離心壓縮機組振動故障機理、辨識和應(yīng)對措施

李金波

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

離心式壓縮機是石化、電力等工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用極為廣泛的壓縮機類型，在生產(chǎn)中往往處于核心地位，其運轉(zhuǎn)可靠性直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟效益。以乙烯裂解裝置為例，乙烯三機的非計劃停車往往會造成每天數(shù)百萬元甚至上千萬元的經(jīng)濟損失。如何設(shè)計和使用好離心壓縮機，出現(xiàn)故障時如何能夠迅速辨識并采取防范措施，使其安全、穩(wěn)定、長周期運行，成為制造廠、工程公司以及生產(chǎn)用戶非常關(guān)心的課題【1-3】。離心式壓縮機在使用中會出現(xiàn)各種類型的故障，但最普遍且容易帶來嚴(yán)重后果的是機組振動。振動產(chǎn)生的原因比較多，機組使用者最希望的是在出現(xiàn)振動故障時能夠根據(jù)故障的表面特征迅速辨識故障原因，從而及時采取對策【4-7】。

1 轉(zhuǎn)子不平衡

1.1 機理

離心式壓縮機是旋轉(zhuǎn)式壓縮機，當(dāng)轉(zhuǎn)子存在不平衡時將產(chǎn)生振動。由于受原材料、加工工藝等因素的限制，轉(zhuǎn)子存在原始不平衡；在機組運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生物料的不均勻結(jié)垢或者葉輪不均勻磨損/腐蝕，會產(chǎn)生漸發(fā)性不平衡；零部件損傷脫落或進入異物會帶來突發(fā)性不平衡。可以說，不平衡是離心壓縮機不可避免的一種特性。當(dāng)不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的偏心距達到一定程度，將使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時形成比較明顯的周期性離心力，從而使機器產(chǎn)生較大振動。

1.2 辨識

識別離心壓縮機振動是否由轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生， 主要通過振動頻譜圖、 時域波形和相位進行判定。

從轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的原因可知，質(zhì)量不平衡所產(chǎn)生的離心力始終作用在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，就產(chǎn)生一次響應(yīng)，即轉(zhuǎn)子不平衡的表征是振動頻率與轉(zhuǎn)子的基頻相等，也就是說振動頻率等同于轉(zhuǎn)速頻率。圖1 為典型的不平衡振動頻譜圖，由圖1可以看出：基頻成分的幅值明顯占據(jù)主導(dǎo)地位，這是判斷振動是否由不平衡引起的最重要依據(jù)。圖1中出現(xiàn)的多倍頻成分是由軸系振動的非線性所產(chǎn)生。從理論上來說，不平衡帶來的振動不可能引起基頻以外頻率的振動。此外，不平衡振動的振幅對轉(zhuǎn)速比較敏感，轉(zhuǎn)速下降，振幅將隨之明顯下降。

單純由不平衡帶來的振動體現(xiàn)在時域波形圖上都是相對規(guī)則的正弦波，這是因為轉(zhuǎn)速多倍頻的幅值都很小，對波形影響小，如圖2所示。

轉(zhuǎn)子不平衡振動的相位比較穩(wěn)定，軸心軌跡多為橢圓或圓形，轉(zhuǎn)軸同一截面相互垂直的2個振動監(jiān)測探頭測得的相位差是90°。

圖1 振動頻譜

圖2 不平衡振動時域波形

1.3 預(yù)防和應(yīng)對措施

對于原始不平衡，除應(yīng)在壓縮機設(shè)計中避免不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、采用先進的加工工藝來降低制造過程的誤差之外，還應(yīng)采取合適的動平衡措施并達到足夠的精度。API 617中對石油化工用離心壓縮機組的動平衡做出了比較詳細(xì)的規(guī)定【8】，例如：在轉(zhuǎn)子裝配前，葉輪、平衡鼓、軸等主要轉(zhuǎn)動部件都應(yīng)按ISO1940的G0.67或更高等級進行單面動平衡；轉(zhuǎn)子裝配時要在多個校正平面內(nèi)進行動平衡，每裝上1～2個主要轉(zhuǎn)動件后就必須進行一次動平衡，且平衡校正只能在剛裝上的零件上進行。每個平面上最大殘余不平衡量應(yīng)根據(jù)式(1)或式(2)進行計算。

Ur=6 350W/Nmc

(1)

Ur=W/3.937

(2)

式中：Ur——平面上的殘余不平衡量，g·mm；

W——轉(zhuǎn)子軸頸處的靜載荷，kg；

Nmc——轉(zhuǎn)子最高連續(xù)轉(zhuǎn)速，r/min。

Nmc<25 000 r/min 時用式(1)計算；Nmc≥25 000 r/min 時用式(2)計算。

對于漸發(fā)性不平衡，可以在設(shè)計中采取減緩結(jié)垢或腐蝕/磨蝕的措施，例如：乙烯裝置中裂解氣壓縮機往往采用壓縮機注油、注水、加注阻聚劑等措施，來減緩機體內(nèi)的介質(zhì)結(jié)垢。國內(nèi)外一些壓縮機廠也研發(fā)了防止葉片結(jié)垢的涂層技術(shù)，效果很好，但涂層的使用壽命還無法與壓縮機的設(shè)計壽命一致，往往使用幾年后就需要重新噴涂，而且噴涂成本較高。當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)子結(jié)垢或腐蝕/磨蝕到一定程度，就需要停機進行維護。

發(fā)生突發(fā)性不平衡時，往往振動會突然增大，需要進行停機檢查。

2 轉(zhuǎn)子不對中

2.1 轉(zhuǎn)子不對中的原因

轉(zhuǎn)子不對中也是誘發(fā)壓縮機振動的常見因素之一。產(chǎn)生轉(zhuǎn)子不對中的原因除了在壓縮機設(shè)計過程中熱膨脹計算與實際有誤差之外，往往是由于壓縮機在安裝或檢修過程中沒有完全按照壓縮機制造廠的安裝標(biāo)準(zhǔn)進行，導(dǎo)致其產(chǎn)生較大的對中誤差；即使安裝時對中好，在壓縮機運轉(zhuǎn)使用中操作不當(dāng)或壓縮機負(fù)荷過高，也會使壓縮機的轉(zhuǎn)子位置產(chǎn)生偏移，從而破壞對中。此外，如果壓縮機的導(dǎo)向系統(tǒng)不能很好地鎖緊，那么轉(zhuǎn)子也不能很好地對中。

常見的轉(zhuǎn)子不對中類型有3種：聯(lián)軸器兩端軸存在一定的平行度時是平行不對中；兩端軸存在夾角時是角度不對中；二者并存時為組合不對中，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子不對中類型

2.2 辨識

由于不對中引起的壓縮機振動，可以從如下幾方面進行辨識：

1) 振動趨勢上，由不對中引起的振幅隨著轉(zhuǎn)子負(fù)荷的提高而增大。

2) 振動頻率上，壓縮機振動的頻率是轉(zhuǎn)子工作頻率2倍左右。

3) 相位上，聯(lián)軸器同側(cè)成90°夾角的2個方位上，基頻相位差恰好是2倍頻的一半。聯(lián)軸器兩端同方位處的相位在平行不對中、角度不對中和組合不對中時分別為0°、180°和 0°～180°。

4) 當(dāng)發(fā)生不對中時，中心高相對低的軸承被架空，油膜穩(wěn)定性降低，因此中心高相對低的軸承振幅比中心高相對高的軸承振動要大。

5) 最大振動往往是在發(fā)生不對中的聯(lián)軸器兩端的軸承上產(chǎn)生。

2.3 預(yù)防和應(yīng)對措施

為了避免不對中帶來的振動故障，應(yīng)當(dāng)在機組設(shè)計時考慮精確對中的措施，如設(shè)計定位凸臺、圓柱定位銷或鍵等。安裝時應(yīng)嚴(yán)格按照壓縮機廠的標(biāo)準(zhǔn)來進行；認(rèn)真核對冷態(tài)和熱態(tài)的對中數(shù)據(jù)；檢查調(diào)整基礎(chǔ)沉降情況。在運行過程中，注意監(jiān)測壓縮機負(fù)荷波動時軸承油膜壓力的變化趨勢，油膜壓力升高，說明軸頸外表面與下半軸承體內(nèi)表面之間的間隙變小，與此相反就說明間隙變大；通過監(jiān)測和分析振動信號來判斷不對中故障，并及時采取應(yīng)對措施。

3 半速渦動和油膜震蕩

3.1 機理

半速渦動及油膜振蕩都是壓縮機的流體動壓軸承高速旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的特有故障，是由油膜壓力分布不均所導(dǎo)致的自激式振動【9】。

壓縮機運轉(zhuǎn)過程中，受到外界擾動使得轉(zhuǎn)子中心發(fā)生偏離時，軸承中高速流動的潤滑油的壓力分布就會發(fā)生變化，產(chǎn)生一個垂直于偏移方向的失穩(wěn)分力。這個失穩(wěn)分力會破壞轉(zhuǎn)子在軸承內(nèi)的轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生渦動，且頻率接近轉(zhuǎn)速的1/2，故稱為半速渦動。

轉(zhuǎn)子出現(xiàn)半速渦動已經(jīng)意味著失穩(wěn)，但對有些輕載轉(zhuǎn)子，半速渦動在較低轉(zhuǎn)速就產(chǎn)生了，卻沒有產(chǎn)生較大的振動，這是因為油膜自有剛性和阻尼會對轉(zhuǎn)子渦動產(chǎn)生抑制作用。轉(zhuǎn)速逐漸升高的同時，半速渦動的幅度也會變大，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近于2倍的第一階臨界轉(zhuǎn)速時，渦動頻率恰好等于一階臨界轉(zhuǎn)速，此時半速渦動將伴隨共振的產(chǎn)生而迅速被放大，二者相互促進，轉(zhuǎn)子表現(xiàn)為劇烈的振動，這就是油膜振蕩。

3.2 辨識

半速渦動的頻率為轉(zhuǎn)速的一半或略低。半速渦動與轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到失穩(wěn)轉(zhuǎn)速后，振幅會突然增加， 但轉(zhuǎn)速下降， 振幅不會立即下降， 而是繼續(xù)下降到某一數(shù)值時， 振動突然降低而消失。半速渦動往往與油溫的變化有明顯關(guān)系。

當(dāng)轉(zhuǎn)子載荷不同時，半速渦動和油膜振蕩會產(chǎn)生不同的表現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子載荷不同時的油膜振蕩曲線

從圖4可以看出：1)輕載轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速尚未達到一階臨界轉(zhuǎn)速(△處)時半速渦動就已經(jīng)產(chǎn)生，但從振幅上看卻并不明顯；當(dāng)轉(zhuǎn)速與一階臨界轉(zhuǎn)速重合時，轉(zhuǎn)子發(fā)生共振，振幅激增，但沖過臨界點之后振幅就會銳減；轉(zhuǎn)速升高到接近2倍的一階臨界轉(zhuǎn)速時，半速渦動的頻率和一階臨界頻率重合，振幅急劇增加，說明此時發(fā)生了油膜振蕩。2)重載轉(zhuǎn)子會在軸承中產(chǎn)生比較明顯的偏心，這有利于提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性，因此在轉(zhuǎn)速不是特別高時不會發(fā)生半速渦動，有時即使轉(zhuǎn)速達到2倍的一階臨界轉(zhuǎn)速振幅也不明顯，只有轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到某個門檻值時，油膜振蕩才出現(xiàn)，并且升速、降速2個過程中油膜振蕩出現(xiàn)/消失的轉(zhuǎn)速值往往不同。

判斷振動是否為油膜振蕩所引起的，關(guān)鍵是看當(dāng)時的壓縮機轉(zhuǎn)速是否接近振動頻率的2倍，但動靜部件的碰磨也為半頻振動，判斷時需要注意將二者區(qū)分開來，首先甄別振動頻率幅值是否以工頻為主，波形圖上是否存在“削波”然后再判別半速渦動有無發(fā)生。此外，油膜振蕩會在頻譜、波形、軸心軌跡上表現(xiàn)出明顯特征，即油膜震蕩發(fā)生時徑向振動振幅明顯，(0.42～0.5)倍頻分量在頻譜中特征明顯；渦動頻率下軸向振動分量不明顯；觀察軸心運動軌跡雜亂而不固定或呈雙橢圓形；振動的周期性信號在時域波形上占主導(dǎo)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周峰值往往少于一個，不存在明顯的加速度沖擊。

3.3 預(yù)防和應(yīng)對措施

發(fā)生油膜振蕩時，由于會與共振彼此促進，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生很高的振幅，造成壓縮機部件的損壞，如燒毀軸承、損壞干氣密封甚至造成整個機組的毀壞，因此必須從以下多個環(huán)節(jié)進行有效防治：壓縮機操作時應(yīng)避開共振區(qū)，避免工作轉(zhuǎn)速接近2倍一階臨界轉(zhuǎn)速；提高軸承比壓，增強軸承油膜穩(wěn)定性；降低軸承間隙以提高產(chǎn)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)速門檻；軸瓦設(shè)計時使瓦塊內(nèi)表面曲率半徑大于軸承內(nèi)圓半徑，增加轉(zhuǎn)子偏心距；選擇減振效果好、運行更穩(wěn)定的多油楔軸承等。

4 密封流體激振

4.1 機理

近年來密封流體激振引起的失穩(wěn)在大型高速葉輪機械上時有發(fā)生，已成為影響大功率高速葉輪機械轉(zhuǎn)子工作可靠性的重要原因之一【10】。

密封流體激振和半速渦動、油膜振蕩類似，都屬于自激振動，都是由于腔室內(nèi)流動介質(zhì)的周向壓力分布不均所導(dǎo)致的。氣相介質(zhì)在壓差的作用下通過各個密封腔， 不但軸向速度大， 而且會在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)等因素的影響下產(chǎn)生較高的周向速度， 這使氣流在轉(zhuǎn)子周向上的壓力分布和轉(zhuǎn)子/密封腔間隙值之間的變化趨勢存在不一致， 從而導(dǎo)致其在與偏心位移相垂直的方向上產(chǎn)生一個切向力。在該切向力的作用下轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生渦動。這個切向力是導(dǎo)致自激振動的激振力， 當(dāng)該力高于系統(tǒng)阻尼力時就會發(fā)生失穩(wěn)， 造成壓縮機損壞【11-13】。

4.2 辨識

近年來，國內(nèi)外對葉輪機械的密封激振問題進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)密封氣體激振一般有如下特征【14-16】：

1) 主要振動頻率往往低于轉(zhuǎn)子工頻，即多為亞異步振動。

2) 存在門檻值，當(dāng)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷頻率高于該值時，振幅迅速增大；反之則振動明顯變?nèi)?。而且這種振動一旦發(fā)生，轉(zhuǎn)速升高會導(dǎo)致振幅增大，但振動頻率不受影響。

3) 對壓縮機的負(fù)荷變化比較敏感，且具有良好的復(fù)現(xiàn)性。

4) 受氣流激振力影響，機組工作在額定轉(zhuǎn)速/負(fù)荷以內(nèi)時，轉(zhuǎn)子振動的低頻成分在頻譜圖上可以觀察到，但此時的幅值一般較小，只有當(dāng)機組負(fù)荷達到特定界限才會突然增大，此時壓縮機發(fā)生劇烈振動。

5) 振動的能量來自系統(tǒng)自身產(chǎn)生的激振力，無法用動平衡來消除振動的能量來源。

6) 流體流過密封腔體時的速度、壓力等數(shù)值越高，產(chǎn)生的切向激振力越大。因此，這類振動多發(fā)生在一些高參數(shù)、大型機組的高、中壓轉(zhuǎn)子上。

4.3 預(yù)防和應(yīng)對措施

通常從2個方面考慮減弱或消除密封流體激振：1)設(shè)法降低腔體內(nèi)流體產(chǎn)生的激振力；2)提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性。

4.3.1改進密封結(jié)構(gòu)

密封體的物理結(jié)構(gòu)會影響密封的剛度、阻尼，進而影響產(chǎn)生的激振力的大小、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。近年來壓縮機密封技術(shù)不斷發(fā)展，刷式密封、蜂窩密封、孔型密封等動力學(xué)特性更優(yōu)的高效阻尼密封，抑振效果明顯。

4.3.2增大系統(tǒng)阻尼

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性與系統(tǒng)能夠提供的阻尼大小密切相關(guān)，大阻尼會提高系統(tǒng)抵抗外界干擾的能力。壓縮機最主要的阻尼來自于軸承，設(shè)計、研發(fā)人員往往從軸承著手來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，如：為機組選用穩(wěn)定性更好的軸承(如可傾瓦軸承)，這會降低油膜交叉項與自身激振力之間的耦合程度；調(diào)整軸承的長徑比、采用粘度合適的潤滑油可以增大軸承阻尼；增大軸承比壓等。

4.3.3減小氣流激振力

API 684【17】中介紹了降低密封氣流激振力的幾種方法，其中比較典型的是反旋流法(Anti Swirl)和止渦法(Swirl Break)，這2種方法都是為了減小密封腔中氣流的周向旋轉(zhuǎn)速度。此外，還可以適當(dāng)增大密封與靜止部件之間的間隙，這樣也會明顯降低流過腔體的氣流速度。減小轉(zhuǎn)子偏心位移等也可達到減小氣流激振力的效果。

5 喘振

5.1 機理

喘振是離心式、軸流式壓縮機、風(fēng)機運行中最嚴(yán)重的問題，由旋轉(zhuǎn)失速進一步發(fā)展所產(chǎn)生【18】。當(dāng)離心式壓縮機負(fù)荷降低，進氣流量降到低于設(shè)計操作區(qū)域邊界時，被壓縮的氣體會脫離葉輪或擴壓器的流道表面，帶來顯著的沖擊損失。這既使機組效率變低，又會降低壓縮機的出口壓力，使管網(wǎng)中的氣流在壓差作用下倒流回機體內(nèi)，引起壓縮機、管道的劇烈振動，發(fā)出類似“哮喘”的聲響，這就是 “喘振”。管網(wǎng)系統(tǒng)容積的大小會影響喘振頻率和振幅，越大的容積意味著內(nèi)部氣體積蓄的能量越高，能夠產(chǎn)生的振幅就越大，但喘振頻率卻會變低。

5.2 辨識

壓縮機發(fā)生喘振時，有如下明顯特征：

1) 喘振的振動頻率較低，一般為1～30 Hz。

2) 發(fā)生喘振時，進氣端的流量與排氣端的壓力會產(chǎn)生較大的周期性脈動。

3) 管道中產(chǎn)生的噪音加劇，而且時高時低。

4) 喘振時，殼體與軸承處的振幅均明顯變大，呈現(xiàn)周期性變化的特點。與其它振動不同的是，喘振會帶來明顯的軸向振動，軸位移變大，推力軸承荷載增加。

5.3 預(yù)防和應(yīng)對措施

喘振造成的后果往往非常嚴(yán)重， 會使壓縮機的轉(zhuǎn)子經(jīng)受交變應(yīng)力而斷裂， 使得壓縮機強烈振動， 導(dǎo)致密封及軸承損壞， 動靜部件碰撞， 造成嚴(yán)重事故。運行過程中應(yīng)盡力防止壓縮機出現(xiàn)喘振。

預(yù)防喘振現(xiàn)象，首先是在壓縮機本體設(shè)計時加寬穩(wěn)定操作范圍，同時還應(yīng)當(dāng)為離心式壓縮機組設(shè)置防喘振放空或回流旁路。設(shè)置回流旁路是目前石油化工裝置上離心壓縮機組的常用做法。其次是在壓縮機性能曲線上保留足夠的裕度來設(shè)置防喘振控制線。API 617規(guī)定以預(yù)期的喘振流量的10%來設(shè)置防喘振控制線，并在進、出口設(shè)置壓力變送器、溫度變送器、流量變送器，通過防喘振控制器進行防喘振閥門的自動控制。操作人員在開車、停車或者負(fù)荷調(diào)整操作中應(yīng)嚴(yán)格遵循“升壓過程先升速，降速過程先降壓”的原則，負(fù)荷調(diào)整操作應(yīng)緩慢、均勻。

喘振發(fā)生后，一般不需要馬上停車，而應(yīng)立刻打開防喘振控制閥，加大入口流量，消除喘振現(xiàn)象，這個過程一般由防喘振控制系統(tǒng)自動實現(xiàn)。然后再檢查發(fā)生喘振的原因，采取相應(yīng)的消除措施。如果喘振重復(fù)出現(xiàn)，或造成了設(shè)備損壞，就需要停車檢查。

6 其它

除上述常見的振動誘因之外，還有轉(zhuǎn)子與定子部件的碰磨、進入異物、軸承故障、管路共振、轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋等可能的原因，都會引起壓縮機的振動，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的故障特點進行判斷，并及時采取應(yīng)對措施。

7 結(jié)語

1) 離心式壓縮機最常見的振動故障有轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、半速渦動和油膜震蕩、密封流體激振、喘振等。

2) 雖然引起離心壓縮機振動的因素有很多，但每種誘因都有各自的特征， 在發(fā)生振動故障時， 應(yīng)當(dāng)根據(jù)故障特征進行判斷，并及時采取應(yīng)對措施。

3) 應(yīng)當(dāng)從壓縮機本體設(shè)計、 工程設(shè)計、 安裝、 操作等各個環(huán)節(jié)采取預(yù)防措施， 避免壓縮機的振動。