脫硫增壓風機轉軸裂紋故障診斷

賈維龍，王順利

（馬鞍山馬鋼華陽設備診斷工程有限公司，安徽馬鞍山 243000）

0 引言

脫硫工藝系統中，煙氣進入吸收塔中洗滌脫硫，經脫硫后送回尾部煙道進入煙囪排放。由于煙氣流經原煙道、換熱器、吸收塔、凈煙道、擋板門等阻力設備，需要設置增壓風機來補償流動中的壓力損失。馬鋼煉鐵總廠南區一臺燒結風機脫硫增壓風機采用UA 系列靜葉可調軸流式通風機。

UA 系列軸流通風機由進氣箱、可調前導葉裝配、小集流器、機殼裝配（葉輪外殼和后導葉組件）、轉動組（傳扭中間軸、聯軸器、葉輪、主軸承裝配）、擴壓器、冷風管路和潤滑管路等組成。

UA 風機工作時，氣流由風道進入風機進氣箱，經過收斂和預旋后，葉輪對氣流作功，后導葉將氣流的螺旋運動轉化為軸向運動，并在擴壓器內將氣體的大部分動能轉化成系統所需的靜壓能，從而完成風機的工作過程。

增壓風機的穩定運行對脫硫系統至關重要，馬鋼華陽設備診斷工程有限公司對該機組安裝遠程診斷系統，監控設備運行狀態。在2021 年1 月16 日，該機組振動持續增大，技術人員利用遠程診斷系統并結合離線精密診斷分析，分析判斷設備故障長軸存在開裂，對設備及時進行檢修，避免事故發生。

1 設備主要參數及結構

脫硫增壓風機由電機、傳動軸和風機葉輪組成。其中，電機型號為YSBPKK900-6，軸承采用滑動形式，電機額定功率6300 kW，轉速995 r/min，電壓10 000 V；風機由成都電力機械廠生產，軸承型號為7260+NU260。

遠程診斷系統共安裝4 個傳感器，分別設置在電機自由端水平（1H）、電機驅動端水平（2H），電機驅動端軸向（2A）、風機水平（3H）（圖1）。

圖1 機組遠程系統傳感器安裝

2 轉軸裂紋原理分析

根據裂紋在軸上的位置、裂紋深度及受力情況，轉軸出現裂紋后所表現出的振動響應是有所不同的。根據裂紋區域應力狀態的不同，裂紋會表現出3 種狀態。

（1）閉裂紋。閉裂紋就是指轉軸在正常旋轉時，裂紋總是處于閉合狀態，此時轉軸裂紋應是承受壓應力。閉裂紋對轉軸振動的影響不大，振動頻譜和波形基本不變，較難通過振動監測發現。

（2）開裂紋。開裂紋是指轉軸在正常旋轉時，裂紋總處于張開狀態，此時轉軸裂紋應是承受拉應力。受開裂影響，轉軸剛度不對稱，造成振動帶有非線性性質，帶有2×、3×、4×等工頻諧波能量，并且隨著裂紋的加深，振動能量也會同步增大，同時工頻相位也會發生變化，特別是在通過一階臨界轉速時更加明顯，在調速時還可能會出現分頻共振現象。

（3）開閉裂紋。開閉裂紋是指轉軸在每旋轉一周中裂紋會出現張合閉合一次，此時轉軸裂紋應承受了重力或其他徑向載荷。開閉裂紋對轉子振動的影響復雜，綜合了開裂紋和閉裂紋的特征，振動呈現非線性，振動幅值會出現波動。

3 數據分析

2020 年12 月22 日，遠程診斷系統對脫硫增壓風機提示振動報警，電機驅動端軸向振動有增大趨勢，（圖2），此時分析機組其他方向振動變化不大（圖3、圖4）。繼續運行至2021 年1 月16 日，電機驅動端軸向振動突然增大，電機水平和風機振動有略有增大，在1 月18 日后機組振動迅速增大。1 月18 日對機組進行離線精密診斷測試分析，主要表現在電機兩端軸向振動較大，振動主要能量為轉頻，其中風機水平振動存在轉頻及2 倍頻諧波能量（表1），判斷機組振動應是受機組軸系影響，建議復查機組對中。

圖2 電機驅動端軸向（2A）速度趨勢

圖3 電機自由端水平（1H）速度趨勢

圖4 風機水平（3H）振動速度趨勢

表1 機組振動速度有效值（2～1000 Hz） mm/s

結合現場生產需求繼續運行，遠程診斷系統發現機組振動繼續增大。19 日再次對機組進行離線測試，機組振動明顯增大（表1），說明缺陷在持續劣化，同時振動能量中出現了2 倍頻諧波（圖5～圖7）。

圖5 電機自由端水平（1H）速度多頻譜圖

圖6 電機驅動端軸向（2A）速度多頻譜圖

圖7 風機水平方向（3H）速度多頻譜圖

經現場協商，對機組進行降速測試，電機轉頻由15.313 Hz降至14.063 Hz，電機徑向振動略有減小，其中驅動端垂直振動由5.8 mm/s 減小至4.3 mm/s，但電機軸向振動增大明顯，由5.6 mm/s增至9.5 mm/s（圖8）。徑向振動隨轉速降低而減小符合振動特性，但軸向振動隨轉速降低而增大，明顯不符合振動特性。結合前期測試以及機組振動持續增大的現狀，判斷軸系或葉輪存在開裂等缺陷，建議停機檢查。現場安排停機，復查機組對中良好，葉輪內部未發現明顯異常，由于長軸在風機內部且有保護罩無法檢查。因生產需求，現場決定繼續開機運行。

圖8 電機驅動端軸向振動多頻譜圖

根據遠程診斷系統數據，機組運行過程中振動明顯加快。對20 日0：00—10：00 的監測數據進行分析，機組振動較大，其中電機兩端水平方向和軸向振動更明顯，且振動能量中諧波有增加（圖5～圖7）；電機自由端水平振動從8.86 mm/s 增大至20.35 mm/s，主要是轉頻能量明顯增大（圖9、表1）。這說明機組缺陷存在且持續劣化，目前已不能安全運行，聯系現場進行停機檢修處理。

圖9 電機自由端水平（1H）振動方向多頻譜圖

綜合整體數據分析判斷，比較符合軸開裂缺陷的表現形式，長軸開裂的過程應是由前期閉裂紋發展到后期開裂紋，在前期振動變化不明顯，振動頻譜中也沒有明顯特征，發展到開裂紋后振動明顯、逐步增大。特征優先表現在軸向，隨后發展迅速，長軸強度降低，受扭矩影響，裂紋深度和振動迅速增大。

4 檢修驗證

根據診斷建議停機檢修，對增壓風機解體檢查，發現機組長軸存在開裂，驗證了上述判斷（圖10）。

圖10 聯軸器長軸開裂