離心壓縮機振動故障分析與診斷案例

文定良WEN Ding-liang（神華包頭煤化工有限責任公司，包頭 014010）

離心壓縮機振動故障分析與診斷案例

文定良
WEN Ding-liang
（神華包頭煤化工有限責任公司，包頭 014010）

針對某煤化工廠甲醇裝置合成氣壓縮機運行中存在振動異常的實際情況，利用大機組在線監測系統，從產生異常的機理分析入手，對合成氣壓縮機組振動異常波動故障進行了分析，提出了在機組不停機檢修情況下排除故障的有效措施。生產實踐表明該項措施對降低振動幅值、減少振值波動、保證機組的穩定運行具有指導意義。

合成氣壓縮機；結蠟；振動；故障診斷；氣流擾動；摩擦

0　引言

離心式壓縮機在國民經濟和工業生產中的許多領域占據著非常重要的地位［1］，特別是在石油、化工、冶金等行業，保證離心式壓縮機的安、穩、長、滿、優的運行意義重大。從離心式壓縮機的運行及發展史來看，由于其產生故障導致機組停車影響生產、甚至機毀人亡的案例頻頻發生［2～3］。在離心式壓縮機的各種故障異常中，最常見的故障是振動異常，引起振動異常的原因又是多樣性的，甚至很多時候是需要停機查找故障原因，而停車造成的損失往往難以估計。因此在保證機組正常運行的情況下，準確分析出引起故障的原因并給出可行的解決方案需求迫切。本文嘗試在現場復雜環境且保證機組不停機的狀態下，利用大機組在線監測系統，對其振動異常進行分析與診斷，確定引起機組故障的原因，提出機組在不停機狀態下的處理方法，以保障離心式壓縮機的穩定運行。

1　甲醇合成裝置及機組概況

甲醇裝置是煤化工生產裝置之一，一般由國外某公司提供工藝包設計。甲醇裝置利用上游凈化裝置提供的合格合成氣為下游MTO裝置生產出合格的生產原料MTO級甲醇，同時也可根據實際生產需要抽出部分粗甲醇生產精甲醇。合成氣及循環氣壓縮機是裝置的關鍵設備，因此對設備的穩定運行有著較高的要求。該機組的工藝流程簡圖如圖1所示。

甲醇合成氣壓縮機組屬于離心機，采用垂直剖分結構，葉輪級5+2。驅動機為四沖動四反動凝汽式汽輪機。甲醇合成氣壓縮機軸承振動測點布置如圖2所示。壓縮機主要運行參數如表1所示。

圖1　甲醇工藝流程圖

圖2　甲醇合成氣壓縮機軸承振動測點布置圖

表1　壓縮機主要運行參數

合成氣壓縮機組采用的平衡盤為國外某公司設計生產，在平衡盤的外緣安裝防旋繞的氣封，可以消除不穩定的振動因素，同時減少氣體的泄漏量。該機組增加防止擾動設計，目的是隨著壓縮機轉速的增加，氣體出口壓力的提高，逆轉向切向力不斷增強，逐步抑制由于渦流帶來的激振力，使振動不斷遞減，能夠有效的抑制壓縮機的振動。防旋擾式平衡盤設計如圖3所示。

2　故障及原因分析

圖3　防旋擾式平衡盤設計圖

2.1故障描述

甲醇合成氣壓縮機組在大修停機前壓縮機振動多次出現波動，隨后恢復正常，但壓縮機泄漏量增大，機組的效率和流量都沒有達到設計要求。開蓋發現平衡盤密封全部磨損，內部出現結蠟現象，檢修圖片如圖4所示。完成檢修后按照正常程序啟動機組。啟機后發現壓縮機非聯端振動出現小幅度波動，持續一段時間后振值趨于平穩，機組保持穩定運行。但在一次提負荷操作后，壓縮機非驅動端振動監測點152VI2304B出現波動，正常運行時，該通道振值為17um左右，此時到達84.76um，波動結束，該通道振值瞬間恢復到16.5um左右，同時壓縮機驅動端振動值也出現波動現象，但振幅與152VI2304相比較小。距離壓縮機振值首次波動71分鐘后，其振動值再次出現瞬間波動，振值波動至89um左右，達到聯鎖值，壓縮機聯鎖跳車，合成系統切氣停車。重新啟機后，壓縮機振動隨負荷增加而上升，由于振值升高，現場機組不能加載到滿負荷運行，機組轉速一直維持在4900rpm左右運行，并且在工藝參數穩定的情況下，壓縮機經常出現振動向上波動的情況，如圖5所示。

圖4　檢修圖片

圖5　設備運行參數

2.2原因分析

在機組振動異常期間，工廠設備管理人員利用現有的振動數據進行分析、排查，但一直無法有效解決問題。為了找到改機組振動故障的原因，工廠決定在不停機的情況下在線安裝狀態監測系統，對機組進行實時監測，采集機組的原始振動數據，利用專業圖譜進行分析、診斷。

2.2.1振動特征

監測得到的振動趨勢數據如圖6所示，壓縮機四個通道振值均出現不同程度波動。振值出現異常波動時刻的時域和頻域圖譜如圖7和圖8所示，振動成分主要為0.47～0.56倍頻。以上振值波動、上升都是由低頻成分引起，在壓縮機振動異常時，其前后軸承的軸心軌跡也非常雜亂，不規則，如圖9所示。同時壓縮機振動幅值隨負荷的增加而升高，如表2所示。參考各年大修記錄，密封磨損，間隙增大，波動消失。壓縮機檢修前后振動數據如表3所示。

圖6　壓縮機振動趨勢圖-通頻值

圖7　壓縮機波形頻譜圖-聯端

圖8　壓縮機波形頻譜圖-非聯端圖

圖9　壓縮機軸心軌跡圖

2.2.2故障原因初步分析

工作轉速下壓縮機軸振0.47～0.56倍頻占主導，引起此頻段異常波動的因素主要有：壓縮機喘振、油膜、氣流。機組在高負荷運行時，壓縮機喘振曲線可能發生改變，高負荷運行時的調整裕量小，在負荷調整過程中操作沒有跟上，出現轉速上升，循環量下降的工況，導致壓縮機進入旋轉分離狀態運行，可能短時產生了喘振。檢查壓縮機振值異常波動時間段控制系統防喘振閥動作，發現防喘振閥無動作。同時將壓縮機振值異常波動時刻性能曲線及喘振曲線進行對比，發現二者相離很遠，如圖10所示。說明防喘振閥未出現故障、喘振曲線未發生改變，壓縮機未進入喘振區。從頻譜圖可知，低頻成分雖占主導，但遠超過油膜振蕩的特征頻率，且現場改變潤滑油油壓及粘度，壓縮機振值依舊出現波動情況。由此，更傾向于認為壓縮機振值異常波動是和氣流有關。

表2　壓縮機振動-負荷表

表3　壓縮機振動數據表

圖10　壓縮機運行期間放喘振曲線圖

2.2.3故障原因的認定

結合合成氣壓縮機停機大修情況及實際運行狀態，壓縮機一段入口處結蠟頻繁，并伴隨著介質一同進入密封，會使防旋擾式平衡盤外緣的氣封通孔堵塞，當氣體以一定的速度進入密封時會隨著轉子的旋轉產生一定的周向速度，導致氣體在密封腔中形成了不均勻的壓力分布，分布壓力的合力形成了一個與位移相垂直的切向合力，引起轉子的失穩振動［4］。故判定壓縮機振動幅值不定期且無規則波動是由壓縮機內氣流擾動影響壓縮機轉子狀態造成。這種擾動隨著轉速的增加會被逐級放大，最后導致壓縮機振值聯鎖停車。

經現場檢查，壓縮機出口密封器有液體排出。當壓縮機運行時，干氣密封運轉，靜環和動環之間形成了間隙很小的氣膜，此時如果有液體進入密封面的間隙內，就會改變干氣密封的工作條件，密封面就會發熱，由于密封面的溫度差，導致密封面產生熱變形，就會造成密封的動、靜環端面粘合，從而改變氣膜的剛度。現場對壓縮機入口分離器進行檢查，懷疑其分離效果不佳造成此現象。

對合成氣壓縮機組進行持續監測，監測圖譜如圖11～圖14所示，壓縮機振值再一次出現不定期、無規律輕微波動，1倍頻幅值較平穩，無波動，幅值主要以0.5倍頻占主導，時域波形略帶毛刺尖角，壓縮機兩端的軸心軌跡不規則，發散，但未出現反進動的情況。分析壓縮機出現輕微碰摩情況，機壓縮機發生碰摩現象時的轉速在一階臨界轉速之上，振動點與產生碰摩的不平衡力之間的滯后角小于90°，振動幅值會相對變小，不會出現嚴重碰摩現象。

當動靜部件發生碰摩時，軸表面會受到摩擦力沖擊，此力為非連續、非穩態沖擊力，在此作用下，振動波形將會畸變，軸心軌跡變得紊亂。當發生摩擦的時候，摩擦部位會產生高溫，由于摩擦不均勻，會導致轉子表面溫度分布不均勻，引起熱變形，產生熱沖擊，且危害比沖擊更大。特別是離心壓縮機剛啟動時就會發生碰摩，由于摩擦產生的熱平衡量與轉子殘余不平衡量疊加后大于殘余不平衡量，所以摩擦會進一步加劇，轉子新的不平衡量再增大，當機組繼續運行時，轉子會出現越來越彎曲的情況，導致摩擦更加劇烈，當運行一段時間后，導致摩擦的不平衡量消失，進而動靜部件分離，碰摩現象就會隨之消失。當發生碰摩時，轉子的振動將取決于其熱不平衡量與殘余不平衡量的矢量之和，因轉子高速旋轉，矢量大小和方向會發生不斷的變化，進而導致振動幅值和相位發生不斷的變化，會出現不同的特征［5］。

圖11　壓縮機振動趨勢圖-通頻值

圖12　壓縮機波形頻譜圖-壓縮機聯端

圖13　壓縮機波形頻譜圖-壓縮機非聯端

圖14　壓縮機軸心軌跡圖

3　現場采取措施

綜合分析，為了保證工廠核心設備穩定生產，現場決定加大對甲醇合成水冷卻器在線除蠟密度、加強對合成段密封器系統的排液，確保連續排液并盡量減少排放腔體內的液體，每次需要改變運行狀態時緩慢操作，并在升減負荷的時候緩慢進行。

現場處理反饋：裝置除蠟后，合成氣壓縮機的振動幅值沒有異常的波動，經過2次升降轉速后，壓縮機振動幅值最高不超過35微米，現在壓縮機的振動幅值小于20微米，如圖15所示。再一次除蠟后，壓縮機的振動出現振動緩慢上升的情況，壓縮機振動幅值最高不超過30微米，最低高于15微米，如圖16所示。到目前為止，機組在未停機的狀態通過以上處理，機組已可滿負荷運行，保證生產。

4　結束語

通過監測系統及現場實際情況對合成氣壓縮機組振動異常波動故障進行了分析，通過對轉子振值不同波動程度和機組不同負荷下頻域特征的分析，判明該壓縮機振值異常波動是由于氣流擾動引起壓縮機轉子狀態失穩造成的。在不停機的情況下，通過加大對壓縮機一段入口處除蠟密度，改善了壓縮機組振值異常波動的情況。同時加強對合成段密封器系統的排液，確保連續排液并盡量減少排放腔體內的液體。通過長期監測該機組的振值情況，驗證表明壓縮機振動異常波動故障原因正確。在保證了機組不停機的前提下，找到了故障的原因是平衡盤氣流擾動所致，并提出了現場切實可行的解決方案，保證了工廠的穩定生產、使企業的積極效益達到了最大化。

大機組在線監測系統已在石油、化工、電力、冶金等行業得到應用，為企業實現“安、穩、長、滿、優”的可靠運行提供保障和技術手段。實施應用大機組在線監測系統，可有效幫助企業提升設備管理水平，提高經濟效益。

圖15　壓縮機振動趨勢圖

圖16　壓縮機振動趨勢圖

［1］ 徐朝蓉，徐自力，邱恒斌，趙宇.離心壓縮機轉子密封碰摩故障的振動特征及診斷［J］.噪聲與振動控制，2015，6.

［2］ 陳總華，秦云龍，梁曉剛，等.石化行業大型離心式壓縮機組安全運行研究［J］.化工裝備技術，2005，26（2）:57-70.

［3］ 候海云.大型回轉機械故障診斷的現狀和發展趨勢［J］.建設機械技術與管理，2006，4:98-101.

［4］ Pinsley.Active Stabilization of Centrifugal Cpmpressor surge［J］. Journal of Turbo Maehinery，1990，1（113）:723-732.

［5］ 沈心敏.摩擦學基礎［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1991.

Centrifugal compressor vibration fault analysis and diagnosis example

TP277

A

1009-0134（2016）06-0137-06

2016-04-28

文定良（1964 -），男，湖南人，高級工程師，工程碩士，主要從事石油化工及煤化工的設備管理和工程管理工作。