柔性轉子振動分析及現(xiàn)場動平衡實踐

李昱龍， 殷海良， 白云云， 龔瑜萍

(廣西金川有色金屬有限公司， 廣西 防城港 538000)

某硫酸廠采用銅冶煉煙氣制酸，年產硫酸160萬t，配備2套轉化系統(tǒng)，轉化系統(tǒng)采用“高濃度二氧化硫預轉化工藝”，由于煙氣中SO2濃度高達33%，每套轉化系統(tǒng)配置一臺空氣風機用于將大量空氣補充至轉化器，進行高濃度SO2的稀釋、轉化溫度調整、氧氣參與SO2轉化。該設備為美國德萊賽公司生產的OIB型離心風機，臨界轉速2 000 r/min，全壓74 kPa，設計風量75 000 Nm3/h，該轉子為柔性轉子。Ⅱ系列空氣風機于2013年12月調試完成，風機振動為20 μm。2014年9月振動升高至60 μm，為查找振動根源，對風機進行了全面的測試及分析,并在系統(tǒng)大修期間對風機進行了現(xiàn)場動平衡處理。

1 設備結構概況

Ⅱ系列空氣風機采用高壓電動機驅動，液力耦合器調速，風機為美國德萊塞公司生產，液力耦合器為德國福伊特公司生產，電機轉速1 485 r/min(24.75 Hz)，耦合器內齒輪齒數(shù)比131/27，2軸轉速7 205 r/min(120.1 Hz)。

圖1 風機結構簡圖

軸振測點在電機兩側預埋有電渦流位移傳感器VXT501、VYT501、VXT502、VYT502,風機側軸承箱內亦預埋電渦流位移傳感器VXT401、VYT401(靠近葉輪側)、VXT402、VYT402(靠近聯(lián)軸器)，X、Y兩個方向分別為45°、135°布置。

2 測試及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場設備實際情況，在月修期間對設備進行振動數(shù)據(jù)測試：

風機啟動達到3 574 r/min時1倍頻幅值、相位趨勢波形見圖2，1個小時的監(jiān)測結果顯示振動變化不大，幅值、相位穩(wěn)定，各轉速下的1倍頻幅值相位見表1。3 574 r/min時波形頻譜圖見圖3，401振動波形以1倍頻為主，其它倍頻成分很低，VXT401和VYT401相位接近90°，完全符合轉子不平衡的特征。轉子過臨界相位變化雖然不是很陡峭，但基本符合柔性轉子的特性，單圓盤轉子的不平衡響應見圖4[1]，當轉子轉速遠大于臨界轉速時，轉子以質量中心為圓心，偏心距為半徑旋轉，轉子運行更穩(wěn)定。

3 風機轉子不平衡原因分析

該設備輸送的介質為空氣，利用濃硫酸的吸水性，在風機前端設置空氣干燥塔除去空氣中水分，94%的濃硫酸在干燥塔中與空氣逆流接觸，干燥塔頂部設置捕沫器，除去酸霧，防止在轉化系統(tǒng)中形成冷凝酸，損傷觸媒及設備。經測振數(shù)據(jù)分析，排除了共振、機組對中、軸瓦間隙超標、基礎松動、油膜渦動等造成風機振動異常的原因，其振動主要由轉子不平衡導致。拆除風機導入口，仔細檢查風機葉輪，發(fā)現(xiàn)在葉輪正面、側面有輕微腐蝕，不規(guī)則腐蝕導致了葉輪丟失重量，從而引起風機振動異常，葉輪腐蝕的可能原因為：

圖2 3 574 r/min時1倍頻幅值、相位趨勢及波形

圖3 3 574 r/min時波形頻譜圖(從上到下依次為VXT401、VYT401、VXT402、VYT402)

表1 各轉速下1倍頻幅值/相位(μm/°)

圖4 單圓盤轉子的不平衡響應

(1)空氣干燥塔分酸器分酸效果不佳，產生較多酸霧，超過捕沫器除霧能力，酸霧夾帶進入風機。

(2)捕沫器除霧效果較差，干燥塔產生的酸霧未被有效吸收，酸霧帶入風機，導致葉輪腐蝕。

(3)殘留在空氣干燥塔至風機入口煙道的酸泥，在設備高速運行時被帶入風機葉輪，引起轉子不平衡，導致設備振動上升。

針對以上原因分析，立即對干燥系統(tǒng)采取以下措施：

(1)清理、檢查空氣干燥塔分酸槽、降液管，檢查填料，調整干燥塔上酸量，確保分酸槽均勻分酸，減少酸霧的產生。

(2)更換備用捕沫器，捕沫器與塔壁結合處使用四氟帶填充，減少酸霧夾帶，增強捕沫效果。

(3)清理、檢查干燥塔至風機入口煙道，防止殘余酸性介質進入風機。

4 處理方案

4.1 常規(guī)處理方法存在的不足

經過測試及數(shù)據(jù)分析，風機轉子存在明顯的不平衡。常規(guī)處理方法為：拆卸轉子，外送至專業(yè)廠家，在平衡機上進行低速動平衡，該檢修方法存在一定不足。

(1)風機正常工況時，轉速可達6 700 r/min，在平衡機上進行平衡時，轉速遠遠達不到設計工況時轉速。

(2)該轉子為柔性轉子，臨界轉速2 000 r/min，從設備實際運行情況來看，臨界轉速前后風機振動表現(xiàn)不一。

(3)拆卸轉子，費用較高。

(4)檢修人員技能對檢修質量有直接原因。

近年現(xiàn)場動平衡技術的日趨成熟，綜合各方面因素，決定進行現(xiàn)場動平衡處理。根據(jù)轉子結構，充分考慮到以下幾方面的問題：

(1)焊接配重塊質量精度；

(2)焊接到轉子上的配重塊可能對流體造成的影響；

(3)焊接質量；

(4)今后動平衡調整的方便性。

4.2 動平衡配重調整方案

(1)在整流密封罩(Φ230 mm)內端面同心圓上鉆孔攻絲，均分鉆12個盲孔，通過在孔中加螺栓進行配重的加減，依據(jù)轉子質量及柔性轉子在遠高于臨界轉速下的振動特性(轉子以自身質心為圓心偏心距為半徑旋轉)可以計算出轉子的不平衡量；

(2)從401軸振幅值相位隨轉速變化的情況看，轉子如果在低速下振動降低，則在高速下振動也會降低，因此轉子可以在低速下進行現(xiàn)場動平衡處理，振動降低后再在高速下確認；

(3)401和402的相位基本反向，如果401振動降低后402振動增高，則需要在聯(lián)軸器上加重進行雙面動平衡的調整，但從轉子的振型看，如果葉輪平衡得到改善，葉輪運行更穩(wěn)定后402側振動也應該降低，因此雙面動平衡調整的可能性不大，圖5為振動相位圖。

圖5 401、402振動相位圖

5 現(xiàn)場動平衡校正

年修停產檢修期間對轉子進行現(xiàn)場動平衡校正，具體測試數(shù)據(jù)如下。

5.1 測試數(shù)據(jù)

風機啟動，各轉速下1倍頻幅值相位見表2，轉速1 720 r/min時的波形頻譜圖見圖6，振動以1倍頻為主，相位穩(wěn)定，X、Y相位差接近90度，轉子呈現(xiàn)明顯的不平衡特征，在1 720 r/min穩(wěn)定幾分鐘后，振動逐漸增加，但相位變化不大，可能與轉子不平衡量較大，而且轉速在共振閾值內有關，因此決定對轉子先在1 720 r/min下進行現(xiàn)場動平衡處理。

5.2 動平衡測試數(shù)據(jù)

動平衡過程數(shù)據(jù)見表3，通過兩次配重，風機振動明顯降低，動平衡后振動數(shù)據(jù)見表4，1 720 r/min時振動波形頻譜圖見圖7，從頻譜圖中可以看出轉子因不平衡引起的振動已經很低，3 530 r/min時振動波形頻譜圖見圖8，從頻譜圖上可以看出轉子僅存在輕微的不平衡。

表2 第一次啟動各轉速下1倍頻幅值/相位(μm/°)

圖6 第一次啟動1 720 r/min時波形頻譜圖(從上到下依次為VXT401、VYT401)

表3 動平衡數(shù)據(jù)

VXT401VYT401初始振動1720r/min40.7/8052.8/0分別在75°、105 ° 、135°、165°位置加重36g(合成質量108g/120 °)1720r/min19.3/6724.4/3453545r/min19.1/14919.8/61以1720r/min,VYT401數(shù)據(jù)進行計算保留試重后,應在93°位置加重88g,考慮到93°位置已經無法加重,決定在反方向270°去重約80g1720r/min2.46/1563.71/683538r/min7.1/3436.4/262

表4 第三次啟動各轉速下1倍頻幅值/相位(μm/°)

圖7 1 720 r/min風機軸振波形頻譜圖(從上到下依次為VXT401、VYT401、VXT402、VYT402)

圖8 3 530 r/min風機軸振波形頻譜圖(從上到下依次為VXT401、VYT401、VXT402、VYT402)

6 結論

經過兩次測試及動平衡處理，風機在3 600 r/min內運轉良好，風機轉子的振動特性與柔性轉子的特性一致。由于系統(tǒng)大修，風機不能全負荷運行，風機帶負荷運轉后，在3 600 r/min以內時，振動與測試一致，但在3 600 r/min以上時，振動隨著轉速的升高而升高。再次測試發(fā)現(xiàn)振動相位變化不大，只是振動幅值隨著轉速的升高而增大，振動最高39 μm，振動呈現(xiàn)剛性轉子的特性，由于振動未超標，未進行再次調整。

硫酸生產中，往往由于高腐蝕性介質造成設備故障，因此工藝系統(tǒng)的優(yōu)化、設備改造需持續(xù)進行。本次雖對空氣風機的干燥系統(tǒng)進行了調整、風機轉子進行了現(xiàn)場動平衡，達到了預期目的，但設備運行情況還需進行長時間的檢驗。