大型透平空壓機軸振動故障分析與排除

高永春，凌 波，蘭榮海

（廣西鋼鐵集團有限公司氣體廠，廣西防城港 538001）

引言

GT123L3K1 型空壓機是廣西柳州鋼鐵集團有限公司氣體公司十二五規劃重點項目2#40000 m3/h制氧機組配套的關鍵單體設備，于2012 年引進，由Atlas Copco 公司生產，為制氧機組提供原料壓縮空氣[1]。設計加工空氣量為212000 m3/h，額定功率為20000 kW。該空壓機為三級離心式壓縮機，主電機通過聯軸器帶動增速箱大齒輪軸，由大齒輪軸帶動兩根小齒輪軸，其中一根小齒輪軸上裝有一個閉式葉輪，為三級葉輪；另一根小齒輪軸作為過渡軸帶動另一根小齒輪軸，該齒輪軸上裝有一個半開式葉輪和一個閉式葉輪，分別為一級葉輪和二級葉輪。詳見結構示意圖1。

圖1 空壓機主機結構示意圖

級間共設2 個冷卻器，采用外置式。該空壓機投產運行以來，各級振動值正常穩定。2018年2月，該空壓機二級軸振動值突然上升，并超過報警值，利用臨時檢修時機，查找故障原因，利用有限條件采取緊急處理措施復產，并確定徹底消除故障隱患的方案待條件允許時實施，保證空壓機安全穩定運行。

1 存在問題

該空壓機自2012年投產運行以來，各級振動值穩定正常。2018 年2 月某日，該空壓機二級X 向軸振動VXIAS1004 點由16.4 μm 上升至52 μm 左右超過報警值，二級其它3 個軸振動點（VYIAS1001、VXIAS1002、VYIAS1003）在原值基礎上分別上升6～9 μm，一級軸振動4 個軸振動點在原值基礎上分別上升1～2 μm；位移測點無明顯變化；齒輪箱各軸承溫度測點無明顯變化。整個變化過程約5 min，之后各參數保持穩定，空壓機現場無明顯異響，振動變化不明顯，暫時注意觀察。數日后，該空壓機二級X 向軸振動VXIAS1004 點由52.7 μm 上升至74 μm 左右，接近停車值，二級其它3 個軸振動點在原值上分別上升4～7 μm（二級各振動點波動情況詳見表1），一級軸振動4 個軸振動點在原值的礎上分別上升1～2μm；位移測點無明顯變化；齒輪箱各軸承溫度測點無明顯變化。整個變化過程約5 min，之后各參數保持穩定，空壓機現場無明顯異響，空壓機東側平臺振動明顯增加，該位置離VXIAS1004 振動點較近?？諌簷C參數變化及現場實際情況說明該空壓機運行存在較大隱患，設備狀況不斷劣化，嚴重影響設備安全，決定臨時停機檢查。

表1 空壓機二級各振動點波動情況一覽表 μm

由于空壓機二級振動點異常情況最為明顯。首先，檢查各級測振探頭尤其是二級測振探頭安裝情況。測振探頭緊固件安裝到位，信號線連接正常；將各級測振探頭拆下后進行動態校驗，結果顯示各探頭測量準確穩定，無異常。其次，檢查二級葉輪運行情況。拆除二級進口管，發現二級進口導葉上掛有1 根橡膠條、2 根金屬條；透過進口導葉觀察二級葉輪，發現在二級葉輪入口端同一葉片位置掛有2根金屬條，見圖2。

圖2 金屬條位置及實物圖

通過查閱資料，發現該橡膠條及金屬條為中級冷卻器的密封部件。最后，檢查一級中冷的出口側，發現位于中冷中部、頂部的位置有約800mm 的Y 型密封條及壓條消失，并在中冷底部發現脫落的Y 型密封條及長約50mm 的壓條。經現場比對，發現的金屬條基本與缺口處缺少的壓條長度相當，確定故障位置。

2 故障原因分析

通過查閱設備圖紙、結合現場檢查情況并查找類似壓縮機故障文獻資料，基本確定故障發生的全過程，即中冷Y 型密封條的壓條損壞脫落，造成Y型密封條部分脫落，脫落的壓條及Y 型密封條進入二級進口管，分別掛在二級進口導葉和二級葉輪上，導致二級軸振動異常。分析此故障的原因主要有以下幾個方面：

2.1 直接原因：二級轉子動平衡破壞

轉子動平衡是否良好對空壓機的振動影響很大，而且在引發各類機械振動故障的原因中也占有較高的比例[2]。該空壓機的異常最早反應在二級軸振動的變化。對于二級轉子，金屬條掛在二級葉輪入口端的葉片上，隨著二級轉子高速轉動，直接破壞了二級轉子的動平衡，導致二級軸振動升高。二級軸振動值的異常變化經歷了兩個突變，其原因極有可能是在機組變工況時導致位于葉片上的壓條發生形態變化或者壓條所處位置的不穩定性造成的。

2.2 間接原因：中間冷卻塔的密封損壞

中冷的頂部密封結構如圖3，由Y 型密封條、壓條、緊固螺栓組成。檢查發現的橡膠條即為損壞的Y 型密封條，金屬條即為損壞的壓條。分析壓條和Y型密封條的損壞原因：

圖3 中冷頂部密封結構示意圖

（1）壓條選用的材質為LF21。LF21 是一種鋁合金，耐腐蝕好，焊接性良好，但可切削性能不良，冷作硬化時塑性低，強度低，用于氣體介質中工作的低載荷零件。

（2）密封結構，壓條寬24 mm，厚2.5 mm，為分段結構，非整根壓條，采用M8×35 mm 的不銹鋼螺栓緊固，壓條上的通孔直徑為Φ10 mm。每段壓條的接縫處無緊固措施。

（3）Y 型密封條是中冷典型的密封材料，滿足中冷密封要求。

（4）由于密封結構的特殊性，每根壓條的接縫處、壓條的開孔處是薄弱點。

由于Y 型密封條的密封特性，部分位置存在輕微泄露，導致壓條兩頭的受力模型為懸臂梁結構，在距離壓條兩頭最近的固定螺栓處負荷最大，且此負荷為交變負荷，同時，該處的密封條開有Φ10 mm的通孔，壓條截面長度最小處僅為14 mm。由于壓條材質塑性低、強度低，則會在螺栓緊固處疲勞斷裂。Y 型密封條在沒有壓條的預緊力后迅速損壞，而斷裂的壓條和損壞的Y型密封條隨著氣流進入二級進口管，掛在了二級進口導葉和二級葉輪上，導致故障現象最初表現在二級軸振動的變化。

3 處理措施及效果

通過以上分析，基本確定故障的根本原因，為保證第一時間復產，采取臨時處理措施修復設備，同時，制定徹底消除故障隱患的方案，待條件允許時實施，具體處理措施如下：

（1）檢查中冷內部其余壓條、Y 型密封條及固定螺栓，除少量Y型密封條密封效果較差外均無異常。臨時修復部分損壞的Y 型密封條，在頂部隔板兩側利用5#不銹鋼角鋼對夾封堵，每側角鋼的一端與中冷芯子的頂板分段焊接固定，另一端對夾在中冷頂部的隔板上，盡量減少空氣短路的面積，保證中冷的冷卻效果。由于角鋼的一端與隔板可以滑動，可以有效補償各零部件因溫度變化的形變。由于臨時修復措施只能在短期內防止故障劣化，中冷的其它位置未損壞的密封依然存在類似故障隱患，后期待時機需對中冷密封改進，主要從更換中冷所有Y型密封條、重新選用整條強度更高的壓條（如304不銹鋼）等方面入手。

（2）確認振動對二級轉子的影響。拆除二級入口導葉及進口擴壓器，對二級葉輪及葉輪密封全面檢查。經外觀檢查確認，二級葉輪無明顯異常，葉輪表面有少量積灰結垢；二級葉輪密封良好，無損壞。葉輪清理干凈后回裝。

（3）確認振動對增速箱的影響。拆開增速箱箱檢查人孔，檢查齒輪箱內齒輪嚙合及磨損情況，并檢查轉子在運轉時是否有剮蹭的情況。經盤車檢查后，齒輪箱內齒輪嚙合情況良好，齒面無磨損，各級轉子運行情況良好，無剮蹭現象。停止盤車后，從齒輪箱的檢查人孔進入齒輪箱內，對各級軸承壓蓋預緊螺栓檢查，各預緊螺栓緊固無松動。

（4）確認地腳螺栓緊固合理。該空壓機主機安裝于油箱上，油箱與基礎通過地腳螺栓緊固。檢查空壓機與油箱的連接螺栓，無松動；檢查油箱的地腳螺栓，東西布置2 排，共8 顆。該空壓機地腳最東側、最西側共4顆地腳螺栓為滑動螺栓，螺帽與油箱底板間隙約為0.5 mm，用于消除齒輪箱的熱變形；中間4顆地腳螺栓為固定螺栓，按要求的預緊力緊固?，F場檢查滿足設備安裝要求。

（5）空壓機各零部件回裝，經各專業口檢查確認，具備試車條件。

空壓機開機后，二級X 向軸振動VXIAS1004 點下降至16 μm，其它各級振動基本恢復至故障前的數值，故障排除。由于空壓機中冷修復采取臨時修復措施，長期運行依然存在故障隱患，如冷卻效率較低、采用的角鋼可能對其它零部件造成磨損等。為了徹底消除故障隱患，必須對該中冷徹底修復，抽出中冷的芯子，更換整根Y型密封條，并更換壓條的材質，比如選用不銹鋼304 等性能更好的材料。由于修復時間較長，必須提前計劃、備料，利用合適的時機及時實施。

4 結束語

該空壓機由于中冷密封損壞，進而造成二級軸振動異常，在采取臨時修復措施后，設備恢復正常。通過介紹該空壓機的故障現象，分析故障原因，實施處理措施，防止了設備故障劣化，消除了設備隱患。