膨脹機軸頸振動大的原因分析及處理

呂云輝

(云天化集團呼倫貝爾金新化工有限公司，內蒙古呼倫貝爾 021506)

云天化集團呼倫貝爾金新化工有限公司空分裝置進口膨脹機組(設備位號B01401A+ET01401A)增壓端軸頸振動(位號VI01409A)自2013年8月以來一直偏大，并且呈現逐漸上漲的趨勢。雖然機組進行了幾次檢修，但振動值偏大的問題一直存在。2016年3月，膨脹機增壓端軸頸振動上漲至25.6 μm，已超過報警值(25 μm)；2016年5月，上漲至28.4 μm，幾乎接近聯鎖值(29 μm)。為了不影響后續系統的正常運行，曾經將聯鎖跳車值分別設置為31 μm和 33 μm，但是升速過程中軸頸振動逐漸上漲，伴隨著推力軸承溫度升高，只能降轉速減負荷運行，給機組以及后續系統長周期滿負荷運行帶來了極大的隱患。因此，解決該設備軸頸振動大的問題就顯得尤為必要。

1 設備介紹及工作原理

該進口膨脹機組由法國Cryostar公司生產制造，是為氣體分離裝置配套的機組，主要為整個空分裝置提供冷量。機組由透平膨脹機，油站，底座，小冷箱，部分油、水、氣管路等組成。進口膨脹機為臥式布置，一端為增壓端，另一端為膨脹端，中間為軸承箱，其結構示意見圖1。

1.膨脹端擴壓器 2.膨脹端蝸殼 3.膨脹端葉輪 4.噴嘴組件 5.轉子 6.軸承箱7.增壓端葉輪 8.增壓端擴壓器 9.增壓端蝸殼圖1 進口膨脹機結構示意

該機組工作原理是利用有一定壓力的氣體在膨脹機內進行絕熱膨脹對外做功消耗氣體本身的內能，從而使氣體自身強烈地冷卻達到制冷的目的。即壓縮空氣軸向進入增壓葉輪，在其內加速增壓，進入擴壓器減速后進一步增壓，在蝸殼內匯集排出，經換熱器冷卻降溫后，壓縮氣體從膨脹端經可調噴嘴葉片通道徑向進入膨脹葉輪做功后，從膨脹端進行絕熱膨脹，壓縮氣體再經擴壓室從出口軸向迅速排出，利用氣體迅速膨脹降溫產生大量冷量, 滿足空分裝置對冷量的需要。該進口膨脹機設備參數見表1。

表1 進口膨脹機設備參數

增壓端葉輪和膨脹端葉輪裝在同一根軸上組成轉子，兩者轉速相同，膨脹端所產生的膨脹功由主軸另一端的增壓葉輪吸收利用，以提高增壓氣體的壓力。轉子為雙懸臂式結構，依靠軸承支撐在機身上，膨脹端葉輪采用三元流閉式葉輪，增壓端葉輪采用三元流開式葉輪。

支撐軸為止推徑向一體軸承，軸承采用強制供油潤滑，軸承溫度由鉑電阻溫度計測量。為了防止膨脹端葉輪膨脹前的氣體和增壓端葉輪增壓后的氣體泄漏，在膨脹端葉輪和增壓端葉輪與輪蓋上設置了迷宮密封。在靠近2個葉輪的軸上也分別設置了一段迷宮密封(兩端的氣封盤)使泄漏量最小，膨脹機密封內充有常溫密封氣(干燥空氣)，以防止膨脹機內低溫氣體向外泄漏，其壓力由減壓閥控制膨脹機啟動前，密封氣由儀表氣供給，啟動后密封氣自身提供。采用先投密封氣，再投潤滑油的方式，防止潤滑油進入氣路系統。

2 振動原因分析

該進口膨脹機產生振動的因素較多，如裝配、平衡、松動、摩擦及工藝原因等各個方面。根據對該機組近年來的檢修與分析，最后將分析重心集中到了以下幾個方面，并逐一排查。

2.1 故障問題分析

(1) 儀表探頭故障

經儀表專業人員現場檢查振動探頭無松動現象，對測振探頭進行校驗檢查正常，振動探頭狀況良好，因此可排除儀表探頭故障引起的振動。

(2) 軸承系統故障[1]

軸承系統故障振動現象較多，如支撐系統松動、間隙不符合要求、油膜渦動等，在運行及檢修中進行了仔細的檢查分析，發現軸承可傾瓦塊活動靈活，瓦面及瓦背無明顯磨損失效的痕跡，裝配情況較好；軸承座未見異常現象，軸承間隙均符合檢修要求。因此可排除油膜渦動的可能。以上現象表明，絕大部分典型軸承系統故障均沒有出現，因此可以排除由軸承系統所引發的不良振動。

2.2 轉子動平衡

(1) 轉子共振[2]

對任何一個彈性物體來說，在受到一個短暫的外力作用時，都會產生這種現象。對固定的物體來說，都有一定的振動頻率(每分鐘振動的次數)，叫固有自振頻率。這個自振頻率與物體的支撐方式、尺寸大小、材料的彈性等因素有關。對一定的膨脹機轉子，它也有固定的自振頻率。

如果外界加給物體的力是周期性的，并且這個外力的頻率與物體的自振頻率相同，則振動會不斷加劇，這種現象稱為“共振”。對于旋轉式機械，當轉子在旋轉時，由于轉子的彈性變形，相當于不斷給轉子加一個周期性的外力，這個外力的頻率與轉子的轉速有關。如果轉子的轉速與轉子的自振頻率相同，則振動將加劇，這個轉速稱作“臨界轉速”。在設計時，轉子的轉速應遠離臨界轉速，以免產生共振現象。 如果設計不當，工作轉速與實際臨界轉速相近，則轉子振動會很嚴重，使膨脹機無法正常工作。由共振造成的膨脹機振動，往往在試運轉時就會發生，并且隨著轉速的變化，振動的幅度變化較大。由表1可知，該機組工作轉速遠離臨界轉速，因此可排除由轉子的共振引起的振動。

(2) 葉輪表面有附著物

在2014年9月檢修作業中，增壓端葉輪葉片表面、輪蓋表面有一薄層灰塵，清理后進行了回裝，開車后振動有所下降，但在后續運行中，振動依然上漲；在2015年9檢修作業中，再次發現增壓端葉輪表面、輪蓋表面較臟，隨后檢查了入口過濾器，發現入口過濾器內部有大量焊條及雜質，內壁較臟，在清理后用氮氣進行了吹掃。2016年7月檢修時未發現增壓端葉輪表面、輪蓋表面有附著物。因此，增壓端葉輪表面的附著物可能會引起機組軸頸振動的增大。

(3) 轉子動平衡

在2016年7月機組大修中，更換了膨脹機轉子，檢修完成后試車良好，增壓端振動控制在 9 μm 以內。舊轉子送到動平衡廠家檢查發現，存在一定的動不平衡，并重新做了動平衡，轉子在動平衡機架上的振動速度小于1.0 mm/s，滿足使用要求。

2.3 其他問題

(1) 潤滑油品質

對2013年8月到2016年5月膨脹機潤滑油(美孚DTE846)月度檢驗報表進行了抽檢，潤滑油的黏度、閃點、酸堿值、水分和機械雜質均合格(見表2)，并未發現異?，F象。因此可排除潤滑油品質不良引起的振動。

表2 進口膨脹機潤滑油月度檢測情況

注：水分、機械雜質均未檢出

(2) 動、靜部件摩擦

在2014年9月的進口膨脹機大修中，發現增壓端葉輪葉片與輪蓋有毛刺(見圖2、圖3)，說明機組在運行過程中，葉輪葉片與輪蓋存在摩擦。檢修人員對葉輪與輪蓋的毛刺進行了修復處理，檢修完成后振動雖然有所下降，但下降不明顯，后期增壓端振動繼續上漲。因此可斷定增壓端軸頸振動增大是由葉輪葉片與輪蓋摩擦引起的。

圖2 增壓端葉輪摩擦示意

圖3 增壓端輪蓋摩擦示意

(3) 膨脹機內出現液體

當膨脹機內溫度過低而出現氣體液化時，液體被甩至葉輪外緣，溫度升高，又急劇汽化，會使壓力大幅度波動，造成膨脹機振動。經查閱機組溫度發現，溫度一直穩定在要求范圍內，因此可排除膨脹機內出現液體引起的振動。

(4) 增壓端喘振

實際運行中，增壓端未在喘振區，防喘振閥門一直處于關閉狀態，現場運行平穩。因此可排除機組喘振引起的振動。

(5) 密封失效

在機組運行過程中，現場發現膨脹端結霜嚴重，很有可能密封損壞。在2016年7月的機組大修中，發現膨脹端噴嘴支撐環內部整圈沖刷嚴重，密封墊片斷裂，膨脹機膨脹端固定板沖刷三處(見圖4)，與密封配合處，沖刷區域長30 mm、寬4 mm、深2 mm。因此，可判斷密封泄漏造成機組在升速加負荷的過程中膨脹端軸頸振動上漲，進而誘發增壓端軸頸上漲。由于增壓端遠離膨脹端，所以增壓端的軸頸振動值高于膨脹端，并且轉子會竄向增壓端，造成增壓端推力軸承溫度升高，而密封墊片斷裂導致密封失效，造成機組振動加劇。

圖4 膨脹端固定板沖刷示意

通過以上各方面因素的分析與排查，可以得出引起進口膨脹機增壓端軸頸振動上漲的主要原因為增壓端葉輪葉片與輪蓋摩擦、膨脹端密封失效以及轉子動不平衡。

3 解決措施及實施效果

在2016年7月的機組大修中，更換了膨脹端密封墊片(材質更換為改性聚四氟乙烯)、噴嘴支撐環、以及轉子(包含主軸和增壓端葉輪、膨脹端葉輪)。備用轉子返廠修復，派專人前往高速動平衡廠家監督檢驗整個動平衡工作，確保達到技術要求。

在實施以上改進措施以后，該進口膨脹機于2016年7月15日進行了試車，各項參數均符合設計要求(見表3)。

表3 改進后進口膨脹機試車參數

4 結語

經過2016年7月的大修，針對空分裝置進口膨脹機增壓端軸頸振動較大的問題，找出了引起軸頸振動大的主要因素，并有針對性的進行了改進，最終使得該故障得到徹底解決，為裝置的平穩運行提供了強有力的支撐。

參考文獻

[1] 韓捷,張瑞林.旋轉機械故障機理及診斷技術[M].北京:機械工業出版社,2010.

[2] 韓清凱,于曉光.基于振動分析的現代機械故障診斷原理及應用[M].北京：科學出版社,2010.

[3] 何磊.冷箱及膨脹機試車運行情況分析[J].氮肥技術，2008，29(4)：25- 27.

[4] 錢忠義，李進.大型合成氨裝置中空分設備的改造[J].化肥工業，1998,25(3)：39- 43.

[5] 姜亮，朱亞東，徐建，等.低溫余熱發電系統中渦輪膨脹機的優化研究[J].節能技術，2012，30(5)：400- 404.