離心壓縮機轉子不平衡故障分析與處理

王永暉

（1.中石化天然氣榆濟管道分公司，山東 濟南 250101；2.中石化榆濟管道有限責任公司，山東 濟南 250101）

天然氣長輸管道承擔著輸送天然氣的重要任務。隨著經濟社會發展和環境保護意識的逐漸增強，天然氣消費量逐年增長，確保天然氣的安全穩定輸送十分重要。壓縮機是天然氣長輸管道的關鍵核心設備，壓縮機一旦發生故障將對天然氣輸送和下游市場天然氣的穩定供應產生重大影響。做好壓縮機運行管理對于保障長輸管道運行意義重大。作為連續運轉的大型旋轉機械，壓縮機故障時有發生，特別是運行輔助設備和運行參數異常是造成長輸管道壓縮機組故障的主要原因［1］。壓縮機故障往往具有突發性，故障處理需要很高的時效性，如果處置不及時可能會帶來重大損失。隨著大型旋轉機械狀態監測和故障診斷技術的發展，故障分析的手段逐漸豐富，通過分析故障產生的原因，提出合理的運行和維修建議。把旋轉體質量沿旋轉中心線的不均勻分布叫做不平衡，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［2］。轉子不平衡引起的壓縮機運行參數異常進而導致機組停運是較為常見的故障類型。針對某增壓站壓縮機運行參數異常，及時開展故障診斷及處理，分析不平衡產生的原因，為同類故障處置提供參考。

1 故障現象

某天然氣增壓站安裝有BCL355型電驅離心式壓縮機4臺，日常運行2用2備。壓縮機本體為垂直剖分結構，包含5級葉輪。增壓站接收上游來氣，經過站內過濾分離、增壓后輸往下游場站。1號壓縮機組在正常運行過程中驅動端振動值突然增大，如圖1所示。

圖1 故障機組振動趨勢圖

從圖1中看出，該機組在正常運行過程中，在轉速不變的情況下驅動端X方向、Y方向振動值同時突然增大，從25μm增長到45μm，停機聯鎖值為64μm。隨后為查明振動增大原因，保證機組運行安全，機組停車檢查。再次啟動機組，雖然能夠順利跨越一階臨界轉速，但振動值依然較高，存在運行風險，為避免對轉子、軸承和密封造成更嚴重損傷，需停機進一步查找原因。

2 故障診斷

大型旋轉機械發生各種故障，及時開展故障診斷，防止事態擴大，能夠避免帶來更大的經濟損失和安全隱患。正確的診斷和處理要建立在獲取與故障有關的信息基礎上，綜合分析，提高故障診斷的準確性。

由于儀表失靈在大型機組故障中占有一定比例，首先對相關振動探頭進行了檢查，緊固接線等未發現異常。排除儀表故障后進一步查找振動異常原因。

在機組負荷沒有增加的情況下，驅動端振動值突然增大，如圖2。

圖2 運行過程中波形頻譜圖

從圖2波形頻譜圖上看，波形呈現等幅正弦波形，振動異常的主要特征頻率為1X，初步分析造成振動異常上漲的原因可能有：1）轉子出現了不平衡，可能的原因有聯軸器接觸不良、轉子結垢、部件松動、轉子彎曲等；2）支撐剛度不足或發生改變，如軸承間隙大或壓蓋過盈不足等。停機檢查聯軸器未發現異常。鑒于本增壓站上游來氣氣質較差，水露點超標情況較多，雖然進站安裝有三臺臥式過濾分離器，進入壓縮機組的天然氣仍可能攜帶一定水分，存在結垢風險，為此采用內窺鏡對壓縮機內部流道進行了檢查，未發現結垢現象，同時結垢過程較為緩慢，本機組振動值突然異常增大，從而排除了結垢問題。通過查閱故障機組相關歷史資料，該機組開展過兩次大修，并且調整過轉子動平衡，對壓縮機內部密封件如級間密封、平衡鼓密封等進行了更換。壓縮機大修回裝完畢后試車，針對剩余不平衡量進行了現場動平衡調整，在聯軸器鎖緊螺母位置增加過墊片。通過波形頻譜圖及歷史檢修資料分析，引起驅動端振動值增大的原因很可能是壓縮機轉子不平衡導致。

離心式壓縮機轉子不平衡引發的振動故障，通常是設備自身部件問題或是轉子在裝配過程中對中不良而造成的［3］。由于氣質問題造成結垢引起的故障也應引起高度重視［4］。故障特征表現為由于轉子的質量不平衡而產生的離心力，隨著轉子的轉速增大或者輸出功率增加，振動逐漸加劇；當振動頻率與轉速同頻時，此時渦動方向與轉向相同，振動狀況更加惡化；撓性軸通過第一臨界轉速時，振動十分劇烈，轉子的軸心軌跡為橢圓，如圖3。諧波能量主要集中在轉子的工作頻率上，其它倍頻成分所占比例相對較小。

圖3 啟機過程中軸心軌跡圖

3 故障處理

進一步驗證機組振動值增大是否由轉子不平衡引起，壓縮機組的振動值隨轉速和負荷變化明顯，當不平衡量較大時，難以跨越一階臨界轉速，本機組最大振動值距離聯鎖保護停機值還有一定距離，因此不平衡量較小，考慮采用現場動平衡調整不平衡量。采取聯軸器鎖緊螺母上增減墊片的方式進行調整，在聯軸器鎖緊螺母上互成120°，每次在一個位置增加一個墊片，啟機觀察振動值變化，通過增加墊片以及改變墊片位置的方法使壓縮機振動值恢復到正常水平。本次調整首先去掉了在聯軸器鎖緊螺母位置已經增加過的一個墊片，啟機后觀察振動值逐漸恢復到正常水平，說明本次調整有效，經過一段時間的運行，機組振動值依然保持在較小的正常水平，機組不平衡故障得到解決。本機故障的快速解決得益于從歷史檢修資料得到了啟發，因此建立完備的設備全生命周期檔案至關重要，如圖4。

圖4 調整動平衡后振動趨勢圖

4 結論

大型離心壓縮機組發生故障后應立即開展故障診斷，避免產生更嚴重后果。故障診斷應建立在機組歷史運行、檢修數據的基礎上，利用狀態監測技術，去偽存真，找出故障真正原因，有的放矢進行故障處理。壓縮機故障種類繁多，引起故障的原因有多種，有些故障現象、譜圖特征存在一定的相似性，這給故障診斷帶來一定困難，必須結合機組歷史運行狀況、近期設備檢修情況綜合分析才能更好地確定故障原因。因此在日常工作中應不斷總結匯編機組故障案例，為后續故障處理提供參考。壓縮機轉子不平衡導致的機組故障原因有多種，本機組不平衡量較小，未出現啟機困難或無法啟機的情況，因此采取了現場調整動平衡的方法解決了轉子不平衡問題，起到了良好的效果，為后續此類問題的處理積累了經驗。當不平衡量較大時機組難以跨越一階臨界轉速，或振動值較高觸發聯鎖停機，嚴重影響生產任務的完成，有些不平衡故障處理較為困難，拆機檢查及返廠維修在所難免，在日常運行過程中要重視機組不平衡問題的產生，采取有效措施減少故障發生，同時不斷積累經驗，提高故障診斷和處置能力。