基于軸承狀態(tài)信號的壓縮機(jī)故障診斷及分析

陳忠偉 許少凡 鐘龍風(fēng) 於 迪

(1.海洋石油富島有限公司 海南東方 572600；2.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司設(shè)備潤滑與檢測研究所 廣東廣州 510535)

壓縮機(jī)是可以提高氣體壓力和輸送氣體的機(jī)械裝置,通過儲存部分氣體介質(zhì),提高氣體壓力,形成具備一定壓力和流量的氣體,在冶金、石油開采、化工等領(lǐng)域有重要應(yīng)用[1]。軸承的性能對系統(tǒng)正常運(yùn)行具有重要意義,軸承故障會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī),嚴(yán)重時(shí)可能造成嚴(yán)重事故和重大經(jīng)濟(jì)損失。

軸承基本狀態(tài)參數(shù)包含大量的機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)信息,狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)備運(yùn)行中采集軸承運(yùn)行狀態(tài)信號,通過對這些信號進(jìn)行分析、處理、變換和識別,可以判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[2]。LIN和WU[3]依據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)的缸蓋振動(dòng)信號進(jìn)行簡單分析探究,判斷壓縮機(jī)內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)。SAFIZADEH和LATIFI[4]針對振動(dòng)故障,采用多源信息融合方法進(jìn)行診斷研究。

油液監(jiān)測技術(shù)是指對機(jī)器在用潤滑油進(jìn)行定期取樣檢測,分析油品理化指標(biāo)和磨損指標(biāo)的變化情況,實(shí)現(xiàn)對機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生的故障進(jìn)行有效診斷的目的[5]。趙桂芹等[6]采用鐵譜分析設(shè)備檢測油液中的磨粒情況,進(jìn)而對壓縮機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測與診斷。

海洋石油富島股份有限公司化肥二期合成氨裝置包括合成氣壓縮機(jī)組(103J/JT)及冷凍氨壓縮機(jī)組(105J/JT),兩臺機(jī)組共用一個(gè)油箱,使用的潤滑油為MOBIL DTE LIGHT汽輪機(jī)油。兩臺機(jī)組自2003年9月投入運(yùn)行以來,壓縮機(jī)運(yùn)行較為穩(wěn)定。2006年3月與2009年3月停車檢修時(shí),發(fā)現(xiàn)油箱內(nèi)壁上和油面上有少量膠狀成塊的黑色異物,但軸承沒有明顯異常。2013年3月,機(jī)組潤滑油更換為SHELL TURBO J32。2018年10月,油液監(jiān)測顯示潤滑油污染度變高,鐵譜分析顯示油中存在大顆黑色物質(zhì),同時(shí)機(jī)組軸承溫度和振動(dòng)開始出現(xiàn)頻繁波動(dòng)。

本文作者結(jié)合軸承基本狀態(tài)參數(shù)與油液監(jiān)測分析,對軸承故障進(jìn)行診斷,并針對性地提出解決方法,為機(jī)組精確維護(hù)和壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供對策。

1 油液監(jiān)測分析

合成氣壓縮機(jī)組(103J/JT)及冷凍氨壓縮機(jī)組(105J/JT)的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 壓縮機(jī)組的詳細(xì)參數(shù)

為了更全面地對機(jī)組的潤滑狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和評估,2011年開始每月對機(jī)組在用油品進(jìn)行檢測,除對油品的常規(guī)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測外,還進(jìn)行污染度、光譜元素、鐵譜磨損[7]等分析。

2018年10月對103J/JT合成氣壓縮機(jī)的油液監(jiān)測發(fā)現(xiàn),其主要理化指標(biāo)正常,但污染度NAS 1638等級偏高(GB/T T7596要求運(yùn)行中礦物渦輪機(jī)油SAEAS4059F顆粒污染等級≤8級,等同于NAS 1638等級8級[8]),監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 103J/JT壓縮機(jī)油液監(jiān)測數(shù)據(jù)

鐵譜分析顯示,油中存在大顆黑色物質(zhì),如圖1所示。

圖1 103J/JT壓縮機(jī)油液監(jiān)測鐵譜圖片F(xiàn)ig 1 Ferrography images of 103J/JT compressor oil monitoring

根據(jù)鐵譜分析結(jié)果,為進(jìn)一步確定污染來源及影響,根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備狀況,對軸承溫度、振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測分析。

2 軸承基本狀態(tài)參數(shù)

使用機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對機(jī)組轉(zhuǎn)子-軸承運(yùn)行信號(溫度、振動(dòng)和軸位移)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,對采集到的轉(zhuǎn)子振動(dòng)運(yùn)行信號進(jìn)行加工和處理,形成轉(zhuǎn)子運(yùn)行特征圖譜。主要特征圖譜包括趨勢圖、波形圖、頻譜圖(半頻/全頻)、軸心軌跡圖、波德圖、瀑布圖(半頻/全頻)和軸中心位置圖等。不同的機(jī)械運(yùn)行故障,會(huì)有不同的特征圖譜,可以對機(jī)械故障類型進(jìn)行診斷[9]。

2.1 參數(shù)趨勢分析

2018年10月1日開始,壓縮機(jī)低壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度和振動(dòng)開始出現(xiàn)頻繁波動(dòng),如圖2所示。隨后,軸承溫度和轉(zhuǎn)子振動(dòng)均出現(xiàn)近似周期的波動(dòng),且有明顯的對應(yīng)關(guān)系,初期軸承溫度緩慢波動(dòng)上升,后期快速上升后極速下降,對應(yīng)的轉(zhuǎn)子振動(dòng)卻急速上升后緩慢下降。軸承溫度急速下降說明軸承潤滑環(huán)境瞬間得到改善,轉(zhuǎn)子振動(dòng)的瞬間上升,同時(shí)伴隨著1X相位出現(xiàn)滯后,說明軸承可能與轉(zhuǎn)子發(fā)生了摩擦[10],能夠恢復(fù)則表明故障嚴(yán)重程度較輕。

圖2 103J/JT壓縮機(jī)軸承溫度和轉(zhuǎn)子振動(dòng)趨勢Fig 2 Trend of bearing temperature and rotorvibration of 103J/JT compressor

2.2 振動(dòng)頻譜分析

如圖3所示,壓縮機(jī)低壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜圖顯示振動(dòng)的主要頻率分量為1倍頻,頻率成分和故障發(fā)生前相比沒有發(fā)生變化,且無半倍頻和0.49倍等次同步諧波,二倍頻及以上分量也很小,可以排除氣流激振和軸承油膜渦動(dòng)或振蕩等振動(dòng)故障[11]。

圖3 103J/JT壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜Fig 3 Spectrum of rotor vibration of103J/JT compressor

2.3 瀑布圖分析

瀑布圖由一段時(shí)間內(nèi)或者一段變化的負(fù)載狀況下的一系列的頻譜圖疊加而成,可以觀察各振動(dòng)頻率分量隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖4可知,轉(zhuǎn)子振動(dòng)波動(dòng)主要是由一倍頻分量波動(dòng)引起的,其他頻率分量沒有出現(xiàn)明顯的波動(dòng),可以判斷出機(jī)組動(dòng)靜部分沒有發(fā)生重摩擦[12]。

圖4 103J/JT壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)瀑布圖Fig 4 Rotor vibration waterfall diagramof 103J/JT compressor

2.4 極坐標(biāo)圖分析

極坐標(biāo)圖是把轉(zhuǎn)子振動(dòng)的幅值和相位隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系用極坐標(biāo)的形式表示出來。單次轉(zhuǎn)子波動(dòng)的極坐標(biāo)圖如圖5所示,觀察此次波動(dòng)的特征,1X頻率分量呈現(xiàn)出“水滴”運(yùn)動(dòng)軌跡,波動(dòng)后位置與波動(dòng)前相差不大,符合轉(zhuǎn)子發(fā)生輕摩擦后恢復(fù)的故障特征。

圖5 103J/JT壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)極坐標(biāo)圖Fig 5 Polar coordinate diagram of rotorvibration of 103J/JT compressor

綜合壓縮機(jī)低壓缸轉(zhuǎn)子-軸承監(jiān)測信號分析與油液監(jiān)測結(jié)果,可以推斷出低壓缸動(dòng)靜部分并沒有發(fā)生重摩擦；從軸承溫度的變化趨勢可發(fā)現(xiàn),當(dāng)軸承溫度上升至一定程度,軸承的潤滑狀況瞬間改善,同時(shí)伴隨著轉(zhuǎn)子振動(dòng)的瞬間上升現(xiàn)象,且該現(xiàn)象近似周期性地發(fā)生,符合軸承漆膜故障的現(xiàn)象和特征。

3 黑色異物分析

通過油液數(shù)據(jù)與軸承基本狀態(tài)參數(shù)等綜合分析,初步確定軸承存在故障。停機(jī)檢修時(shí)在油箱內(nèi)油面上及油箱壁上均發(fā)現(xiàn)大量膠狀成塊的黑色異物,軸承下瓦塊有明顯的黑色結(jié)垢物,初步判斷是黑色異物導(dǎo)致漆膜現(xiàn)象的發(fā)生,如圖6所示。為探究漆膜形成原因,需要對異物進(jìn)行成分分析。

圖6 設(shè)備中軸瓦磨損(a)與黑色異物(b)Fig 6 Bearing wear (a) and black foreignmatter (b) in equipment

對黑色異物進(jìn)行成分分析的主要方法是溶解性試驗(yàn)、異物尺寸分析、光譜元素分析、傅里葉紅外光譜分析。

3.1 溶解性試驗(yàn)

對黑色異物進(jìn)行溶解性試驗(yàn),在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),黑色異物微溶于汽油或石油醚,但在甲苯中可以完全溶解,如圖7所示。

圖7 黑色異物在汽油和甲苯中的溶解情況Fig 7 Dissolution of black foreign matter in gasolineand toluene (a)slightly soluble in gasoline;(b)fully soluble in toluene

溶解性試驗(yàn)表明,該異物極性較強(qiáng),溶于甲苯,微溶于石油醚,呈黑色膠狀,可判斷該異物極有可能是瀝青質(zhì)或者膠質(zhì)。

3.2 異物尺寸分析

由于異物處于黏著狀態(tài),對其尺寸進(jìn)行分析前,需進(jìn)行前處理,具體步驟如下：先進(jìn)行500 ℃高溫灰化,目的是避免進(jìn)行顯微電鏡測試時(shí)黑色異物所含有機(jī)成分高溫?fù)]發(fā),污染電鏡系統(tǒng)而導(dǎo)致電鏡光學(xué)系統(tǒng)損壞；之后進(jìn)行機(jī)械粉碎,最后在掃描電鏡下進(jìn)行顆粒尺寸測試,從而確定異物的原始尺寸。

根據(jù)圖8掃描電鏡標(biāo)注尺寸,異物分為大顆粒(大于100 μm)、中等顆粒(大于20 μm且小于100 μm)和小顆粒(小于20 μm)。其中小顆粒中尺寸最小可達(dá)2 μm,甚至更小。

圖8 處理后黑色異物及其電鏡圖譜Fig 8 Black foreign matter after treatment(a) andits electron microscopic(b)

3.3 光譜分析

對設(shè)備中的異物進(jìn)行光譜元素測定,檢測結(jié)果如表3所示。檢測結(jié)果表明,黑色異物主要元素為Zn和P,同時(shí)含有Si、Na、Ca、Fe和少量Cu、Al、Mn。該異物中Ca、Zn、P比例與一般壓縮機(jī)油品中添加劑的正常比例不一致,表明異物不是油泥或者油中添加劑析出產(chǎn)物。

表3 異物光譜元素分析

3.4 傅里葉紅外光譜分析

黑色異物傅里葉紅外光譜分析結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明,黑色異物含有烷烴油(10%～20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)),有機(jī)硫酸銨類化合物(60%～70%),少量有機(jī)硅(<1%)和少量碳酸鈣(<5%),另外還有部分未知物。該異物溶于甲苯,說明該異物主要為有機(jī)成分；結(jié)合紅外分析該異物主要成分為烷烴以及有機(jī)酸胺類化合物,說明該異物并非積碳；該異物具有一定吸水性,說明存在極性。

圖9 黑色異物石油醚與乙醚溶出物紅外光譜圖Fig 9 Infrared spectra of dissolved in petroleum ether anddiethyl ether (a)dissolved matter by petroleumether;(b)dissolved matter by diethyl ether

黑色異物中含有有機(jī)酸銨類化合物,且質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%～70%,油品中本身的添加劑析出可能性極小,有機(jī)酸銨類化合物有可能來源于外界污染。

3.5 討論

結(jié)合潤滑油中黑色異物分析結(jié)果及現(xiàn)場的實(shí)際情況,機(jī)組潤滑油中可能混入氨,導(dǎo)致產(chǎn)生有機(jī)酸銨類物質(zhì)。其原因可能為冷凍氨壓縮機(jī)干氣密封一級放空流量計(jì)經(jīng)常處于滿量程狀態(tài),氨氣存在大量泄漏,由于干氣密封緩沖氣(N2)壓力較低,泄漏的氨氣通過軸端疏齒密封進(jìn)入到軸承箱中。這可以從每次打開油箱蓋時(shí)聞到濃濃的氨味得到確認(rèn)。2018年10月機(jī)組出現(xiàn)漆膜現(xiàn)象后對油箱中油氣進(jìn)行取樣分析,分析結(jié)果為油氣中氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2%。因機(jī)組使用的潤滑油屬防銹汽輪機(jī)油,一般使用羧酸類酸性防銹劑例如烯基丁二酸,泄漏的氨氣進(jìn)入油系統(tǒng)后會(huì)與油中的酸性防銹劑發(fā)生反應(yīng),生成絮狀沉淀物[13],與檢測到異物中有機(jī)酸銨類化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 60%～70%的結(jié)果相吻合。而潤滑油中不可分解物通過最小軸承間隙處時(shí),在高溫等因素作用下,容易積聚在巴氏合金表面,形成漆膜。漆膜使得軸承最小油膜厚度減小,最大油膜壓力增大,承載能力減小,潤滑油溫升增大,軸承潤滑狀況惡化[14]。當(dāng)漆膜厚度逐漸增加到一定程度后,與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰摩,油膜失穩(wěn),導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)瞬間波動(dòng)[15]。同時(shí)漆膜因與轉(zhuǎn)子碰摩部分脫落并被潤滑油沖走,軸承潤滑狀況得到改善,軸承溫度下降,與軸承狀態(tài)信號分析吻合。

4 處理措施

漆膜嚴(yán)重影響軸承的正常潤滑,導(dǎo)致軸承溫度過高以及潤滑油氧化等故障,是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大隱患。可根據(jù)漆膜的形成機(jī)制,采取針對性的處理策略。

4.1 短期措施

機(jī)組軸承出現(xiàn)漆膜現(xiàn)象說明在用油品已經(jīng)變質(zhì),應(yīng)盡快停機(jī)更換全部潤滑油,清洗油管路。如果因生產(chǎn)需要無法停機(jī)更換,可采取以下措施處理以保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

(1)采用對應(yīng)措施減少或杜絕漆膜形成物的繼續(xù)生成。根據(jù)漆膜生成的主要原因,將泄漏的氨氣接到水槽排放,油箱中油氣的氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2%降至5×10-5,有效減少了漆膜的繼續(xù)生成。

(2)置換部分潤滑油。機(jī)組軸承漆膜現(xiàn)象出現(xiàn)后,潤滑油中雜質(zhì)含量增多,在線置換部分油箱中潤滑油可以減少雜質(zhì)的含量,增加潤滑油的抗氧防銹性能,減緩漆膜現(xiàn)象的發(fā)生頻率。

(3)在線過濾。漆膜形成物中的“軟顆粒”在油液中顆粒占比較高,這類“軟顆粒”尺寸很小,如果采用超微機(jī)械過濾方法很容易造成濾芯的堵塞且過濾效果差[16]。而利用除漆膜凈油機(jī)對油箱中的潤滑油進(jìn)行在線過濾,可以減少潤滑油中漆膜的含量,有效降低漆膜現(xiàn)象的發(fā)生頻率。除漆膜凈油機(jī)有靜電凈化系統(tǒng)和離子樹脂吸附系統(tǒng),靜電吸附系統(tǒng)可使污染顆粒物極化帶電后吸附在收集器上,以清除油品中的污染物,離子樹脂吸附技術(shù)能夠去除油中的可溶性漆膜產(chǎn)物[17]。

通過以上措施,潤滑油的漆膜現(xiàn)象逐漸消除,機(jī)組軸承溫度、軸承振動(dòng)的波動(dòng)幅度逐漸趨于正常,如圖10所示。

圖10 103J/JT壓縮機(jī)軸承振動(dòng)及溫度Fig10 Vibration and temperature of bearingof 103J/JT compressor

4.2 長期措施

(1)采用抗氨氣輪機(jī)油。利用抗氨汽輪機(jī)油MOBIL TERESSTIC AC32替換普通汽輪機(jī)油SHELL TURBO J32。抗氨汽輪機(jī)油采用了抗氨性能較好的防銹劑,不易與油氣中的氨發(fā)生反應(yīng)生成沉淀物[18]。

(2)對干氣密封供、排氣系統(tǒng)進(jìn)行改造。為了防止氨氣進(jìn)入到潤滑系統(tǒng)中,有必要對冷凍氨壓縮機(jī)干氣密封供、排氣系統(tǒng)進(jìn)行改造,在保證干氣密封正常運(yùn)行的前提下,增加隔離氣的壓力,減少干氣密封泄漏后氨氣進(jìn)入到潤滑系統(tǒng)的可能性。同時(shí)要對干氣密封一級放空系統(tǒng)的流量計(jì)進(jìn)行改造,采用高靈敏度的流量計(jì)對干氣密封一級泄漏情況進(jìn)行監(jiān)控,如有泄漏要及時(shí)采取有效措施,防止泄漏后氨氣進(jìn)入到潤滑系統(tǒng)中。

5 結(jié)論

軸承基本狀態(tài)參數(shù)與油液監(jiān)測相輔相成,狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對監(jiān)測信號進(jìn)行采集、處理和分析,形成轉(zhuǎn)子運(yùn)行特征圖譜,根據(jù)這些圖譜的特征,可以診斷出機(jī)械故障類型；通過油液監(jiān)測可及時(shí)發(fā)現(xiàn)潤滑油的變化,發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在的故障。文中通過油液監(jiān)測發(fā)現(xiàn)了油中黑色異物,并對黑色異物進(jìn)行成分分析,得出異物的主要成分是有機(jī)酸銨類化合物,是由泄漏的氨氣與酸性防銹劑發(fā)生反應(yīng)生成的。有機(jī)酸銨類化合物附著在軸承表面,引起軸承溫度上升,潤滑油因高溫造成油液急速熱降解生成大量新的析出物,產(chǎn)生漆膜。

針對此類故障,提出短期與長期應(yīng)對措施,對機(jī)組進(jìn)行精確維護(hù),提高壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性,避免更大的安全事故。