離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡故障分析與處理

王永暉

（1.中石化天然氣榆濟(jì)管道分公司，山東 濟(jì)南 250101；2.中石化榆濟(jì)管道有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101）

天然氣長(zhǎng)輸管道承擔(dān)著輸送天然氣的重要任務(wù)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，天然氣消費(fèi)量逐年增長(zhǎng)，確保天然氣的安全穩(wěn)定輸送十分重要。壓縮機(jī)是天然氣長(zhǎng)輸管道的關(guān)鍵核心設(shè)備，壓縮機(jī)一旦發(fā)生故障將對(duì)天然氣輸送和下游市場(chǎng)天然氣的穩(wěn)定供應(yīng)產(chǎn)生重大影響。做好壓縮機(jī)運(yùn)行管理對(duì)于保障長(zhǎng)輸管道運(yùn)行意義重大。作為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，壓縮機(jī)故障時(shí)有發(fā)生，特別是運(yùn)行輔助設(shè)備和運(yùn)行參數(shù)異常是造成長(zhǎng)輸管道壓縮機(jī)組故障的主要原因［1］。壓縮機(jī)故障往往具有突發(fā)性，故障處理需要很高的時(shí)效性，如果處置不及時(shí)可能會(huì)帶來重大損失。隨著大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的發(fā)展，故障分析的手段逐漸豐富，通過分析故障產(chǎn)生的原因，提出合理的運(yùn)行和維修建議。把旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量沿旋轉(zhuǎn)中心線的不均勻分布叫做不平衡，由此引起的機(jī)器振動(dòng)或運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的其他問題稱為不平衡故障［2］。轉(zhuǎn)子不平衡引起的壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)異常進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)是較為常見的故障類型。針對(duì)某增壓站壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)異常，及時(shí)開展故障診斷及處理，分析不平衡產(chǎn)生的原因，為同類故障處置提供參考。

1 故障現(xiàn)象

某天然氣增壓站安裝有BCL355型電驅(qū)離心式壓縮機(jī)4臺(tái)，日常運(yùn)行2用2備。壓縮機(jī)本體為垂直剖分結(jié)構(gòu)，包含5級(jí)葉輪。增壓站接收上游來氣，經(jīng)過站內(nèi)過濾分離、增壓后輸往下游場(chǎng)站。1號(hào)壓縮機(jī)組在正常運(yùn)行過程中驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)值突然增大，如圖1所示。

圖1 故障機(jī)組振動(dòng)趨勢(shì)圖

從圖1中看出，該機(jī)組在正常運(yùn)行過程中，在轉(zhuǎn)速不變的情況下驅(qū)動(dòng)端X方向、Y方向振動(dòng)值同時(shí)突然增大，從25μm增長(zhǎng)到45μm，停機(jī)聯(lián)鎖值為64μm。隨后為查明振動(dòng)增大原因，保證機(jī)組運(yùn)行安全，機(jī)組停車檢查。再次啟動(dòng)機(jī)組，雖然能夠順利跨越一階臨界轉(zhuǎn)速，但振動(dòng)值依然較高，存在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，為避免對(duì)轉(zhuǎn)子、軸承和密封造成更嚴(yán)重?fù)p傷，需停機(jī)進(jìn)一步查找原因。

2 故障診斷

大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生各種故障，及時(shí)開展故障診斷，防止事態(tài)擴(kuò)大，能夠避免帶來更大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。正確的診斷和處理要建立在獲取與故障有關(guān)的信息基礎(chǔ)上，綜合分析，提高故障診斷的準(zhǔn)確性。

由于儀表失靈在大型機(jī)組故障中占有一定比例，首先對(duì)相關(guān)振動(dòng)探頭進(jìn)行了檢查，緊固接線等未發(fā)現(xiàn)異常。排除儀表故障后進(jìn)一步查找振動(dòng)異常原因。

在機(jī)組負(fù)荷沒有增加的情況下，驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)值突然增大，如圖2。

圖2 運(yùn)行過程中波形頻譜圖

從圖2波形頻譜圖上看，波形呈現(xiàn)等幅正弦波形，振動(dòng)異常的主要特征頻率為1X，初步分析造成振動(dòng)異常上漲的原因可能有：1）轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了不平衡，可能的原因有聯(lián)軸器接觸不良、轉(zhuǎn)子結(jié)垢、部件松動(dòng)、轉(zhuǎn)子彎曲等；2）支撐剛度不足或發(fā)生改變，如軸承間隙大或壓蓋過盈不足等。停機(jī)檢查聯(lián)軸器未發(fā)現(xiàn)異常。鑒于本增壓站上游來氣氣質(zhì)較差，水露點(diǎn)超標(biāo)情況較多，雖然進(jìn)站安裝有三臺(tái)臥式過濾分離器，進(jìn)入壓縮機(jī)組的天然氣仍可能攜帶一定水分，存在結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，為此采用內(nèi)窺鏡對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部流道進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，同時(shí)結(jié)垢過程較為緩慢，本機(jī)組振動(dòng)值突然異常增大，從而排除了結(jié)垢問題。通過查閱故障機(jī)組相關(guān)歷史資料，該機(jī)組開展過兩次大修，并且調(diào)整過轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部密封件如級(jí)間密封、平衡鼓密封等進(jìn)行了更換。壓縮機(jī)大修回裝完畢后試車，針對(duì)剩余不平衡量進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡調(diào)整，在聯(lián)軸器鎖緊螺母位置增加過墊片。通過波形頻譜圖及歷史檢修資料分析，引起驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)值增大的原因很可能是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡導(dǎo)致。

離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡引發(fā)的振動(dòng)故障，通常是設(shè)備自身部件問題或是轉(zhuǎn)子在裝配過程中對(duì)中不良而造成的［3］。由于氣質(zhì)問題造成結(jié)垢引起的故障也應(yīng)引起高度重視［4］。故障特征表現(xiàn)為由于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡而產(chǎn)生的離心力，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速增大或者輸出功率增加，振動(dòng)逐漸加劇；當(dāng)振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速同頻時(shí)，此時(shí)渦動(dòng)方向與轉(zhuǎn)向相同，振動(dòng)狀況更加惡化；撓性軸通過第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，振動(dòng)十分劇烈，轉(zhuǎn)子的軸心軌跡為橢圓，如圖3。諧波能量主要集中在轉(zhuǎn)子的工作頻率上，其它倍頻成分所占比例相對(duì)較小。

圖3 啟機(jī)過程中軸心軌跡圖

3 故障處理

進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)組振動(dòng)值增大是否由轉(zhuǎn)子不平衡引起，壓縮機(jī)組的振動(dòng)值隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化明顯，當(dāng)不平衡量較大時(shí)，難以跨越一階臨界轉(zhuǎn)速，本機(jī)組最大振動(dòng)值距離聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)值還有一定距離，因此不平衡量較小，考慮采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡調(diào)整不平衡量。采取聯(lián)軸器鎖緊螺母上增減墊片的方式進(jìn)行調(diào)整，在聯(lián)軸器鎖緊螺母上互成120°，每次在一個(gè)位置增加一個(gè)墊片，啟機(jī)觀察振動(dòng)值變化，通過增加墊片以及改變墊片位置的方法使壓縮機(jī)振動(dòng)值恢復(fù)到正常水平。本次調(diào)整首先去掉了在聯(lián)軸器鎖緊螺母位置已經(jīng)增加過的一個(gè)墊片，啟機(jī)后觀察振動(dòng)值逐漸恢復(fù)到正常水平，說明本次調(diào)整有效，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，機(jī)組振動(dòng)值依然保持在較小的正常水平，機(jī)組不平衡故障得到解決。本機(jī)故障的快速解決得益于從歷史檢修資料得到了啟發(fā)，因此建立完備的設(shè)備全生命周期檔案至關(guān)重要，如圖4。

圖4 調(diào)整動(dòng)平衡后振動(dòng)趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

大型離心壓縮機(jī)組發(fā)生故障后應(yīng)立即開展故障診斷，避免產(chǎn)生更嚴(yán)重后果。故障診斷應(yīng)建立在機(jī)組歷史運(yùn)行、檢修數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，去偽存真，找出故障真正原因，有的放矢進(jìn)行故障處理。壓縮機(jī)故障種類繁多，引起故障的原因有多種，有些故障現(xiàn)象、譜圖特征存在一定的相似性，這給故障診斷帶來一定困難，必須結(jié)合機(jī)組歷史運(yùn)行狀況、近期設(shè)備檢修情況綜合分析才能更好地確定故障原因。因此在日常工作中應(yīng)不斷總結(jié)匯編機(jī)組故障案例，為后續(xù)故障處理提供參考。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡導(dǎo)致的機(jī)組故障原因有多種，本機(jī)組不平衡量較小，未出現(xiàn)啟機(jī)困難或無法啟機(jī)的情況，因此采取了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整動(dòng)平衡的方法解決了轉(zhuǎn)子不平衡問題，起到了良好的效果，為后續(xù)此類問題的處理積累了經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)不平衡量較大時(shí)機(jī)組難以跨越一階臨界轉(zhuǎn)速，或振動(dòng)值較高觸發(fā)聯(lián)鎖停機(jī)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)任務(wù)的完成，有些不平衡故障處理較為困難，拆機(jī)檢查及返廠維修在所難免，在日常運(yùn)行過程中要重視機(jī)組不平衡問題的產(chǎn)生，采取有效措施減少故障發(fā)生，同時(shí)不斷積累經(jīng)驗(yàn)，提高故障診斷和處置能力。