循環(huán)氫壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡故障處理

喻迪垚，張 征

（中國(guó)石油遼陽(yáng)石化分公司油化廠，遼寧遼陽(yáng) 111003）

循環(huán)氫壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡故障處理

喻迪垚，張 征

（中國(guó)石油遼陽(yáng)石化分公司油化廠，遼寧遼陽(yáng) 111003）

對(duì)某裝置的循環(huán)氫壓縮機(jī)停機(jī)原因進(jìn)行頻譜分析，認(rèn)為該壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子存在嚴(yán)重的不平衡，通過(guò)運(yùn)行工況判斷附著于轉(zhuǎn)子上的積垢是造成不平衡的主要原因。采取解體檢修、高速動(dòng)平衡的修復(fù)方案，使該壓縮機(jī)恢復(fù)了使用要求。

循環(huán)氫壓縮機(jī)；轉(zhuǎn)子不平衡；頻譜分析

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.28

0 引言

隨著石油化工領(lǐng)域的快速發(fā)展，離心式壓縮機(jī)作為一種重要的氣體輸送設(shè)備，由于其具有氣量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠、維修量較少等特點(diǎn)，越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用。離心式壓縮機(jī)在長(zhǎng)周期運(yùn)行中，由于各種因素的影響，會(huì)使效率降低、能耗增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到壓縮機(jī)的正常工作。其中，轉(zhuǎn)子不平衡是一種典型壓縮機(jī)故障，輸送非清潔介質(zhì)的壓縮機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行轉(zhuǎn)子會(huì)存在一定程度的積垢現(xiàn)象，局部積垢的脫落會(huì)破壞壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)，主要反應(yīng)在運(yùn)行失穩(wěn)和啟動(dòng)時(shí)無(wú)法沖擊臨界轉(zhuǎn)速兩個(gè)方面。

1 問(wèn)題的提出

某裝置反應(yīng)工段設(shè)一臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備循環(huán)氫壓縮機(jī)，用于反應(yīng)產(chǎn)氫的循環(huán)。該機(jī)組由Elliott公司生產(chǎn)，形式為凝氣式透平離心壓縮機(jī)。該機(jī)組自裝置投產(chǎn)至今經(jīng)歷兩個(gè)檢修周期，本次停產(chǎn)檢修對(duì)壓縮機(jī)端更換干氣密封，并對(duì)其軸竄量、軸承間隙、對(duì)中等數(shù)值進(jìn)行校正，將各項(xiàng)配合參數(shù)調(diào)整至正常指標(biāo)。機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，非驅(qū)動(dòng)端測(cè)點(diǎn)（1H）軸振動(dòng)振值較大，為17 μm。經(jīng)1500 r/min暖機(jī)20 min后，在沖擊一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，該振動(dòng)測(cè)點(diǎn)振值超標(biāo)連鎖停車（84 μm）。機(jī)組及測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖1。

2 故障分析

2.1 運(yùn)行工況審查

對(duì)該壓縮機(jī)運(yùn)行6 a以來(lái)的DCS記錄及起停車記錄進(jìn)行審查，發(fā)現(xiàn)1H測(cè)點(diǎn)振值自2014年起呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，到停車檢修之前，該數(shù)值由8 μm漲至12 μm，其增長(zhǎng)速率緩慢。

2.2 故障頻譜分析

車間配有北京化工大學(xué)設(shè)備診斷與自愈工程研究中心研制的“大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)”（BH5000）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)振動(dòng)譜線進(jìn)行分析，非驅(qū)動(dòng)端1H測(cè)點(diǎn)的歷史趨勢(shì)圖見(jiàn)圖2。

（1）由譜線可見(jiàn)，非驅(qū)動(dòng)端1H測(cè)點(diǎn)振動(dòng)在1000～1500 r/min時(shí)提升不明顯，為17.1 μm。主要振動(dòng)頻率為工頻，夾雜少量2倍頻成分。轉(zhuǎn)速超過(guò)1500 r/min后振值隨轉(zhuǎn)速緩慢提升，在1階臨界轉(zhuǎn)速附近（2100 r/min）振值陡然上升，達(dá)到84.1 μm連鎖停車。從整個(gè)譜線上來(lái)觀察振動(dòng)主導(dǎo)頻率為工頻振動(dòng)，其他混雜頻率極少，1H端振值隨轉(zhuǎn)速上升十分明顯。振值隨轉(zhuǎn)速變化見(jiàn)表1。

圖1 機(jī)組和測(cè)點(diǎn)

圖2 1H VXK2601歷史趨勢(shì)

表1 1H端振值隨轉(zhuǎn)速變化情況

（2）1H相位角基本保持穩(wěn)定，其數(shù)值在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中未發(fā)生劇烈變化，為110°～140°?？梢耘袛噢D(zhuǎn)子運(yùn)行基本處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)內(nèi)，基本排除潤(rùn)滑油膜可能產(chǎn)生的問(wèn)題以及轉(zhuǎn)子磨碰的可能性。

（3）軸心軌跡進(jìn)動(dòng)方向?yàn)檎M(jìn)動(dòng)，1階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間軸心軌跡形狀為橢圓形?？刂剖覂?nèi)DCS操作臺(tái)參數(shù)顯示軸瓦溫度正常，干氣密封壓力及泄漏量參數(shù)正常，可以基本排除機(jī)體內(nèi)部磨碰的情況。

綜上所述，可以得出該壓縮機(jī)無(wú)法啟動(dòng)的原因是轉(zhuǎn)子不平衡所致。

2.3 轉(zhuǎn)子不平衡故障機(jī)理

轉(zhuǎn)子不平衡是由于轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量偏心或轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)缺損所造成的故障，它是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見(jiàn)的故障。離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子由于受到材料質(zhì)量、加工技術(shù)以及工藝介質(zhì)等因素的影響，其質(zhì)量中心不可避免的會(huì)偏移其幾何中心，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)形成周期性的離心力，在整個(gè)速度范圍內(nèi)總是有每轉(zhuǎn)一次的明顯相應(yīng)，在軸承上產(chǎn)生動(dòng)載荷，使機(jī)組振動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械約有近70%的故障與轉(zhuǎn)子不平衡有關(guān)。當(dāng)不平衡量超過(guò)允許范圍時(shí)，機(jī)組軸振動(dòng)便會(huì)加大乃至超過(guò)允許值，導(dǎo)致機(jī)組停車或無(wú)法越過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速。設(shè)轉(zhuǎn)子質(zhì)量為M，偏心質(zhì)量為m，偏心距為e，如果轉(zhuǎn)子的質(zhì)心到兩軸承連心線的垂直距離不為零，具有撓度為a（圖3）。由于存在偏心質(zhì)量m和偏心距e，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生離心力、離心力矩或兩者兼而有之。離心力的大小與偏心質(zhì)量m、偏心距e及旋轉(zhuǎn)的角速度ω有關(guān)，即F=meω2。交變力會(huì)引起振動(dòng)，這就是不平衡引振動(dòng)的原因。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周，離心力防線變化一個(gè)周期，因此不平衡振動(dòng)的頻率與轉(zhuǎn)速一致。

圖3 轉(zhuǎn)子力學(xué)模型

3 故障原因分析及處理措施

根據(jù)特征譜線以及所得到的分析，決定對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行解體，在拆卸過(guò)程中對(duì)壓縮機(jī)徑向軸承、止推軸承以及干氣密封進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)非驅(qū)動(dòng)端徑向軸承下瓦有部分研磨現(xiàn)象（圖4），止推軸承與干氣密封運(yùn)行狀態(tài)良好，無(wú)磨損痕跡。將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子吊出，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)缸體內(nèi)部隔板、入口導(dǎo)葉積垢嚴(yán)重，葉輪表面均勻積垢，吸入口處積垢厚度達(dá)3 mm，局部積垢有脫落現(xiàn)象（圖5）。

該壓縮機(jī)為循環(huán)氫壓縮機(jī)，介質(zhì)為四合一反應(yīng)器產(chǎn)氫，氫氣經(jīng)產(chǎn)物分離罐送入壓縮機(jī)入口。由于使用壽命原因，重整催化劑機(jī)械強(qiáng)度下降，粉化的催化劑擔(dān)體以及結(jié)焦物粉末隨氫氣進(jìn)入壓縮機(jī)。此外，壓縮機(jī)主密封氣亦有過(guò)帶液現(xiàn)象，液體和催化劑粉末在壓縮機(jī)隔板噴嘴以及葉輪吸入口處固化板結(jié)。停車檢修時(shí)未對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行拆卸，啟動(dòng)時(shí)板結(jié)的污垢脫落使轉(zhuǎn)子形成不平衡量，直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)子無(wú)法沖過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速，這便是該壓縮機(jī)振動(dòng)連鎖停車的根本原因。

將轉(zhuǎn)子送錦州汽輪機(jī)廠進(jìn)行清洗以及高速動(dòng)平衡試驗(yàn)，清洗、除垢后測(cè)定轉(zhuǎn)子不平衡量為70 g/mm，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分別在第1、6 級(jí)葉輪部位進(jìn)行去重，測(cè)定殘余不平衡量＜10 g/mm，已符合機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)要求。將壓縮機(jī)進(jìn)行回裝，重新對(duì)軸位移、軸間隙、垂直度、瓦背緊力、密封間隙等關(guān)鍵數(shù)值進(jìn)行標(biāo)定，均達(dá)到合格數(shù)值。壓縮機(jī)啟動(dòng)后1500 r/min暖機(jī)20 min，1H端振值為8 μm，越 1階臨界轉(zhuǎn)速峰值振動(dòng)為 13 μm，工作狀態(tài)穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

大機(jī)組故障診斷對(duì)于設(shè)備安全運(yùn)行和維護(hù)起著至關(guān)重要的作用，根據(jù)典型的故障特征可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行定性分析，全面、系統(tǒng)、及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別設(shè)備的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡作為一種典型故障，合理的診斷可以直達(dá)病灶，明確檢修目標(biāo)、縮短檢修時(shí)間、降低檢修費(fèi)用，從而從根本上提高設(shè)備檢修的質(zhì)量。

圖4 徑向軸承下瓦研磨

圖5 葉輪積垢

［1］高金吉.機(jī)器故障診斷及自愈化［M］.北京：高等教育出版社，2012.

［2］楊國(guó)安.機(jī)械設(shè)備故障診斷［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2007.

［3］王廷俊.氣體壓縮機(jī)在石化工業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展［J］.通用機(jī)械，2005（3）:8-10+16.

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〔編輯 凌 瑞〕