柔性轉(zhuǎn)子振動(dòng)分析及現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡實(shí)踐

李昱龍， 殷海良， 白云云， 龔瑜萍

(廣西金川有色金屬有限公司， 廣西 防城港 538000)

某硫酸廠采用銅冶煉煙氣制酸，年產(chǎn)硫酸160萬t，配備2套轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)采用“高濃度二氧化硫預(yù)轉(zhuǎn)化工藝”，由于煙氣中SO2濃度高達(dá)33%，每套轉(zhuǎn)化系統(tǒng)配置一臺(tái)空氣風(fēng)機(jī)用于將大量空氣補(bǔ)充至轉(zhuǎn)化器，進(jìn)行高濃度SO2的稀釋、轉(zhuǎn)化溫度調(diào)整、氧氣參與SO2轉(zhuǎn)化。該設(shè)備為美國德萊賽公司生產(chǎn)的OIB型離心風(fēng)機(jī)，臨界轉(zhuǎn)速2 000 r/min，全壓74 kPa，設(shè)計(jì)風(fēng)量75 000 Nm3/h，該轉(zhuǎn)子為柔性轉(zhuǎn)子。Ⅱ系列空氣風(fēng)機(jī)于2013年12月調(diào)試完成，風(fēng)機(jī)振動(dòng)為20 μm。2014年9月振動(dòng)升高至60 μm，為查找振動(dòng)根源，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了全面的測(cè)試及分析,并在系統(tǒng)大修期間對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)概況

Ⅱ系列空氣風(fēng)機(jī)采用高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，液力耦合器調(diào)速，風(fēng)機(jī)為美國德萊塞公司生產(chǎn)，液力耦合器為德國福伊特公司生產(chǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速1 485 r/min(24.75 Hz)，耦合器內(nèi)齒輪齒數(shù)比131/27，2軸轉(zhuǎn)速7 205 r/min(120.1 Hz)。

圖1 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

軸振測(cè)點(diǎn)在電機(jī)兩側(cè)預(yù)埋有電渦流位移傳感器VXT501、VYT501、VXT502、VYT502,風(fēng)機(jī)側(cè)軸承箱內(nèi)亦預(yù)埋電渦流位移傳感器VXT401、VYT401(靠近葉輪側(cè))、VXT402、VYT402(靠近聯(lián)軸器)，X、Y兩個(gè)方向分別為45°、135°布置。

2 測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際情況，在月修期間對(duì)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)試：

風(fēng)機(jī)啟動(dòng)達(dá)到3 574 r/min時(shí)1倍頻幅值、相位趨勢(shì)波形見圖2，1個(gè)小時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示振動(dòng)變化不大，幅值、相位穩(wěn)定，各轉(zhuǎn)速下的1倍頻幅值相位見表1。3 574 r/min時(shí)波形頻譜圖見圖3，401振動(dòng)波形以1倍頻為主，其它倍頻成分很低，VXT401和VYT401相位接近90°，完全符合轉(zhuǎn)子不平衡的特征。轉(zhuǎn)子過臨界相位變化雖然不是很陡峭，但基本符合柔性轉(zhuǎn)子的特性，單圓盤轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)見圖4[1]，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子以質(zhì)量中心為圓心，偏心距為半徑旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子運(yùn)行更穩(wěn)定。

3 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡原因分析

該設(shè)備輸送的介質(zhì)為空氣，利用濃硫酸的吸水性，在風(fēng)機(jī)前端設(shè)置空氣干燥塔除去空氣中水分，94%的濃硫酸在干燥塔中與空氣逆流接觸，干燥塔頂部設(shè)置捕沫器，除去酸霧，防止在轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中形成冷凝酸，損傷觸媒及設(shè)備。經(jīng)測(cè)振數(shù)據(jù)分析，排除了共振、機(jī)組對(duì)中、軸瓦間隙超標(biāo)、基礎(chǔ)松動(dòng)、油膜渦動(dòng)等造成風(fēng)機(jī)振動(dòng)異常的原因，其振動(dòng)主要由轉(zhuǎn)子不平衡導(dǎo)致。拆除風(fēng)機(jī)導(dǎo)入口，仔細(xì)檢查風(fēng)機(jī)葉輪，發(fā)現(xiàn)在葉輪正面、側(cè)面有輕微腐蝕，不規(guī)則腐蝕導(dǎo)致了葉輪丟失重量，從而引起風(fēng)機(jī)振動(dòng)異常，葉輪腐蝕的可能原因?yàn)椋?/p>

圖2 3 574 r/min時(shí)1倍頻幅值、相位趨勢(shì)及波形

圖3 3 574 r/min時(shí)波形頻譜圖(從上到下依次為VXT401、VYT401、VXT402、VYT402)

表1 各轉(zhuǎn)速下1倍頻幅值/相位(μm/°)

圖4 單圓盤轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)

(1)空氣干燥塔分酸器分酸效果不佳，產(chǎn)生較多酸霧，超過捕沫器除霧能力，酸霧夾帶進(jìn)入風(fēng)機(jī)。

(2)捕沫器除霧效果較差，干燥塔產(chǎn)生的酸霧未被有效吸收，酸霧帶入風(fēng)機(jī)，導(dǎo)致葉輪腐蝕。

(3)殘留在空氣干燥塔至風(fēng)機(jī)入口煙道的酸泥，在設(shè)備高速運(yùn)行時(shí)被帶入風(fēng)機(jī)葉輪，引起轉(zhuǎn)子不平衡，導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)上升。

針對(duì)以上原因分析，立即對(duì)干燥系統(tǒng)采取以下措施：

(1)清理、檢查空氣干燥塔分酸槽、降液管，檢查填料，調(diào)整干燥塔上酸量，確保分酸槽均勻分酸，減少酸霧的產(chǎn)生。

(2)更換備用捕沫器，捕沫器與塔壁結(jié)合處使用四氟帶填充，減少酸霧夾帶，增強(qiáng)捕沫效果。

(3)清理、檢查干燥塔至風(fēng)機(jī)入口煙道，防止殘余酸性介質(zhì)進(jìn)入風(fēng)機(jī)。

4 處理方案

4.1 常規(guī)處理方法存在的不足

經(jīng)過測(cè)試及數(shù)據(jù)分析，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子存在明顯的不平衡。常規(guī)處理方法為：拆卸轉(zhuǎn)子，外送至專業(yè)廠家，在平衡機(jī)上進(jìn)行低速動(dòng)平衡，該檢修方法存在一定不足。

(1)風(fēng)機(jī)正常工況時(shí)，轉(zhuǎn)速可達(dá)6 700 r/min，在平衡機(jī)上進(jìn)行平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)工況時(shí)轉(zhuǎn)速。

(2)該轉(zhuǎn)子為柔性轉(zhuǎn)子，臨界轉(zhuǎn)速2 000 r/min，從設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況來看，臨界轉(zhuǎn)速前后風(fēng)機(jī)振動(dòng)表現(xiàn)不一。

(3)拆卸轉(zhuǎn)子，費(fèi)用較高。

(4)檢修人員技能對(duì)檢修質(zhì)量有直接原因。

近年現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)的日趨成熟，綜合各方面因素，決定進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，充分考慮到以下幾方面的問題：

(1)焊接配重塊質(zhì)量精度；

(2)焊接到轉(zhuǎn)子上的配重塊可能對(duì)流體造成的影響；

(3)焊接質(zhì)量；

(4)今后動(dòng)平衡調(diào)整的方便性。

4.2 動(dòng)平衡配重調(diào)整方案

(1)在整流密封罩(Φ230 mm)內(nèi)端面同心圓上鉆孔攻絲，均分鉆12個(gè)盲孔，通過在孔中加螺栓進(jìn)行配重的加減，依據(jù)轉(zhuǎn)子質(zhì)量及柔性轉(zhuǎn)子在遠(yuǎn)高于臨界轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)特性(轉(zhuǎn)子以自身質(zhì)心為圓心偏心距為半徑旋轉(zhuǎn))可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子的不平衡量；

(2)從401軸振幅值相位隨轉(zhuǎn)速變化的情況看，轉(zhuǎn)子如果在低速下振動(dòng)降低，則在高速下振動(dòng)也會(huì)降低，因此轉(zhuǎn)子可以在低速下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理，振動(dòng)降低后再在高速下確認(rèn)；

(3)401和402的相位基本反向，如果401振動(dòng)降低后402振動(dòng)增高，則需要在聯(lián)軸器上加重進(jìn)行雙面動(dòng)平衡的調(diào)整，但從轉(zhuǎn)子的振型看，如果葉輪平衡得到改善，葉輪運(yùn)行更穩(wěn)定后402側(cè)振動(dòng)也應(yīng)該降低，因此雙面動(dòng)平衡調(diào)整的可能性不大，圖5為振動(dòng)相位圖。

圖5 401、402振動(dòng)相位圖

5 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡校正

年修停產(chǎn)檢修期間對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡校正，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如下。

5.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，各轉(zhuǎn)速下1倍頻幅值相位見表2，轉(zhuǎn)速1 720 r/min時(shí)的波形頻譜圖見圖6，振動(dòng)以1倍頻為主，相位穩(wěn)定，X、Y相位差接近90度，轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)明顯的不平衡特征，在1 720 r/min穩(wěn)定幾分鐘后，振動(dòng)逐漸增加，但相位變化不大，可能與轉(zhuǎn)子不平衡量較大，而且轉(zhuǎn)速在共振閾值內(nèi)有關(guān)，因此決定對(duì)轉(zhuǎn)子先在1 720 r/min下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理。

5.2 動(dòng)平衡測(cè)試數(shù)據(jù)

動(dòng)平衡過程數(shù)據(jù)見表3，通過兩次配重，風(fēng)機(jī)振動(dòng)明顯降低，動(dòng)平衡后振動(dòng)數(shù)據(jù)見表4，1 720 r/min時(shí)振動(dòng)波形頻譜圖見圖7，從頻譜圖中可以看出轉(zhuǎn)子因不平衡引起的振動(dòng)已經(jīng)很低，3 530 r/min時(shí)振動(dòng)波形頻譜圖見圖8，從頻譜圖上可以看出轉(zhuǎn)子僅存在輕微的不平衡。

表2 第一次啟動(dòng)各轉(zhuǎn)速下1倍頻幅值/相位(μm/°)

圖6 第一次啟動(dòng)1 720 r/min時(shí)波形頻譜圖(從上到下依次為VXT401、VYT401)

表3 動(dòng)平衡數(shù)據(jù)

VXT401VYT401初始振動(dòng)1720r/min40.7/8052.8/0分別在75°、105 ° 、135°、165°位置加重36g(合成質(zhì)量108g/120 °)1720r/min19.3/6724.4/3453545r/min19.1/14919.8/61以1720r/min,VYT401數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算保留試重后,應(yīng)在93°位置加重88g,考慮到93°位置已經(jīng)無法加重,決定在反方向270°去重約80g1720r/min2.46/1563.71/683538r/min7.1/3436.4/262

表4 第三次啟動(dòng)各轉(zhuǎn)速下1倍頻幅值/相位(μm/°)

圖7 1 720 r/min風(fēng)機(jī)軸振波形頻譜圖(從上到下依次為VXT401、VYT401、VXT402、VYT402)

圖8 3 530 r/min風(fēng)機(jī)軸振波形頻譜圖(從上到下依次為VXT401、VYT401、VXT402、VYT402)

6 結(jié)論

經(jīng)過兩次測(cè)試及動(dòng)平衡處理，風(fēng)機(jī)在3 600 r/min內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性與柔性轉(zhuǎn)子的特性一致。由于系統(tǒng)大修，風(fēng)機(jī)不能全負(fù)荷運(yùn)行，風(fēng)機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)后，在3 600 r/min以內(nèi)時(shí)，振動(dòng)與測(cè)試一致，但在3 600 r/min以上時(shí)，振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高。再次測(cè)試發(fā)現(xiàn)振動(dòng)相位變化不大，只是振動(dòng)幅值隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，振動(dòng)最高39 μm，振動(dòng)呈現(xiàn)剛性轉(zhuǎn)子的特性，由于振動(dòng)未超標(biāo)，未進(jìn)行再次調(diào)整。

硫酸生產(chǎn)中，往往由于高腐蝕性介質(zhì)造成設(shè)備故障，因此工藝系統(tǒng)的優(yōu)化、設(shè)備改造需持續(xù)進(jìn)行。本次雖對(duì)空氣風(fēng)機(jī)的干燥系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)整、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡，達(dá)到了預(yù)期目的，但設(shè)備運(yùn)行情況還需進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的檢驗(yàn)。