多軸齒輪式壓縮機振動分析及處理

張虎　柴育鵬　溫義斌　胥經(jīng)輝　趙強

【摘 要】文章以內(nèi)蒙古伊泰煤制油公司空分車間空壓機組跳車事故為依托，結合增壓機檢修狀況，尋找引起增壓機振動波動的主要原因。增壓機檢修回裝后，開車過程正常，各項指標均在控制范圍內(nèi)，運行穩(wěn)定。為同類設備的維護提供參考。

【關鍵詞】增壓機；振動；分析；處理

【中圖分類號】TH452 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）04-0182-02

內(nèi)蒙古伊泰煤制油公司52 000 Nm3/h空分裝置空壓機組由德國MAN TURBO制造的DK080/170R型汽輪機驅動，高低壓端分別驅動增壓機、空壓機壓縮空氣做功。機組自2009年開車以來總體運行平穩(wěn)，性能良好，能滿足設計和使用要求。2017年10月，未見其他征兆，增壓機二級軸振動值突然增大到聯(lián)鎖值跳車。下面結合增壓機在檢修時發(fā)現(xiàn)的問題對故障原因進行探討。

1 事故經(jīng)過

2017年10月17日，增壓機二級葉輪軸承振動由18 μm緩慢升高，中控人員隨即緩慢關小其入口導葉，但振動依然持續(xù)升高，直至聯(lián)鎖值46 μm跳車。對此，采納MAN透平工程師及業(yè)內(nèi)專家建議，拆卸檢查增壓機二級葉輪。檢查葉輪安裝數(shù)據(jù)良好，著色檢查葉輪無明顯裂紋及機械損傷，系統(tǒng)管道支撐剛性正常。

2017年10月19日機組檢查完畢回裝后開車，暖機升速過程正常，但在機組沖轉過臨界后，調速器下限達4 547 rpm運行1 min后二級振幅發(fā)生緩慢升高，3分鐘后振幅升至聯(lián)鎖值46 μm跳車。基于此，決定對增壓機二級葉輪、氣封、軸承，齒輪箱及換熱器等關聯(lián)部件進行全面檢查。發(fā)現(xiàn)二級氣封碳環(huán)保持架和油封均有不同程度摩擦，軸瓦緊固件存在局部緊力不足現(xiàn)象，軸承進油孔處有白色顆粒物，一級級間換熱器進氣噴嘴處翅片有大量沖刷跌落情況。對上述部件進行清理修復后回裝并進行機組油洗，24 h后油洗合格。

2017年10月23日機組開車，暖機升速過程均正常，達到額定轉速后運行正常。結合陜鼓狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，機組運行指標良好。

2 故障分析

增壓機二級振動升高至46 μm達到聯(lián)鎖保護值跳車。在機組降速過程中，轉速達到3 800 rpm時開始出現(xiàn)振動異常升高，3 200 rpm時振動升高至249 μm，遠大于設計值63 μm。結合機組裝配數(shù)據(jù)，判斷其振動值已接近軸瓦間隙圓，動靜部位發(fā)生摩擦導致振動異常升高。拆解后發(fā)現(xiàn)以下故障：？譹？訛葉輪背面軸頸與碳環(huán)密封一級保持架處摩擦嚴重，摩擦接近1/4圓周，且碳環(huán)密封定位銷斷裂2處。？譺？訛迷宮密封有摩擦痕跡，但因其材質為鋁質，磨損相對較輕。？譻？訛軸瓦拆卸時，一側軸瓦固定銷松動，可輕易拔出，且軸瓦緊固螺栓存在掉力矩情況，瓦枕緊固螺栓卡澀較嚴重。？譼？訛與軸瓦配合軸頸處有嚴重劃痕，軸瓦進油孔處有白色硬質顆粒物，初步懷疑為結晶。？譽？訛一級換熱器翅片損傷較多，堆積于換熱器殼程內(nèi)。換熱器列管破損1根。換熱器翅片破損如圖1所示。

結合拆解后情況判斷，增壓機二級振動升高的原因為軸承緊固力矩掉導致轉子/軸承系統(tǒng)剛度下降。轉子系統(tǒng)轉速臨界區(qū)域ωcr下移至1/2 Ω范圍內(nèi)，轉子轉速對臨界轉速發(fā)生了2x激勵。轉子系統(tǒng)剛度對臨界轉速的影響如圖2所示。

由于二級葉輪轉子運行在臨界轉速以上，運行轉速Ω=14 787 rpm，ωcr=8000～12 000 rpm。從拆解情況看，軸承緊固力矩較安裝時降低，即軸承系統(tǒng)剛度降低。由轉子臨界轉速公式ωcr可知，當轉子系統(tǒng)剛度下降時，剛度值K每下降1%，轉子臨界轉速ωcr下降10%。轉子臨界轉速區(qū)域ωcr很容易下降至1/2 Ω左右。轉子系統(tǒng)臨界區(qū)域進入1/2 Ω范圍內(nèi)被轉速2x激勵，進而發(fā)生強烈的振動。增壓機二級葉輪原始臨界轉速BODE圖如圖3所示。

此外，軸承剛度降低為緩慢發(fā)展現(xiàn)象，且剛度降低后，系統(tǒng)臨界轉速區(qū)域重新固定在某一區(qū)域。增壓機二級軸振趨勢如圖4所示，為二級振動前20 d變化情況，10月6日前，二級振動維持在16～18 μm，10月6日空分停車時，增壓機降速過臨界區(qū)域，該過程加劇惡化了增壓機松動。10月6日開車后，二級軸振維持在22～24 μm，較之前增加了6 μm。持續(xù)松動導致剛度值持續(xù)下降。在某節(jié)點上，增壓機軸承中分面出現(xiàn)了滑移，振動升高至46 μm連鎖跳車。由于軸承出現(xiàn)滑移，導致降速時軸承對轉子的約束力下降，故出現(xiàn)轉子振動異常升高至249 μm。這也解釋了在第二次開車階段，暖機1 500 rpm轉子運行正常，升速至4 547 rpm時，才發(fā)生振動升高的情況。

同時，從另一方面來看。

（1）增壓機一級換熱器存在內(nèi)漏且翅片脫落的情況，但從拆解情況分析，翅片脫落是在較長時間內(nèi)形成的。如果脫落的翅片對葉輪沖擊造成振動升高，那么應該早就發(fā)生了，且不應在短時間內(nèi)發(fā)生2次。而從換熱器結構角度來看，脫落翅片為空氣入口側，碎片至少需要穿越2道密封或2層厚度為800 mm間隙為1 mm的翅片才能到達出口側，因此穿越后的翅片尺寸應該極小，較難對增壓機葉輪造成沖擊。沖擊對轉子系統(tǒng)的影響為瞬間作用，若翅片對葉輪造成有影響力的沖擊，振動應在短時間內(nèi)超過振動限值，而不是在3 min內(nèi)逐漸升高和具有重復性。

經(jīng)過討論，決定在氣流進入換熱器位置加裝厚度孔徑均為5 mm的篩板，并在孔板上方正對入口汽輪處焊接厚度為5 mm的沖刷擋板，解決了上述問題。焊接防沖擋板前/后對比如圖5所示。

（2）拆解過程中，發(fā)現(xiàn)軸承處軸頸有劃痕，軸承進油孔處有白色顆粒物。軸頸磨損雖然會對油膜形成一定影響，但基本可以排除油膜不良對轉子系統(tǒng)擾動值跳車值的影響。白色顆粒物待分析后方可判斷其影響性，但從歷次潤滑油樣分析來看，油質指標均在正常范圍內(nèi)，油品問題造成振動跳車的可能性較小。

（3）在葉輪表面發(fā)現(xiàn)有小點狀痕跡，應為上次檢修遺留問題。換熱器翅片為鋁基合金，材質較軟，即使對翅片葉輪造成沖擊也不應出現(xiàn)凹坑。

結合理論判斷及排除法，認為增壓機二級振動高跳車的原因為軸承松動引起剛度變化導致轉子系統(tǒng)的臨界區(qū)域發(fā)生下移，下移的臨界區(qū)域與轉子的1/2轉速發(fā)生重疊引起激勵造成振動升高跳車。

3 檢修后運行情況

增壓機檢修回裝后，開車過程正常，正常運行后各項指標均在控制范圍內(nèi)，運行穩(wěn)定。

參 考 文 獻

[1]王四林.多平行齒輪轉子系統(tǒng)的振動特性分析[J].機械傳動，2012（8）：93-95.

[2]崔津，王維民，高金吉，等.多平行軸系離心壓縮機振動耦合傳遞特性研究[J].流體機械，2013（12）：10-15.

[3]羅忠，時海麗，陳曉兵，等.多軸段轉子系統(tǒng)的畸變試驗模型動力學相似設計[J].東北大學學報：自然科學版，2015（4）：542-545，556.

[責任編輯：陳澤琦]