循環氫壓縮機轉子不平衡故障處理

喻迪垚，張 征

（中國石油遼陽石化分公司油化廠，遼寧遼陽 111003）

循環氫壓縮機轉子不平衡故障處理

喻迪垚，張 征

（中國石油遼陽石化分公司油化廠，遼寧遼陽 111003）

對某裝置的循環氫壓縮機停機原因進行頻譜分析，認為該壓縮機轉子存在嚴重的不平衡，通過運行工況判斷附著于轉子上的積垢是造成不平衡的主要原因。采取解體檢修、高速動平衡的修復方案，使該壓縮機恢復了使用要求。

循環氫壓縮機；轉子不平衡；頻譜分析

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.28

0 引言

隨著石油化工領域的快速發展，離心式壓縮機作為一種重要的氣體輸送設備，由于其具有氣量大、結構簡單緊湊、運轉平穩可靠、維修量較少等特點，越來越得到廣泛的應用。離心式壓縮機在長周期運行中，由于各種因素的影響，會使效率降低、能耗增大，嚴重時會影響到壓縮機的正常工作。其中，轉子不平衡是一種典型壓縮機故障，輸送非清潔介質的壓縮機長期運行轉子會存在一定程度的積垢現象，局部積垢的脫落會破壞壓縮機的轉子平衡狀態，主要反應在運行失穩和啟動時無法沖擊臨界轉速兩個方面。

1 問題的提出

某裝置反應工段設一臺關鍵設備循環氫壓縮機，用于反應產氫的循環。該機組由Elliott公司生產，形式為凝氣式透平離心壓縮機。該機組自裝置投產至今經歷兩個檢修周期，本次停產檢修對壓縮機端更換干氣密封，并對其軸竄量、軸承間隙、對中等數值進行校正，將各項配合參數調整至正常指標。機組啟動時，非驅動端測點（1H）軸振動振值較大，為17 μm。經1500 r/min暖機20 min后，在沖擊一階臨界轉速時，該振動測點振值超標連鎖停車（84 μm）。機組及測點見圖1。

2 故障分析

2.1 運行工況審查

對該壓縮機運行6 a以來的DCS記錄及起停車記錄進行審查，發現1H測點振值自2014年起呈緩慢增長趨勢，到停車檢修之前，該數值由8 μm漲至12 μm，其增長速率緩慢。

2.2 故障頻譜分析

車間配有北京化工大學設備診斷與自愈工程研究中心研制的“大型旋轉機械實時遠程監測與故障診斷系統”（BH5000）監測系統，用該監測系統對壓縮機振動譜線進行分析，非驅動端1H測點的歷史趨勢圖見圖2。

（1）由譜線可見，非驅動端1H測點振動在1000～1500 r/min時提升不明顯，為17.1 μm。主要振動頻率為工頻，夾雜少量2倍頻成分。轉速超過1500 r/min后振值隨轉速緩慢提升，在1階臨界轉速附近（2100 r/min）振值陡然上升，達到84.1 μm連鎖停車。從整個譜線上來觀察振動主導頻率為工頻振動，其他混雜頻率極少，1H端振值隨轉速上升十分明顯。振值隨轉速變化見表1。

圖1 機組和測點

圖2 1H VXK2601歷史趨勢

表1 1H端振值隨轉速變化情況

（2）1H相位角基本保持穩定，其數值在整個運行過程中未發生劇烈變化，為110°～140°?？梢耘袛噢D子運行基本處于一個相對穩定的狀態內，基本排除潤滑油膜可能產生的問題以及轉子磨碰的可能性。

（3）軸心軌跡進動方向為正進動，1階臨界轉速區間軸心軌跡形狀為橢圓形?？刂剖覂菵CS操作臺參數顯示軸瓦溫度正常，干氣密封壓力及泄漏量參數正常，可以基本排除機體內部磨碰的情況。

綜上所述，可以得出該壓縮機無法啟動的原因是轉子不平衡所致。

2.3 轉子不平衡故障機理

轉子不平衡是由于轉子部件質量偏心或轉子部件出現缺損所造成的故障，它是旋轉機械最常見的故障。離心式壓縮機轉子由于受到材料質量、加工技術以及工藝介質等因素的影響，其質量中心不可避免的會偏移其幾何中心，導致轉子旋轉時形成周期性的離心力，在整個速度范圍內總是有每轉一次的明顯相應，在軸承上產生動載荷，使機組振動。據統計，旋轉機械約有近70%的故障與轉子不平衡有關。當不平衡量超過允許范圍時，機組軸振動便會加大乃至超過允許值，導致機組停車或無法越過一階臨界轉速。設轉子質量為M，偏心質量為m，偏心距為e，如果轉子的質心到兩軸承連心線的垂直距離不為零，具有撓度為a（圖3）。由于存在偏心質量m和偏心距e，當轉子轉動時將產生離心力、離心力矩或兩者兼而有之。離心力的大小與偏心質量m、偏心距e及旋轉的角速度ω有關，即F=meω2。交變力會引起振動，這就是不平衡引振動的原因。轉子轉動一周，離心力防線變化一個周期，因此不平衡振動的頻率與轉速一致。

圖3 轉子力學模型

3 故障原因分析及處理措施

根據特征譜線以及所得到的分析，決定對壓縮機進行解體，在拆卸過程中對壓縮機徑向軸承、止推軸承以及干氣密封進行檢查，發現非驅動端徑向軸承下瓦有部分研磨現象（圖4），止推軸承與干氣密封運行狀態良好，無磨損痕跡。將壓縮機轉子吊出，發現壓縮機缸體內部隔板、入口導葉積垢嚴重，葉輪表面均勻積垢，吸入口處積垢厚度達3 mm，局部積垢有脫落現象（圖5）。

該壓縮機為循環氫壓縮機，介質為四合一反應器產氫，氫氣經產物分離罐送入壓縮機入口。由于使用壽命原因，重整催化劑機械強度下降，粉化的催化劑擔體以及結焦物粉末隨氫氣進入壓縮機。此外，壓縮機主密封氣亦有過帶液現象，液體和催化劑粉末在壓縮機隔板噴嘴以及葉輪吸入口處固化板結。停車檢修時未對轉子進行拆卸，啟動時板結的污垢脫落使轉子形成不平衡量，直接導致轉子無法沖過一階臨界轉速，這便是該壓縮機振動連鎖停車的根本原因。

將轉子送錦州汽輪機廠進行清洗以及高速動平衡試驗，清洗、除垢后測定轉子不平衡量為70 g/mm，根據計算結果分別在第1、6 級葉輪部位進行去重，測定殘余不平衡量＜10 g/mm，已符合機組運轉要求。將壓縮機進行回裝，重新對軸位移、軸間隙、垂直度、瓦背緊力、密封間隙等關鍵數值進行標定，均達到合格數值。壓縮機啟動后1500 r/min暖機20 min，1H端振值為8 μm，越 1階臨界轉速峰值振動為 13 μm，工作狀態穩定。

4 結語

大機組故障診斷對于設備安全運行和維護起著至關重要的作用，根據典型的故障特征可以對采集的數據進行定性分析，全面、系統、及時準確地識別設備的真實運行狀態。離心式壓縮機轉子不平衡作為一種典型故障，合理的診斷可以直達病灶，明確檢修目標、縮短檢修時間、降低檢修費用，從而從根本上提高設備檢修的質量。

圖4 徑向軸承下瓦研磨

圖5 葉輪積垢

［1］高金吉.機器故障診斷及自愈化［M］.北京：高等教育出版社，2012.

［2］楊國安.機械設備故障診斷［M］.北京：中國石化出版社，2007.

［3］王廷俊.氣體壓縮機在石化工業的應用和發展［J］.通用機械，2005（3）:8-10+16.

TE964

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〔編輯 凌 瑞〕