旋轉設備轉子不平衡故障診斷案例

李俊杰 李鑫

（新疆新業能源化工有限責任公司 昌吉 831100）

旋轉機械設備中，旋轉體質量沿旋轉中心線的不均勻分布叫做不平衡。轉子不平衡是各類旋轉機械中普遍存在的故障，由此引起的機器振動或運行時產生的其他問題稱為不平衡故障。不平衡產生的原因有轉子結構設計不合理、機械加工質量偏差、裝配誤差、材質不均勻、動平衡精度差等。在生產運行中能否精準判斷設備故障發生的主要原因，制定對應措施加以處置、預防對企業的發展非常重要。本文通過系統地介紹旋轉機械設備中利用狀態監測與故障診斷系統對某公司一例轉子不平衡故障利用趨勢圖譜分析，并結合不平衡特征給出結論。

1 事件描述

空分裝置“KDON-28000/34000 型空氣分離設備”兩套，機組為汽輪機帶動增壓機、空壓機運行。該裝置B 套壓縮機于2020年2月至2020年4月壓縮機4 個通道有緩慢爬升趨勢，趨勢為1 倍頻，且壓縮機非聯端1 倍頻相位也存在緩慢變化趨勢，振值由17μm緩慢上漲至27μm。

2 機組異常分析

分析增壓機4個通道振動緩慢上漲的特性如下。

圖1 1倍頻趨勢圖

（1）見圖1，壓縮機四通道振值緩慢持續上漲，壓縮機非聯端X、Y 軸上漲最為明顯。趨勢為1 倍頻。運行狀態下測量壓縮機各接觸面間隙，結合各工藝參數變化趨勢及汽輪機聯端軸心位置與壓縮機聯端軸心位置做對比，排除壓縮機工藝參數及接觸面間隙的變化對振動的影響。說明壓縮機在運行過程中機體內部出現不良惡化。

（2）分析壓縮機振動異常的特征頻率，見圖1、圖2所示。調取壓縮機非聯端1倍頻趨勢與1倍頻相位做對比，可看出在轉速變化的情況下1倍頻幅值與1倍頻相位同步發生變化，同時壓縮機在固定轉速下軸位移由0.10 微米緩慢變化為0.06μm，當穩定在一定轉速下后相位變化的趨勢很小。說明壓縮機轉子的質量分布在較長一段時間內發生了緩慢性改變。

圖2 1倍頻與相位對比趨勢圖

（3）進一步調取壓縮機在振動上漲后的波形頻譜圖，從時域圖可看出壓縮機4個通道正峰值與負峰值存在相對關系。從頻域圖中可看出，基頻振動成分占比很大，而其它倍頻成分所占比例很小，引起壓縮機振動的諧波能量主要是集中在轉子的工作頻率上，為1 倍頻。在較小頻率中多以0.38 倍頻、0.41 倍頻為主。說明轉子存在輕微的摩擦。但存在較多的低頻分量細化分析汽輪機振動聯鎖時的波形形態與軸心軌跡形態，見圖3。汽輪機振動異常發生后，時域波形呈正弦波形態，波形的重復性與對稱性良好；汽輪機前后軸承處的軸心軌跡呈橢圓狀，渦動形式為正進動，渦動范圍較大；說明轉子上存在較大的不平衡量。

（4）見圖3。壓縮機振動緩慢上漲后，壓縮機非聯端軸心軌跡呈現外8字形，壓縮機聯端軸心軌跡呈現橢圓形，并伴有正反進動交替現象。說明轉子存在不平衡且壓縮機非聯端伴有局部摩擦。

圖3 軸心軌跡圖

3 診斷結論及建議

3.1 診斷結論

綜合以上分析，空分裝置“KDON-28000/34000型B 套壓縮機在自2 月份開始發生了轉子不平衡故障。結合振動趨勢緩慢上漲的特性，分析認為該機組非聯端壓縮機進氣側發生結垢現象，因轉子與定子結構，導致密封間隙、汽流間隙減小，致使壓縮機轉子非聯端子存在一定程度的摩擦。

3.2 診斷建議

對空分裝置“KDON-28000/34000 型B套壓縮機異常振動的診斷建議如下。

（1）擇機安排時間停車，對壓縮機非聯端軸承箱密封梳齒檢查，排除因密封梳齒引起的振動故障。

（2）對壓縮機入口氣源品質進行化驗，如有必要對壓縮機入口空氣過濾器進行更換。

（3）如現場不具備停車條件，必須進行監護運行，同時做好工藝方面嚴格操作，盡量避免負荷劇烈變動；一旦振動再次發生突變，應立刻停車進行檢修；檢修方面做好搶修的準備，包括備品、備件的準備，檢修隊伍的協調。

4 診斷驗證

機組停機后組織專業人員對壓縮機非聯端軸承箱密封梳齒檢查，排除了此因素。壓縮機解體后發現非聯端葉片及腔體流道、壓縮機入口管道均存在一定程度的結垢現象，通過高壓清洗去除垢狀物后啟機運行狀態良好，最高振值穩定在20μm以下。

5 結論

通過頻譜趨勢分析及診斷驗證，得到以下結論：

（1）轉子不平衡是旋轉設備比較嚴重的一類故障。輕則會使轉子振幅產生突然變化，影響機組正常運行；重則可能會觸發聯鎖停車甚至引發重大安全事故。

（2）轉子不平衡引起的原因有很多，且不平衡狀態的轉子在持續運行時極易引起局部摩擦類故障，放任不管的話易發生嚴重的全周摩擦。

（3）轉子不平衡振動的特征頻率以工頻為主、隨著轉速的變化振動幅值會同步變化。