閃蒸汽壓縮機異常振動分析

曾立林

(云南大為制氨有限公司，云南 曲靖 655338)

甲醇裝置閃蒸汽壓縮機(K15202)是將C15202/C15206中解吸出的閃蒸氣經兩級壓縮后送入后系統。該壓縮機由西安交大賽爾機泵成套設備有限公司設計、制造，由壓縮機、主驅動電機、油潤滑系統及其它輔助設備組成，如圖1。該壓縮機為多軸離心式壓縮機，由一個大齒輪驅動一個兩端各安裝一個葉輪的小齒輪，小齒輪軸兩端的葉輪，連同蝸殼、隔板組成壓縮機的2個壓縮級。 1、2級葉輪均為閉式結構，是西安交大賽爾研發的“全可控渦” 三元流葉輪。1、2級葉輪軸封均為迷宮密封，軸上套裝的梳齒與裝在蝸殼上的密封體表面(表面為巴氏合金)配合。運行時，主電機轉速為 2985 r/min，小齒輪軸轉速為 10600 r/min。

圖1 機組結構簡圖

1 故障簡述

2021年4月1日11時，閃蒸汽壓縮機第一次開車試運行，累計運行 30 min 左右，各項運行參數正常，高速軸振動平穩；第二次4月2日08時39分開車，運行參數正常，運行至4月4日20時10分停車，停車前 2 h 一級葉輪端軸承振動緩慢增長 3 μm 左右。第三次4月5日18時55分開車，一級葉輪端軸承振動緩慢增加，4月6日01時一級葉輪端軸承振動增大至 52 μm，工藝停車(見圖2)。

圖2 機組開車振動變化趨勢

2 原因分析

該機組最近一次檢修是2018年4月，之后經過多次開停車，運行中各測點軸振動、溫度、軸位移等參數均在報警值內，本次開車過程中振動幅值達到 52 μm，屬于振動異常狀態。

2.1 徑向軸承間隙變化引起振動異常

高速軸支撐軸承為剖分式五油楔可傾瓦軸承，屬動壓滑動軸承[1]。該高速軸支撐軸承直徑間隙設計要求與實際檢修裝配數據見表1。

若徑向軸承間隙變大超標或軸承瓦背預緊力不夠，會造成軸承系統油膜形成不良，油膜對轉子抑制力減弱，轉子穩定性變差，最終引起轉子系統振動異常增大。由表1看出，隨著機組運行時間的增加，高速軸兩端徑向軸承直徑間隙并未發生明顯磨損增大，徑向軸承瓦塊巴氏合金表面完好，軸承瓦背緊力未超標。因此，此次高速軸振動幅值異常升高與軸承間隙無直接關系。

2.2 機組發生喘振引起高速軸振動異常

在運行過程中，當離心式壓縮機的流量小到一定程度的時候，會在整個擴壓器流道中產生嚴重的旋轉失速，造成出口壓力突然下降，使管網的壓力比壓縮機的出口壓力高，迫使氣流倒回壓縮機；當管網壓力降到低于壓縮機出口壓力時，壓縮機又向管網供氣，壓縮機又恢復正常工作。如此周而復始，使壓縮機的流量和出口壓力周期性的大幅波動，引起壓縮機強烈氣流波動，機組明顯振動，這種現象稱為壓縮機的喘振。喘振工況會造成葉輪及軸承振動異常增大，損壞軸承[2]。

機組多次開車運行參數如表2。

表1 高速軸檢修裝配數據表

表2 機組運行參數

對比壓縮機特性曲線(圖3)，開車低負荷期間壓縮機并未進入喘振區域運行，可排除機組喘振原因造成機組異常振動增大。

2.3 轉子頻譜分析

查看機組振動增加時System 1狀態監測系統，發現高速軸一級葉輪端軸承振動IX頻(177.5 Hz)振幅分量明顯偏大，其余頻率分量幅值很小，符合轉子不平衡特征頻率(見圖4)。

針對轉子存在的不平衡情況，從三個方面進行了檢查：

①拆卸一級葉輪端入口接管及蝸殼，測量葉輪裝配數據。確認葉輪已安裝到位，用百分表復查葉輪口環端面跳動 0.03 mm，徑向跳動 0.02 mm，葉輪安裝情況良好。

②對葉輪鎖緊背帽和中心拉桿螺栓進行檢查(葉輪本次大修進行著色探傷未發現任何缺陷)，未發現松動或斷裂的現象，葉輪定位良好。

③檢查葉輪，發現葉輪所有流道內均附著有黑色粉末(圖5)，且每個流道內部堆積厚度不均勻。經檢查確認，本次大修工藝更換前系統催化劑。該黑色粉末即為催化劑粉末。在氮氣循環升溫過程中催化劑粉末進入機組流道，葉輪在運行中緩慢積灰結垢，動平衡逐漸被破壞，振動幅值緩慢增加，最終造成機組報警停車。由此可確認，催化劑粉末在葉輪流道內結垢是造成轉子不平衡、IX頻幅值增大的直接主要原因。

圖3 閃蒸氣壓縮機K15202流量—壓力曲線

圖4 轉子頻率(2021年4月6日)

圖5 葉輪流道積灰結垢

綜合以上分析，造成閃蒸汽壓縮機運行中振動幅值異常增大的主要原因是催化劑粉末進入壓縮機流道系統，運行過程中在葉輪流道內部緩慢積累結垢，造成轉子系統動平衡被破壞，轉子振動幅值逐漸增加，最終引起機組停車[3]。

3 處理措施

根據上述分析，為了解決開車過程壓縮機出現的振動異常情況，提高壓縮機組運行穩定性，提出以下對策：

1) 工藝更換新的催化劑后，需用氮氣進行多次吹掃，將催化劑粉末清除干凈，工藝確認排出氮氣中無催化劑粉末。2) 機組開車前，對整個變換系統進行氮氣沖壓吹掃置換，清除管道系統內部鐵屑、粉塵等雜質。3) 在壓縮機開機過程中，工藝、設備密切關注機組開車振動、溫度、流量等運行參數，對異常工況及早分析判斷[4]。

4 結語

壓縮機的開停車是一個很關鍵的過程，我們需要通過狀態監測系統密切關注機組開停車的運行狀況，了解機組參數變化，對早期故障及早診斷分析，避免故障進一步惡化，造成嚴重后果，同時嚴格按照檢修規程及標準化作業指導書進行機組的檢修，嚴格控制檢修質量。