾瓦液壓滑動軸承，推力軸承布置于壓縮機吸入口非驅動端，采用KINGSBURY型軸承，整個壓縮機具有結構緊湊﹑維護方便等特點；原動機采用背壓式汽輪機，由杭州汽輪機股份有限公司制造。循環氫氣體經6級串聯壓縮后，從入口0.745MPa(A)增大到出口0.970MPa(A)。壓縮機相關參數如表1所示。

2 故障監測和診斷分析

2.1 機械振動監測系統與方法

振動測量儀器與系統通常是由測振傳感器﹑測量放大器和信號處理裝置等組成，測振傳感器的作用是把被測對象的機械振動量位移﹑速度或加速度在要求的范圍內正確地接受下來，并將此機械量轉換成電信號輸出或顯示出來。測振傳感器的種類很多，主要有三大類①位移式傳感器②速度式傳感器③加速度傳感器。對于旋轉機械的狀態監測，最常用的傳感器是相對位移的電渦流傳感器，對一般通用機器的狀態監測，大多采用測量絕對振動的壓電晶體加速度傳感器。

2.2 轉子振動故障診斷

由引起轉子產生振動的激振力可分為強迫振動和自激振動轉子強迫振動的激振力有轉子不平衡離心力和氣體激振力等，轉子自激振動的激振力有油膜對軸產生的作用力﹑密封產生的氣動力等。強迫振動的激振力和自激振動的激振力的區別在于，強迫振動的激振力的大小與軸的位移無關，例如不平衡離心力的大小僅與轉子的重心偏移和轉速有關而自激振動的激振力的大小與位移有關并構成函數關系，位移越大，這種自激力也越大。

2.3 大型透平壓縮機組故障診斷及維修決策輔助系統研究

1)故障診斷及維修決策輔助系統初步設計。系統的關鍵部件均采用高可靠性的進口部件，通訊網絡采用高速光纖網，網絡布線嚴格按工程規范實施。軟件系統的開發依照軟件工程思想，采用國際流行的組件技術進行設計和實現，并進行嚴格測試。操作系統要運行穩定。為了防止網絡病毒侵入系統，影響系統的正常工作，系統中所有采集站﹑分析站和服務器都安裝了防火墻和殺毒軟件，并實現網絡在線升級。

2)故障診斷及維修決策輔助系統裝置介紹

網絡的拓撲結構。該系統由分站﹑總站構成，各分站采用有線局部網絡星型拓撲結構，網絡協議采用802.3的以太網協議，分站與總站之間采用光纖連接。

配置。該軟件由總站的系統組態軟件﹑監測和診斷軟件﹑分站的系統組態軟件﹑監測顯示和分析診斷軟件﹑采集工作站的采集﹑采集控制與數據管理軟件等組成，其相應部分分別安裝在振動信號采集工作站﹑監測工作站﹑分析工作站上。在分廠系統內各工作站之間的數據交換是在WINDOWS95平臺下，以WORKGROUP方式進行；在總站與分廠系統之間的數據交換是通過總廠的FDDI光纖網上進行。

數據管理。由于在線監測診斷系統是一天24小時不間斷地對所有機組和測點進行監測的，必然有大量的數據被采集和傳送過來，為了便于今后對這些數據進行回顧和檢索，從而研究機組運行的趨勢，必須對這些數據進行必要的管理。數據管理軟件是將前期采集的數據分門別類的進行存儲和管理。主要包括：長期數據管理：由組態文件設定，每間隔1小時或2小時或6小時，存儲一組數據文件。日常數據管理：由組態文件設定，每間隔10分鐘或20分鐘或30分鐘，存儲一組數據文件。短期數據管理：由組態文件設定，每間隔1分鐘或2分鐘或5分鐘，存儲一組數據文件。啟停機數據管理：在升/降速階段，按照傳統，每間隔20rpm，存儲一組數據文件；在盤車暖機階段，每間隔10分鐘，存儲一組數據文件。

3)故障查找。揭缸檢查發現壓縮機第5級葉輪輪轂出現1mm寬的裂縫，多處梳齒密封均磨損，證實之前分析結論。壓縮機軸瓦均完好無損﹑葉輪未發生沖蝕和無嚴重積垢現象﹑除第5級葉輪外轉子組件未出現松動跡象，測量轉子上各部位的徑向跳動均為正常，也證明了本文分析推理的準確性。打磨梳齒密封﹑更換葉輪后，壓縮機順利通過臨界轉速區，機組運行平穩至今。

綜上所述，依據旋轉機械故障機理和轉子動力學原理，采用正向推理分析狀態監測數據，逐項排查異常振動的誘導因素，最終確定壓縮機異常振動是由葉輪輪轂開裂導致過盈轉動失效，迫使葉輪在負荷變動時相對轉軸發生周向運動。借助狀態監測系統數據，精準分析故障原因，避免了一次盲目開車帶來的嚴重安全事故。

[1] 羅傳武.狀態監測與故障診斷系統在大型化工機組上的應用[D].大連理工大學，2013.

[2] 肖慶來.大型透平壓縮機組故障診斷及維修決策輔助系統[D].大慶石油學院，2005.