閃蒸汽壓縮機(jī)異常振動(dòng)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(jī)(K15202)是將C15202/C15206中解吸出的閃蒸氣經(jīng)兩級(jí)壓縮后送入后系統(tǒng)。該壓縮機(jī)由西安交大賽爾機(jī)泵成套設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)、制造，由壓縮機(jī)、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、油潤(rùn)滑系統(tǒng)及其它輔助設(shè)備組成，如圖1。該壓縮機(jī)為多軸離心式壓縮機(jī)，由一個(gè)大齒輪驅(qū)動(dòng)一個(gè)兩端各安裝一個(gè)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(jī)的2個(gè)壓縮級(jí)。 1、2級(jí)葉輪均為閉式結(jié)構(gòu)，是西安交大賽爾研發(fā)的“全可控渦” 三元流葉輪。1、2級(jí)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(yùn)行時(shí)，主電機(jī)轉(zhuǎn)速為 2985 r/min，小齒輪軸轉(zhuǎn)速為 10600 r/min。

圖1 機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1 故障簡(jiǎn)述

2021年4月1日11時(shí)，閃蒸汽壓縮機(jī)第一次開(kāi)車(chē)試運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行 30 min 左右，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常，高速軸振動(dòng)平穩(wěn)；第二次4月2日08時(shí)39分開(kāi)車(chē)，運(yùn)行參數(shù)正常，運(yùn)行至4月4日20時(shí)10分停車(chē)，停車(chē)前 2 h 一級(jí)葉輪端軸承振動(dòng)緩慢增長(zhǎng) 3 μm 左右。第三次4月5日18時(shí)55分開(kāi)車(chē)，一級(jí)葉輪端軸承振動(dòng)緩慢增加，4月6日01時(shí)一級(jí)葉輪端軸承振動(dòng)增大至 52 μm，工藝停車(chē)(見(jiàn)圖2)。

圖2 機(jī)組開(kāi)車(chē)振動(dòng)變化趨勢(shì)

2 原因分析

該機(jī)組最近一次檢修是2018年4月，之后經(jīng)過(guò)多次開(kāi)停車(chē)，運(yùn)行中各測(cè)點(diǎn)軸振動(dòng)、溫度、軸位移等參數(shù)均在報(bào)警值內(nèi)，本次開(kāi)車(chē)過(guò)程中振動(dòng)幅值達(dá)到 52 μm，屬于振動(dòng)異常狀態(tài)。

2.1 徑向軸承間隙變化引起振動(dòng)異常

高速軸支撐軸承為剖分式五油楔可傾瓦軸承，屬動(dòng)壓滑動(dòng)軸承[1]。該高速軸支撐軸承直徑間隙設(shè)計(jì)要求與實(shí)際檢修裝配數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

若徑向軸承間隙變大超標(biāo)或軸承瓦背預(yù)緊力不夠，會(huì)造成軸承系統(tǒng)油膜形成不良，油膜對(duì)轉(zhuǎn)子抑制力減弱，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性變差，最終引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)異常增大。由表1看出，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，高速軸兩端徑向軸承直徑間隙并未發(fā)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(biāo)。因此，此次高速軸振動(dòng)幅值異常升高與軸承間隙無(wú)直接關(guān)系。

2.2 機(jī)組發(fā)生喘振引起高速軸振動(dòng)異常

在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)離心式壓縮機(jī)的流量小到一定程度的時(shí)候，會(huì)在整個(gè)擴(kuò)壓器流道中產(chǎn)生嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)失速，造成出口壓力突然下降，使管網(wǎng)的壓力比壓縮機(jī)的出口壓力高，迫使氣流倒回壓縮機(jī)；當(dāng)管網(wǎng)壓力降到低于壓縮機(jī)出口壓力時(shí)，壓縮機(jī)又向管網(wǎng)供氣，壓縮機(jī)又恢復(fù)正常工作。如此周而復(fù)始，使壓縮機(jī)的流量和出口壓力周期性的大幅波動(dòng)，引起壓縮機(jī)強(qiáng)烈氣流波動(dòng)，機(jī)組明顯振動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為壓縮機(jī)的喘振。喘振工況會(huì)造成葉輪及軸承振動(dòng)異常增大，損壞軸承[2]。

機(jī)組多次開(kāi)車(chē)運(yùn)行參數(shù)如表2。

表1 高速軸檢修裝配數(shù)據(jù)表

表2 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

對(duì)比壓縮機(jī)特性曲線(圖3)，開(kāi)車(chē)低負(fù)荷期間壓縮機(jī)并未進(jìn)入喘振區(qū)域運(yùn)行，可排除機(jī)組喘振原因造成機(jī)組異常振動(dòng)增大。

2.3 轉(zhuǎn)子頻譜分析

查看機(jī)組振動(dòng)增加時(shí)System 1狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)高速軸一級(jí)葉輪端軸承振動(dòng)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(zhuǎn)子不平衡特征頻率(見(jiàn)圖4)。

針對(duì)轉(zhuǎn)子存在的不平衡情況，從三個(gè)方面進(jìn)行了檢查：

①拆卸一級(jí)葉輪端入口接管及蝸殼，測(cè)量葉輪裝配數(shù)據(jù)。確認(rèn)葉輪已安裝到位，用百分表復(fù)查葉輪口環(huán)端面跳動(dòng) 0.03 mm，徑向跳動(dòng) 0.02 mm，葉輪安裝情況良好。

②對(duì)葉輪鎖緊背帽和中心拉桿螺栓進(jìn)行檢查(葉輪本次大修進(jìn)行著色探傷未發(fā)現(xiàn)任何缺陷)，未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)或斷裂的現(xiàn)象，葉輪定位良好。

③檢查葉輪，發(fā)現(xiàn)葉輪所有流道內(nèi)均附著有黑色粉末(圖5)，且每個(gè)流道內(nèi)部堆積厚度不均勻。經(jīng)檢查確認(rèn)，本次大修工藝更換前系統(tǒng)催化劑。該黑色粉末即為催化劑粉末。在氮?dú)庋h(huán)升溫過(guò)程中催化劑粉末進(jìn)入機(jī)組流道，葉輪在運(yùn)行中緩慢積灰結(jié)垢，動(dòng)平衡逐漸被破壞，振動(dòng)幅值緩慢增加，最終造成機(jī)組報(bào)警停車(chē)。由此可確認(rèn)，催化劑粉末在葉輪流道內(nèi)結(jié)垢是造成轉(zhuǎn)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(jī)K15202流量—壓力曲線

圖4 轉(zhuǎn)子頻率(2021年4月6日)

圖5 葉輪流道積灰結(jié)垢

綜合以上分析，造成閃蒸汽壓縮機(jī)運(yùn)行中振動(dòng)幅值異常增大的主要原因是催化劑粉末進(jìn)入壓縮機(jī)流道系統(tǒng)，運(yùn)行過(guò)程中在葉輪流道內(nèi)部緩慢積累結(jié)垢，造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)平衡被破壞，轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值逐漸增加，最終引起機(jī)組停車(chē)[3]。

3 處理措施

根據(jù)上述分析，為了解決開(kāi)車(chē)過(guò)程壓縮機(jī)出現(xiàn)的振動(dòng)異常情況，提高壓縮機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，提出以下對(duì)策：

1) 工藝更換新的催化劑后，需用氮?dú)膺M(jìn)行多次吹掃，將催化劑粉末清除干凈，工藝確認(rèn)排出氮?dú)庵袩o(wú)催化劑粉末。2) 機(jī)組開(kāi)車(chē)前，對(duì)整個(gè)變換系統(tǒng)進(jìn)行氮?dú)鉀_壓吹掃置換，清除管道系統(tǒng)內(nèi)部鐵屑、粉塵等雜質(zhì)。3) 在壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)過(guò)程中，工藝、設(shè)備密切關(guān)注機(jī)組開(kāi)車(chē)振動(dòng)、溫度、流量等運(yùn)行參數(shù)，對(duì)異常工況及早分析判斷[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

壓縮機(jī)的開(kāi)停車(chē)是一個(gè)很關(guān)鍵的過(guò)程，我們需要通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)密切關(guān)注機(jī)組開(kāi)停車(chē)的運(yùn)行狀況，了解機(jī)組參數(shù)變化，對(duì)早期故障及早診斷分析，避免故障進(jìn)一步惡化，造成嚴(yán)重后果，同時(shí)嚴(yán)格按照檢修規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行機(jī)組的檢修，嚴(yán)格控制檢修質(zhì)量。