油封積碳導致的壓縮機磨碰故障分析

張 玲

（中國石油遼陽石化分公司設備監測中心，遼寧遼陽 111003）

0 引言

石化企業中廣泛使用高速、高壓離心壓縮機等旋轉機械，為了提高這些關鍵機組的工作效率，設計人員往往會把軸封、級間密封、油封間隙和葉片頂隙設計得比較小，以實現減小氣體泄漏的目標。但是，過小的間隙不但會引起流體動力激振，還會導致轉子與靜止部件間發生摩擦。一般情況下，部件間摩擦碰撞的初期會產生很大的振動，機器末停車解體檢修之前找不出振動的根本原因。因此，必須掌握摩擦激振的故障特征，以便及時、準確地對這類故障做出精準診斷，避免更大事故的發生。

1 摩擦的概念

摩擦是旋轉部件和靜止部件之間的非正常接觸。通常，軸承會阻止機器的旋轉部件接觸靜止部件。當機械零件移動到間隙縮小的位置，或者振動越過間隙時，便會在非軸承的位置發生接觸，這時動部件和靜止部件將發生摩擦。接觸期間，摩擦會對轉子的運動產生限制。摩擦會對接觸的部件造成直接損害。損害的程度各不相同，從機器的輕度損壞（輕微的摩擦造成）到完全破壞不等。

摩擦總是一種由其他故障導致的繼發效應，這種故障使平均軸心位置和軸心動態位置相疊加后超過轉子和定子之間的可用間隙。由翹曲的機殼、管道應變、地基問題、溫升不均、鎖住的齒式聯軸器或內部零件錯位導致的徑向載荷過大、松動及外部或內部不對中，都會導致出現極限平均軸心位置。由過度不平衡、轉子彎曲或失穩導致的大幅振動，也會導致出現極限軸心動態位置。即使振動沒有達到極限，也會在平均軸心位置附近作動態運動。只要轉子的瞬時位置越過可用間隙，摩擦就會發生。

當實際摩擦/定子接觸發生在振動周期的一小部分時，稱為局部摩擦。當接觸發生在整個振動周期內且具有連續性時，稱為全周摩擦。局部摩擦是最常見的摩擦表現形式。局部徑向摩擦是最常見的摩擦形式，通常可分為兩類：正常—緊密和正常—松動。

在正?！o密摩擦中，機器轉子通常運轉在無約束條件下。當轉子接觸軸承壁、密封圈或其他某個零件時，就會受到約束，或者說處于緊密狀態。由于轉軸的自由運動受到限制，因此轉子系統的剛度會增大。正常—緊密是局部徑向摩擦最常見的形式。

正?！蓜幽Σ潦菣C器中松動的表現形式。在這種情況下，轉子通常運轉在約束條件下。在某一時刻（通常由于大幅振動所致），轉子會擺脫約束而進人松動狀態。磨損的軸承或松動的支撐結構會引起正常—松動行為。如果轉子在軸承壁附近正常運轉（由于受到軸承約束，可能在底部附近運轉），并且轉子振動達到能夠動態地使轉子完全脫離軸承約束的程度，則轉子系統的彈簧剛度將減小，從而導致振動響應發生變化。此外，松動的軸承座還會使轉子和軸承抬起或與軸承座失去接觸，從而導致軸承座的剛度突然減小。當轉子在振動周期的某一時刻重新接觸軸承或軸承座結構時，會發生正?！蓜幽Σ痢？諝鈮嚎s機概貌如圖1 所示。

圖1 新鮮空氣壓縮機

2 C2102 空氣壓縮機檢修、運行狀態分析

2011 年11 月1 日C2102 空氣壓縮機機組停機檢修，對高壓缸入口、出口端軸瓦進行檢查、清洗、回裝。經檢修合格后，11 月5 日壓縮機啟機試轉，測得高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y共4 個測點振值最大值為39 μm（二取二，報警值55 μm，聯鎖值66 μm），機組運行正常。

3 月21 日2：03，該機組工藝未做任何調整，高壓缸兩端P2701X/Y 和P2702X/Y 共4 個測點振值均發生突然改變，P2701X/Y 測點振值增大，P2702X/Y 測點振值減小，振值改變前伴隨有輕微波動現象，高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y 測點振動趨勢如圖2 所示。

圖2 高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y 測點振動趨勢

經現場測試診斷，高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y 共4個測點頻率成分均為工頻，高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y測點頻譜如圖3 所示，結合該機組以往檢修及運行情況，通過以上振動數據分析認為引起高壓缸高振動的主要原因是：高壓缸兩端油封處存在輕微磨碰故障、高壓缸入口端軸瓦支撐剛度薄弱（存在瓦間隙不良、預緊力不均、瓦塊質量缺陷等問題）。建議對該機組高壓缸進行解體檢查。

圖3 高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y 測點頻譜

4 月2 日，廠組織檢修人員對高壓缸轉子進行解體檢修，發現高壓缸出口端的油封有一根梳齒脫落立于軸上且變形嚴重，另一根梳齒角部變形，且伴有輕微積碳現象，高壓缸出口端油封損壞如圖4 所示，高壓缸梳齒掉落處與軸磨損如圖5 所示，發現高壓缸入口端軸瓦支撐剛度薄弱（存在瓦間隙不良）。于是檢修人員更換油封，調整高壓缸入口端軸瓦間隙。

圖4 高壓缸出口端油封損壞

圖5 高壓缸梳齒掉落處與軸磨損

2022 年4 月19 日，機組試轉，轉數升至14 794 r/min時，高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y 共4 個測點振值監測到最大振值為26.26 μm，機組運轉正常。充分驗證了高壓缸存在磨碰故障和軸瓦支撐剛度薄弱問題。波動透平驅動端軸瓦檢修前后振值對比見表1，高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y 測點頻譜圖測點頻譜如圖6 所示。

表1 透平驅動端軸瓦檢修前后振值對比

圖6 高壓缸兩端P2701X/Y 與P2702X/Y 測點頻譜圖測點頻譜

3 結束語

對比檢修前后數據，高壓缸兩端端軸瓦振值明顯下降，整體運行情況良好，目前該機組已運行一周，運行參數平穩，無異常。通過對現場大型壓縮機組發生積碳導致的磨碰故障的診斷證明故障診斷技術的有效性。