離心式壓縮機(jī)振動(dòng)的原因與處理措施

王紅柱，陳擁軍

（湖北三寧化工股份有限公司，湖北枝江 443200）

1 離心式壓縮機(jī)的基本原理、結(jié)構(gòu)和性能

1.1 離心式壓縮機(jī)的基本原理及優(yōu)點(diǎn)

1.1.1 離心壓縮機(jī)的基本原理

離心式壓縮機(jī)的工作原理:當(dāng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力通過(guò)葉輪出口接收葉輪擴(kuò)散器，提高壓力能和運(yùn)動(dòng)能。當(dāng)氣體進(jìn)入擴(kuò)散器時(shí)，運(yùn)動(dòng)能產(chǎn)生的壓力能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化靜壓能，再通過(guò)彎道、回流器流入下一級(jí)葉輪進(jìn)行壓縮升壓，直至氣體壓力滿足工藝要求，離心壓縮機(jī)內(nèi)氣體流動(dòng)復(fù)雜，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)（如壓力、溫度、體積比、內(nèi)能動(dòng)力學(xué)等）根據(jù)不同的通道而變化，同一區(qū)域內(nèi)點(diǎn)之間的參數(shù)差異也不同。在絕對(duì)坐標(biāo)平面上，由于旋轉(zhuǎn)葉輪的氣流，占據(jù)空間的任何點(diǎn)的參數(shù)都會(huì)周期性變化。

1.1.2 離心壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

1.1.2.1 大流量

目前，離心式壓縮機(jī)的最高流量容積能夠達(dá)到36萬(wàn) m3/h，滿足了石化設(shè)備在大負(fù)荷下發(fā)展需要。

1.1.2.2 速度快，能源綜合利用

離心式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速通常是5 000～20 000r/min，適用于各種工業(yè)型汽輪機(jī)。它不僅極大簡(jiǎn)化了往復(fù)式活塞壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，而且節(jié)約了資金，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的自動(dòng)變速和調(diào)節(jié)。

1.1.2.3 結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小

與相同流量的活塞式壓縮機(jī)相比，該裝置的重量和占地面積要小得多。

1.1.2.4 運(yùn)行可靠，排氣均勻，氣體不受油污染

正常情況下，設(shè)備可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行2～3a。

1.2 離心式壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

離心式壓縮機(jī)的主體結(jié)構(gòu)分為定子和轉(zhuǎn)子。定子的主要部件包括主軸、葉輪、擴(kuò)壓器、蝸室、殼體、隔板、密封件、支撐軸承和葉輪之間的密封圈（如止推軸承、背環(huán)等）。

2 離心壓縮機(jī)典型故障特征

2.1 離心壓縮機(jī)常見振動(dòng)故障分析

離心式壓縮機(jī)是許多大型化工公司的特護(hù)設(shè)備，其地位十分重要，若運(yùn)行不穩(wěn)定往往造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。離心壓縮機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題是最常見的問(wèn)題。引起振動(dòng)的因素很多，最重要的是找到各種振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)和規(guī)律。如果設(shè)備有振動(dòng)波動(dòng)，可以立即找到原因并制定防范措施。

2.2 轉(zhuǎn)子的不平衡

造成轉(zhuǎn)子不平衡的原因主要是轉(zhuǎn)子質(zhì)量不均或制造安裝誤差等，轉(zhuǎn)子若有不平衡，旋轉(zhuǎn)后會(huì)產(chǎn)生慣性離心力或慣性力偶距，這樣對(duì)軸承產(chǎn)生動(dòng)壓力，從而在軸承中引起附加摩擦力與附加內(nèi)應(yīng)力，致使軸承磨損加劇，并使零件的強(qiáng)度降低，壽命縮短，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害的震動(dòng)。

2.2.1 轉(zhuǎn)子不平衡特性

（1）在轉(zhuǎn)子半徑測(cè)量的頻譜中，速度頻率分量具有凸峰。

（2）由于高頻時(shí)的諧波值非常低，因此它是時(shí)域波形中反射的正弦波。

（3）轉(zhuǎn)子兩端的振動(dòng)值不對(duì)等。

（4）在頻譜中，諧波能量集中在基頻上。

（5）當(dāng)旋轉(zhuǎn)頻率小于固有頻率時(shí)，振幅隨著旋轉(zhuǎn)次數(shù)的增加而增大。在固有頻率之后，當(dāng)旋轉(zhuǎn)頻率增加時(shí)，振幅在轉(zhuǎn)速變小且穩(wěn)定值接近固有頻率時(shí)出現(xiàn)最大峰值。

（6）轉(zhuǎn)子的軸是橢圓形的。

（7）振動(dòng)速度對(duì)轉(zhuǎn)速的變化很敏感。

2.2.2 轉(zhuǎn)子不平衡的原因

2.2.2.1 設(shè)計(jì)問(wèn)題

（1）旋轉(zhuǎn)體的幾何設(shè)計(jì)是不對(duì)稱的，重心不在旋轉(zhuǎn)軸上。

（2）轉(zhuǎn)子內(nèi)外均存在未加工表面，質(zhì)量分布變得不均勻。

（3）零件在轉(zhuǎn)軸上的安裝表面粗糙，配合公差不足，產(chǎn)生徑向或軸向振動(dòng)。內(nèi)部部件的松動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)孔高速膨脹，產(chǎn)生偏移。

（4）軸上的匹配鍵安裝在鍵槽中，形成局部金屬空位。

2.2.2.2 材料缺陷

（1）鑄件有氣孔，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，材料厚度不均勻，如焊接結(jié)構(gòu)。

（2）材料差，發(fā)生磨損和變形，質(zhì)量分布變得不均勻。

2.2.2.3 加工和裝配誤差

（1）焊接和鑄造缺陷的建模。

（2）切割時(shí)的切割誤差。

（3）裝配中葉輪裝配誤差的累積導(dǎo)致重心偏移，并安裝在每個(gè)高速轉(zhuǎn)子上，葉輪需要?jiǎng)討B(tài)平衡。

（4）材料熱處理不能滿足要求或消除殘余應(yīng)力，在加工和焊接過(guò)程中發(fā)生變形。

2.3 油膜振蕩

油膜振動(dòng)是高速滑動(dòng)軸承的一種特殊缺陷。它是由油膜力引起的固有振動(dòng)。當(dāng)油膜振動(dòng)發(fā)生時(shí)，輸入能量過(guò)大，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)和整個(gè)設(shè)備造成損壞。因此，需要深刻認(rèn)識(shí)并有效預(yù)防。

油膜振動(dòng)發(fā)生后，轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，振動(dòng)減弱，振動(dòng)頻率基本不隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。軸承油膜的初始失穩(wěn)與轉(zhuǎn)子載荷、臨界轉(zhuǎn)速和軸承相對(duì)偏移有關(guān)。

當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子具有較大的共振振幅，然后振幅減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到第一臨界轉(zhuǎn)速的兩倍時(shí)，油膜開始振動(dòng)。

由于旋轉(zhuǎn)軸直徑的大偏心，轉(zhuǎn)子速度慢，穩(wěn)定，半速旋轉(zhuǎn)不會(huì)發(fā)生。即使達(dá)到初始臨界速度的兩倍，也不會(huì)有太大的振動(dòng)。如果轉(zhuǎn)速超過(guò)臨界轉(zhuǎn)速并達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，則會(huì)發(fā)生油膜振動(dòng)。

2.4 離心式壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)失效與喘振

2.4.1 離心式壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)失效

旋轉(zhuǎn)失速機(jī)理：當(dāng)離心式壓縮機(jī)的工況發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)壓縮機(jī)的氣流在一定程度上改變了流入葉輪或擴(kuò)散器的氣流方向，氣流影響葉輪的工作面，在葉輪的加工表面上會(huì)出現(xiàn)大量的氣流漩渦。漩渦變大，通道面積變得越來(lái)越小。如果兩個(gè)通道中有更多渦流，多余的氣體進(jìn)入一個(gè)或多個(gè)葉片通道。流入葉片通道的氣體影響工作表面，增加渦流，阻止通道的有效流動(dòng)面積，并導(dǎo)致工藝氣流入通道引導(dǎo)的其他通道。通過(guò)這種發(fā)展，由渦旋組成的氣團(tuán)向后傳播和振蕩。

2.4.2 喘振

喘振是陡失速的進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)氣體量進(jìn)一步減少時(shí)，大容量管道中的壓力不會(huì)立即下降，管網(wǎng)中的氣體會(huì)返回壓縮機(jī)。當(dāng)管道壓力低于壓縮機(jī)出口壓力時(shí)，氣體回流停止，壓縮機(jī)恢復(fù)到原始?jí)毫Γ麄€(gè)通道出現(xiàn)渦流區(qū)。因此，裝置存在壓力和流量的周期性脈動(dòng)、低頻旋轉(zhuǎn)和強(qiáng)烈振動(dòng)。振動(dòng)的振幅和頻率與管網(wǎng)的體積密切相關(guān)。管網(wǎng)容量越大，喘振頻率越低，振幅越大。

喘振產(chǎn)生的原因：

（1）壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低，但出口壓力不下降。

（2）管道壓力增加。

（3）壓縮機(jī)的流速降低。

（4）壓縮工藝氣體進(jìn)口溫度高。

（5）工藝氣體成分發(fā)生變化，分子量降低。

（6）壓縮機(jī)進(jìn)口壓力降低或進(jìn)口管網(wǎng)阻力增大。根據(jù)這些條件，性能曲線降低，工作點(diǎn)落在喘振振動(dòng)線上，導(dǎo)致機(jī)組喘振。

2.5 轉(zhuǎn)子與氣封間的摩擦

為了提高離心式壓縮機(jī)的效率，通常會(huì)減小隔板間隙和口環(huán)間隙，以減少氣體泄漏。然而，除了流體動(dòng)力激勵(lì)外，轉(zhuǎn)子和氣封之間的小間隙通常是摩擦。轉(zhuǎn)子與氣封之間的兩種摩擦是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)子與氣封的局部碰撞。

2.5.1 局部磨損特性

當(dāng)發(fā)生局部摩擦?xí)r，接觸力與旋轉(zhuǎn)體的運(yùn)動(dòng)之間存在非線性關(guān)系，導(dǎo)致高次諧波振動(dòng)。局部摩擦是一種非對(duì)稱非線性振動(dòng)。在大多數(shù)情況下，速度頻率的1/2會(huì)發(fā)生，轉(zhuǎn)速是旋轉(zhuǎn)體的固有頻率，共振發(fā)生在兩倍波數(shù)以上。

2.5.2 周圍摩擦力的特性

較大的圓周摩擦力或整體圓周摩擦力將導(dǎo)致較大的摩擦運(yùn)動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)體存在大面積摩擦?xí)r，波形會(huì)出現(xiàn)波紋撕裂現(xiàn)象。如果在正方向上，從振動(dòng)變?yōu)榉聪蛘駝?dòng)，則表明旋轉(zhuǎn)體具有完全摩擦。

3 離心式壓縮機(jī)振動(dòng)故障的處理對(duì)策

3.1 解決振動(dòng)類故障的方法

作為消除振動(dòng)干擾的另一種方法，當(dāng)設(shè)備在達(dá)到臨界速度的過(guò)程中發(fā)生振動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整和改變臨界速度來(lái)消除過(guò)度振動(dòng)。在解決喘振現(xiàn)象的方法中，可以將離心式壓縮機(jī)設(shè)置在喘振范圍之外。當(dāng)能夠保護(hù)喘振壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子的同心度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)和過(guò)度振動(dòng)，并且能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子和定子的均勻性調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以通過(guò)求解轉(zhuǎn)子和定子的同心度來(lái)確定離心壓縮機(jī)，解決轉(zhuǎn)子與定子之間振動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題。

3.2 避免氣流激振力對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響

（1）檢查壓縮機(jī)主軸。如果主軸正常，檢查離心式壓縮機(jī)的葉輪。如果被測(cè)葉輪上黏有異物或缺陷，則可能導(dǎo)致離心壓縮機(jī)過(guò)度振動(dòng)。面對(duì)這種現(xiàn)象，離心式壓縮機(jī)的離心振動(dòng)可以去除、清洗和安裝。請(qǐng)注意，如果在此過(guò)程中某些零件損壞，則必須及時(shí)更換。

（2）旋轉(zhuǎn)體的兩側(cè)都是密封的，它們之間有壓差。當(dāng)氣流通過(guò)閉合的高壓進(jìn)入低壓時(shí)，當(dāng)高速氣流通過(guò)該過(guò)程時(shí)，旋轉(zhuǎn)體產(chǎn)生外部激勵(lì)，旋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)產(chǎn)生激勵(lì)。離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)期間，密封間隙的工藝氣間隙在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向之前旋轉(zhuǎn)，當(dāng)氣流與旋轉(zhuǎn)前的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一致時(shí)，產(chǎn)生沖擊力，沖擊力用于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。在這種情況下，在密封的兩側(cè)增加了工藝氣攪拌器的結(jié)構(gòu)，以避免增加旋轉(zhuǎn)失效運(yùn)動(dòng)。

（3）及時(shí)更換離心壓縮葉輪材料。普通離心式壓縮機(jī)有葉輪變形、葉輪損壞、壓縮機(jī)氣封損壞、轉(zhuǎn)子摩擦大，在快速運(yùn)行過(guò)程中容易氧化和腐蝕，可以用特殊材料代替合金材料，以避免因氧化或腐蝕造成的葉輪損壞或變形而導(dǎo)致壓縮機(jī)振動(dòng)。

（4）用波紋管換熱器代替普通列管冷卻管。在離心式壓縮機(jī)中，波紋管換熱器增加了換熱器的換熱面積和減小水的用量，提高了設(shè)備的換熱效果。此外，該設(shè)備的使用可以避免因大量工藝氣流量而導(dǎo)致的快速冷卻不足，它可以減少因工藝氣管道的外力自由膨脹而引起的振動(dòng)。

（5）及時(shí)清理機(jī)組葉輪和隔板處結(jié)疤。在高速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，離心式壓縮機(jī)很容易在葉輪上和隔板上產(chǎn)生異物，影響到設(shè)備的進(jìn)氣，破壞了轉(zhuǎn)子的平衡，不僅會(huì)對(duì)大量工藝氣物料造成浪費(fèi)，而且也極大降低了壓縮機(jī)設(shè)備的性能和使用壽命。因此，可以考慮通過(guò)在壓縮機(jī)的一段進(jìn)氣設(shè)置旋轉(zhuǎn)分離器，利用裝置本身的離心力來(lái)去除工藝氣的雜質(zhì)。由于葉輪高速運(yùn)動(dòng)，葉輪很容易被雜質(zhì)損壞，因此有必要將提前置于分離器，以確保工藝氣無(wú)雜質(zhì)并均勻地進(jìn)入。

（6）提升機(jī)組檢修質(zhì)量。此項(xiàng)維護(hù)工作不但工作任務(wù)重，而且維護(hù)時(shí)間有限，維護(hù)的精度也要求很高，因此需要成立一個(gè)專門負(fù)責(zé)維護(hù)的人員和管理團(tuán)隊(duì)。

為了改善和提高設(shè)備維護(hù)的質(zhì)量，在設(shè)備中安裝了實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)的檢查系統(tǒng)。在進(jìn)行工廠振動(dòng)故障診斷和處理過(guò)程中，確認(rèn)了零部件裝配的準(zhǔn)確性和精密度，并保留了所有數(shù)據(jù)以滿足制造商的各種技術(shù)需要和規(guī)則，消除了一些非標(biāo)準(zhǔn)的人為因素。

許多設(shè)備的故障和癥狀并不是完全相應(yīng)，同時(shí)也存在許多設(shè)備的故障。為了有效地解決問(wèn)題，機(jī)組工程師們必須有詳細(xì)而全面地了解，必須準(zhǔn)確地掌握振動(dòng)的知識(shí)和原理。

4 結(jié)束語(yǔ)

有必要預(yù)防離心壓縮機(jī)的振動(dòng)，充分重視預(yù)防，維護(hù)好離心壓縮機(jī)，并有效提高離心式壓縮機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量周期。