壓縮機組在狀態監測系統下動靜碰磨故障診斷探究

文冰

（中國石油四川石化有限責任公司，四川 成都 611930）

1 前言

透平式壓縮機是一種高速旋轉機械，結構緊湊、尺寸小、重量輕，應用范圍較廣，并且在諸多應用場合下具有無法替代的地位。作為一種工業裝備，它廣泛應用于石油精煉、化工、冶煉、天然氣運輸、制冷和礦山通風等諸多重要部門；作為燃氣渦輪發動機的基本組成元件，在航空、水、陸交通運輸和發電等領域隨處可見；作為增壓器，已成為當代內燃機不可缺少的組成部件。在諸如大型化肥、大型乙烯等工藝裝置中，它所需投資可觀，耗能比重大，其性能的高低直接影響裝置經濟效益，安全運行與整個裝置的可靠性緊密相關，因而成為備受關注的心臟設備。

透平壓縮機運行過程中由于動靜結構部件運動干涉導致碰磨是較為常見的故障，主要發生在機組動靜葉片密封、轉子軸封以及滑動軸承等處。這種動靜碰磨狀態早期容易造成機組內的密封磨損和失效，導致機組振動升高或者級間泄露損失，碰磨后期長期的沖擊力甚至有可能導致機組葉片突然斷裂，嚴重情況下，斷裂葉片和其他葉片碰撞引發二次葉片斷裂事故，迫使機組非計劃停機檢修，嚴重影響生產，造成重大的經濟損失以及安全事故。

為了保障設備運行平穩，防止突發事故，避免設備事故帶來的危害以及經濟效益損失，實施基于狀態監測系統的預防維修已經成為現代化設備管理的重要方向。

2 狀態監測與故障診斷技術

狀態監測是指用人工或專用的儀器工具，對規定的監測點進行間斷或連續的(周期)監測，掌握設備運行所處于的狀態，判定設備是處于正常狀態還是異常狀態的一種方法。可監測的設備動態參數有壓力、流量、溫度、振動、油液與噪聲等。狀態檢測的目的在于掌握設備發生故障之前的異常征兆與劣化信息，對設備運行狀態進行評估，判定其處于正常或非正常狀態，以便事前采取針對性措施，控制和防止故障的發生。故障診斷依托專業的技術人員對設備狀態監測數據進行精密分析，精準鎖定設備潛在的故障位置，故障類型和嚴重程度，提出故障治理措施和方案，為操作人員和檢修人員指明正確的方向，避免盲目處理。

基于狀態監測與故障診斷技術進行設備管理可以有效指導設備檢修，提高設備管理水平，防患于未然，將事故消滅在萌芽，獲得潛在的巨大經濟和社會效益，推行狀態監測與故障診斷技術，有助于降低設備維護成本，延長設備使用壽命，最大限度提高以生產經濟性為目標的管理。

3 動靜碰磨故障特征

3.1 物理特征

設備運行過程中轉動部件與靜止部件之間發生干涉稱為動靜碰磨。轉子動平衡較差、轉軸彎曲度過大、對中不良以及熱膨脹不均造成的間隙不足等都有可能引起動靜部件發生干涉碰磨。

離心壓縮機轉子碰磨故障包含三種物理現象：碰撞、摩擦和軸系剛度的改變。

碰撞產生的效應體現在如下幾個方面：①改變轉子的振動形態。碰撞相當于給轉子及靜子一個脈沖，能將轉子和靜子的固有頻率激發起來。因此，轉子的實際振動是由旋轉產生的強迫振動和沖擊產生的自由振動的疊加而成的，從而使振動頻譜中的高頻分量增加。②碰磨點限制了轉子的運動，使轉子的振動波形發生畸變，產生削波現象。

摩擦產生的效應為：①動靜部分摩擦，使機組的零部件磨損，影響機組的運行狀態，使機組的效率下降。②使轉子和靜子局部過熱，從而使轉子產生熱態彎曲。③產生切向摩擦力，使轉子從正向渦動轉向反向渦動。

軸系剛度不僅與轉子的材料有關，而且與軸系的邊界條件有關，動靜碰磨時，邊界條件改變了，若其剛度變化，則固有頻率變化，軸系將不穩定，可能發生自激振動。

基于狀態監測系統，采集轉子軸振動信號，轉子發生動靜碰磨時振動信號特征如下：

3.2 振動特征

轉子在正常狀態下的自轉頻率為ω0，當機械設備發生碰磨故障時，轉子受到外力沖擊。在力的作用下，轉子發生彎扭耦合振動[61]，轉子異常扭振信息會體現在彎曲振動信號的相位中[62]，在橫振信號中則體現為調頻信息，轉子故障狀態下的實際頻率ωi的表達式為：

式中：ω0為自轉頻率/rad·s-1；ωm為調制頻率/rad·s-1；Am為調制信號幅值；φm 為調制信號相位/°；ωi為實際頻率/rad·s-1。

轉子轉過的角度即為ωi隨時間的積分，表達式如下：

碰磨故障信號的一般表達式為：

綜上可得碰磨故障的信號表現形式：

其特征為：

（1）時域波形出現削波現象，波形的波峰或者波谷被削去一部分，削去的量由碰磨嚴重程度決定。削波現象從信號合成原理上看，是疊加了其他高倍諧波成分的結果；

（2）頻譜成分比較豐富，會出現轉頻、2 倍、3 倍等高次諧波頻率成分，有時也會出現1/2、1/3 等分數倍頻率成分；

（3）軸心軌跡比較紊亂而且形狀多樣，當發生局部碰磨時，軸心軌跡會出現尖點、呈現“8”字形，故障嚴重時會出現花瓣形；

（4）二維全息譜中高倍橢圓增多、幅值增大，全息橢圓的偏心率較大，轉頻橢圓會出現反進動。

4 某透平壓縮機機組碰磨故障案例分析

4.1 機組信息

某石化蠟油裝置一臺關鍵機組循環氫透平壓縮機機組信息如下：

汽輪機型號：NG32/25/0，輸送介質：蒸汽，類型：背壓式，額定轉速：12100r/min，額定功率：2848KW，額定進氣壓力：4.0MPa，額定進氣溫度：420 ℃，額定排氣壓力：1.32MPa。

壓縮機型號：BCL409/B，工作介質：循環氫，類型：離心式，壓縮機軸功率：2815kW，額定轉速：12100r/min，最大連續轉速：12705r/min，第一臨界轉速：4369r/min，第二臨界轉速：17139r/min，額定入口壓力：15.79MPa（A），額定進口溫度：56.67℃，密封型式：干氣密封。

汽輪機和壓縮機采用聯合底座，使用潤滑油站供油。機組布置如圖4-1 所示。該機組安裝了在線監測系統，能夠實時監測汽輪機，壓縮機的各項運行參數，如徑向軸振動，軸向軸位移，軸瓦溫度，機組轉速等。

圖4 -1 透平壓縮機布置圖

4.2 運行概況

圖4 -2 汽輪機振動趨勢

圖4 -3 2017-7-18 透平振動趨勢

圖4 -4 2017-7-18 汽輪機1 倍頻振動趨勢

該機組配備了實時狀態監測系統，從2016 年8 月25 日開始，該機組透平振動開始出現振動報警的情況，隨著時間的推移，報警頻率從2017 年6 月10 日開始逐漸升高，該機組汽輪機振動趨勢如圖4-2 所示。

經過初步分析，透平每次發生振動波動時，趨勢都是先緩慢上升，然后再緩慢下降，但波動幅度不同，以2017 年7月18 日汽輪機振動為例，波動趨勢如圖4-3 所示。

4.3 振動數據分析

通過狀態監測系統對機組振動數據進行精密分析，以2017 年7 月18 日振動數據為例，透平振動報警時一倍頻振動幅值及相位趨勢如圖4-4 所示，同圖4-3 透平通頻振動趨勢對比發現，當通頻振動幅值變化時，一倍頻幅值及相位都同步發生改變。振動瀑布圖如圖4-5 所示，振動波動的時候主要是一倍頻幅值波動，振動平穩時軸心軌跡如圖4-5 所示，振動波動至最高點時軸心軌跡如圖4-6 所示，通過對比分析，發現振動波動時，透平兩端的軸向軌跡形狀發生變化，驅動端進動方向也由正進動變為反進動。

圖4 -5 振動平穩時透平軸心軌跡（左：驅動端，右：非驅端）

圖4 -5 振動平穩時透平軸心軌跡（左：驅動端，右：非驅端）

圖4 -6 振動波動至高點時透平軸心軌跡（左：驅動端，右：非驅端）

4.4 結語及驗證

4.4.1 結語

結合現場檢查發現，振動升高期間，汽輪機驅動端右側貓爪下墊片松動，初步推測汽輪機氣缸整體受到外力被頂起。再根據以上狀態監測系統振動數據分析可以得出：

（1）汽輪機振動波動是由于一倍頻振動幅值及相位發生波動，引起一倍頻幅值和相位變化的原因主要是轉子動不平衡量在一定的時間內發生了緩慢變化，波動結束后又恢復原狀態，因此，推斷該汽輪機轉子發生輕度碰磨，碰磨過程中轉子局部過熱，引起了轉子臨時性軸彎曲，導致一倍頻幅值和相位發生變化；

（2）導致轉子汽輪機動靜碰磨的二次原因為：環境、介質溫度變化或管道應力引起的汽輪機殼體熱變形、軸承座標高變化，或高密度流體沖擊引起的轉子振動擾動等因素引起汽輪機定子與轉子間隙減小，從而導致汽輪機動靜碰磨。

4.4.2 建議

根據2017 年機組振動趨勢，繼續重點監測運行，并保證蒸汽參數達標和穩定。建議大修期間，按計劃檢查：汽輪機管道支撐及管口應力情況；轉子及葉片沖蝕狀況；檢查和調整軸瓦間隙及瓦背緊力；檢查汽封部位磨碰情況。

4.4.3 檢修反饋

2018 年4 月28 日，對機組進行檢修，發現問題如下：

（1）通過測量氣封間隙，發現汽輪機殼體向南發生了偏移，導致南側氣封間隙較北側明顯大，南北兩側氣封與轉子間隙差值最大達0.25mm。

（2）動、靜氣封多處出現明顯磨損。如圖4-7 所示。

（3）設計院對汽輪機入口管道進行檢查、計算后，發現汽輪機南側入口管道處彈簧支架的彈性失效，蒸汽管道膨脹對汽輪機殼體產生作用力，造成汽輪機殼體位移、變形。

5 結語

狀態監測及故障診斷能夠對設備實行“健康”狀況連續監測，便于專業技術人員及時準確地對設備進行健康評估，鎖定潛在故障，為操作人員和檢修人員提供有力的技術支持，及時處理故障，確保監測機組運行的可靠性、安全性和穩定性，提高經濟效益。

圖4 -7 氣封磨損情況

本文針對動靜碰磨機理進行簡要分析，并且基于狀態監測系統針對一起透平壓縮機軸瓦碰磨故障進行了分析診斷，指導檢維修，避免盲目解體檢查，從而得以及時處理故障，保障機組運行成功，配合全場裝置開工生產。