空分三大機組軸承支座振動高故障分析及處理

王磊

（國能新疆化工有限公司，新疆烏魯木齊 831404）

1 機組概述

三大機組是某公司空分裝置的關鍵設備，包括空氣壓縮機、增壓機和汽輪機，機組采用“一拖二方式”，即一臺高壓蒸汽透平汽輪機組為主要驅動裝置，分別帶動空壓機和增壓機組，中間分別設有軸承支座和齒輪箱（圖1）。其中汽輪機型號SST600，額定功率61 938 kW，額定轉速4504 r/min；空壓機型號STC-GV（200-3），額定功率32 192 kW，額定流量515 880 m3/h；增壓機型號STC-GV（20-4-H），額定功率19 909 kW，額定流量47 706 m3/h。三大機組主機均引進國外公司生產的設備，具有效率高、可靠性強等優點。

圖1 三大機組結構布置

由于汽輪機與空壓機安裝跨距比較大，相應轉子連接撓度大等問題，采用了軸承支座分別將汽輪機轉子與空壓機轉子連接在一起的方式，從而避免了上述問題，保證了機組的穩定運行（圖2）。

圖2 軸承支座結構

2 故障現象

2015 年12 月14 日13:20，機組由于鍋爐連鎖跳車，20：25重新啟動了汽輪機一直運行至26 日13:30，空壓機軸承支座振動（VXI7007）一直維持在37～38 μm。13:30 后，VXI7007、VYI7007、VXI7006 振動值上升明顯，于27 日11 時左右VXI7007 振動值接近60 μm（圖3、圖4）。

圖3 軸承支座各振動值趨勢

圖4 軸承支座測點布置

根據在線監測系統S8000 采集的實時振動數據分析發現：2015 年12 月29 日14：03：45 軸承箱振動最大時波形頻譜圖，工頻（75.03 Hz）接近60 μm，在其附近存在幅值略低的0.91 倍頻（68 Hz），二者耦合形成“拍振”效應（圖5）。值得注意的是，除了以上2 個能量較高的頻率外還存在0.09倍頻（7.03 Hz），兩低頻成分之和剛好等于工頻，即7.03+68=75.03 Hz，此規律在其他0.91 倍頻存在時刻也成立，重復性非常好。

2015 年12 月29 日14:33 機組因VXI7007 振動高跳車（連鎖跳車值：124 μm）。跳車后儀表專業針對振動值的測量系統進行了相應的檢查：探頭及間隙電壓、延長線、前置放大器、檢查回路接線并進行緊固，以上檢查儀表專業未發現異常。隨后設備專業針對軸承箱的固定件進行檢查，檢查臺板及軸承箱固定螺栓，用敲擊扳手及小錘對其進行了緊固，發現相應螺栓可以緊動，考慮到未使用扭矩扳手，隨后未再繼續緊固，另外又對軸承壓蓋螺栓進行緊固，未發現相應螺栓松動。

由于通過上述檢查未發現明顯的問題，2015 年12 月29 日19:38 對2111 機組進行了重新啟動，待機組加載正常后發現VXI7007 的振值基本維持在38 μm 左右波動，并且相對平穩運行正常，而且從頻譜圖上觀察并未發現0.91 倍頻的出現。直至2016 年1 月9 日04:22 機組軸承支座VXI7007 出現了波動上漲的現象，通過在線S8000 系統進行頻譜分析發現：VXI7007 再次出現了0.91 倍頻，隨后振值不斷攀升。

綜合在線監測系統S8000 采集的實時振動數據分析和通過幾次連續開停車發現的現象分析：①只要機組重新起機加載正常后，VXI7007 的振值基本上都會維持在38 μm 左右波動，并且運行相對平穩，即便上次機組因VXI7007 的振值高跳車后，重新起機加載正常后，VXI7007 的振值都會恢復至38 μm 左右，并且可以穩定運行一段時間；②一旦機組連續運行時間達到10 d以上，VXI7007 的振動值就會出現不斷上升的故障，而且同時在線監測系統S8000 采集的實時振動數據分析發現都會出現0.91倍頻。

3 故障初步分析及處理

造成軸承支座振動大的原因很多，軸承支座設計、制造、安裝、運行和維護等各個環節失誤都可能引起振動。在進行故障原因分析時，必須立足于故障特征展開分析，因此針對此次故障進行了多方面認真分析、研究，并結合造成軸承支座振動的可能原因逐一進行探析，逐步排查出故障的根本原因。

3.1 基礎松動

對軸承支座基礎進行了外觀檢查，發現表面有多處淺表裂紋，隨后對裂紋處進行了深鑿判斷，判定并不是貫穿性裂紋，并邀請土建專業再次進行了確認，基本一致認為軸承支座基礎無明顯問題。

3.2 地腳松動

用扭矩扳手對安裝臺板地腳螺栓進行扭矩檢查（西門子要求：240 N·m），發現1 點位置地腳螺栓有些松動，但是檢查使用的扭矩已經超過了廠家的要求（圖6）。然后又用扭矩扳手對軸承支座地腳螺栓進行緊固扭矩檢查（西門子要求：735 N·m），未發現松動的螺栓。全部緊固后發現VXI7007 振動值并沒有減小趨勢。

圖6 安裝臺板地腳螺栓緊固情況

3.3 軸承磨損

對軸瓦間隙及上、下瓦面的磨損情況進行檢查，其中瓦間隙為0.25 mm，并且上、下瓦面接觸情況良好，無磨損情況。另外對瓦背預緊力進行了復核，緊力值0.05 mm，均在廠家要求范圍內。

3.4 油封碰磨

對油封進行拆解檢查發現下油封間隙有些小，并且下部稍微有些碰磨（圖7）。因此對下油封進行了打磨，增大油封間隙，并符合廠家要求（圖8）。

圖7 油封間隙測量值

圖8 修復后油封間隙

通過上述檢查及問題處理后，該機組于2016 年1 月16 日21:09 啟動，VXI7007 振動值在27～28 μm 波動，比前期振動值下降了10 μm，頻譜圖并無0.91 倍頻分量。一直運行至2016 年1 月30 日09:24，機組VXI7007 振動值開始上升，并且伴有0.91 倍頻分量。2016 年2 月5 日18:01，機組因VXI7007 振動值高連鎖跳車。

結合初步原因分析及處理可以發現：①軸承支座本體部件，無明顯的問題，不是導致故障的原因；②再一次驗證了一旦機組連續運行時間達到10 d 以上，VXI7007 的振動值就會出現不斷上升，而且頻譜又會出現0.91 倍頻的情況。

4 原因進一步分析及處理

4.1 熱膨脹導致聯軸器護罩受力

聯軸器護罩的設計是允許其自由滑動的，聯軸器罩法蘭直接與軸承座外殼相連，另一端與汽輪機軸承箱的法蘭相連，內部導向板安裝在聯軸器護罩的底部用來收集油霧（圖9）。由于聯軸器護罩受到內部溫度的影響，使聯軸器護罩產生軸向的伸長，有可能造成聯軸器殼與聯軸器法蘭擠死的現象，內部導流板將會影響到聯軸器法蘭造成軸承支座的振動（圖10）。

圖9 聯軸器護罩熱膨脹示意

圖10 聯軸器護罩各測點溫度

據溫度計算，聯軸器護罩最大伸長量為2.1 mm（聯軸器罩溫度為113 ℃時）。打開聯軸器護罩進一步調查發現，內部導流板與聯軸器護罩法蘭未接觸。因此，該故障并不是由于熱膨脹導致聯軸器護罩受力造成的。

4.2 軸承的位移可能導致潤滑油供應不足

軸承應以正確的方式進行安裝，軸承箱內油管路的安裝集中在節流裝置的正確安裝上，錯誤安裝可能導致額外的壓力損失和額外的熱量轉移到軸承座上，導致潤滑油的供應不足（圖11）。按照西門子廠家提供的安裝圖紙，針對軸承及軸承座的安裝位置進行了相應的檢查，油環通道安裝在正確的位置上，軸承溫度在正常范圍（75～80 ℃）。因此該故障并不是軸承的位移可能導致潤滑油供應不足造成的。

圖11 軸承位移

4.3 熱量傳導至軸承座后，導致軸承座不同程度的膨脹

使用濕毛巾對聯軸器護罩及聯軸器法蘭處降溫，振動值有所下降；后期采用冰塊和多孔軟管連續供應冷卻水后，振動值下降明顯，并且可以維持穩定（圖12）。

圖12 振動值因降溫下降趨勢

持續的熱量不斷地加熱聯軸器護罩，熱量又通過聯軸器護罩傳遞給軸承座，軸承座的上半區域將被潤滑油冷卻（油溫接近43 ℃），軸承座的下半部分將與潤滑油的回油管線相連（圖13中a 和b 的區域），上軸承座的結構比下軸承座復雜，上軸承座更容易受到熱量的影響和將影響軸承的安裝位置。另外在回油管線的窺鏡里發現了水珠，由于通過用水在這個部位冷卻的結果，在回油管線負壓的作用，透過聯軸器密封處的水分被吸入到了潤滑油的回油管線內。因此采用冷卻水冷卻聯軸器護罩的措施應當停止，因為在回油管線內發現了水珠。

圖13 a 與b 區域劃分示意

軸承座與聯軸器護罩的熱絕緣，將有效阻止熱量傳遞給軸承座，阻止軸承安裝位置的改變。因此，需要在聯軸器護罩與軸承座之間安裝聚四氟乙烯板來防止熱傳遞，這種措施被積極采用，并在后續的機組運行中得以驗證（圖14）。

圖14 聚四氟乙烯板安裝

4.4 油通過聯軸器疊片與聯軸器法蘭進入聯軸器中空軸內，形成不平衡量

潤滑油被封閉在聯軸器護罩內，防止油的泄漏。聯軸器護罩內的轉軸與護罩空間，產生的氣流擾動使油霧分布在整個聯軸器護罩內。聯軸器護罩內分布的油霧，可以通過聯軸器調整片及膜片的最小徑向間隙進入聯軸器內部（圖15）。

圖15 油霧進入聯軸器中空軸內分布區域

根據西門子廠家的重新核算，油可能進入了聯軸器的內部，導致聯軸器側有油滴懸掛，在目前的機組會發生類似的情況。此外，油霧通過在聯軸器內部約8 d的累積，可能形成不平衡量，這樣也許可以解釋為什么穩定運行10 d 左右后，VXI7007 的振動值就會出現不斷上升，而且頻譜會出現0.91 倍頻的原因。而一旦機組停機后，聚集在聯軸器內部的油，在重力的作用下會從聯軸器膜片和墊片處流出，這樣每次重新起機后，VXI7007 的振動值都在正常范圍內。

針對上述分析的可能性采取以下措施：①在聯軸器墊片處鉆2 個Φ4 mm 通孔（圖16、圖17）；②在聯軸器法蘭處鉆1 個Φ4 mm 通孔（圖16、圖18）。機組在運行過程中，通過聯軸器調整片及膜片進入到聯軸器中空軸內的油霧，在聯軸器旋轉離心力的作用下，第一時間通過新增的通孔被甩出，進入到封閉的聯軸器護罩內，然后導流至下部收集管中。此收集管與機組回油總管相連，靠油箱負壓最終殘油被排入機組油箱，從而避免了油霧在聯軸器內部積存形成不平衡量。

圖16 聯軸器鉆孔的位置

圖17 墊片鉆孔

圖18 法蘭鉆孔

5 校正措施

安裝絕熱板與聯軸器上鉆孔這兩個措施，同時被應用在機組上，為了驗證每一個措施都是否有效，決定在一套機組上同時安裝隔熱板和聯軸器上鉆孔，在另一套機組上只采用聯軸器上鉆孔的措施，通過這樣的比對驗證，才能最終找到故障的根源。

6 驗證結果

對處理后的2 套機組進行測試運行（2016 年4 月23 日—6 月12 日），測試期間兩套機組都運行正常，軸承支座的振動值沒有任何上升趨勢，因此只有在聯軸器上鉆孔的措施才是解決軸承支座振動的根本措施。

7 結束語

引起機組振動故障的原因有很多種，只要認真觀察機組運行中的振動特點和規律，抓住振動成因的相關性，以此來進一步開展分析工作，就能找到引起振動的根源。