利用在線監(jiān)測系統(tǒng)精確診斷壓縮機摩碰故障

譚興斌

（中國石油遼陽石化公司機動設(shè)備處設(shè)備監(jiān)測中心，遼寧遼陽 111003）

0 引言

石化企業(yè)工藝復(fù)雜，設(shè)備繁多。隨著旋轉(zhuǎn)機械向智能化，高速化發(fā)展，設(shè)備的精密度越來越高，價格也愈發(fā)昂貴。一旦旋轉(zhuǎn)機械發(fā)生故障，不但影響企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)，甚至帶來難以估量的經(jīng)濟損失。遠(yuǎn)程實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)，為精確診斷機組故障提供了強大的數(shù)據(jù)支持，為制定科學(xué)合理的檢維修方案提供了依據(jù)。旋轉(zhuǎn)機械在運行過程中，因機械受力和動剛度的變化，會出現(xiàn)如不平衡、不對中、摩碰、流體失穩(wěn)等故障現(xiàn)象。下面具體介紹如何通過在線監(jiān)測系統(tǒng)精確診斷壓縮機摩碰故障，為設(shè)備管理人員進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機械故障診斷提供參考。

1 摩碰故障概述

摩碰故障是一個復(fù)雜的非線性動力學(xué)過程，是轉(zhuǎn)子與靜止部件（如密封）由于間隙調(diào)整問題或者轉(zhuǎn)子自身的彎曲、平衡、熱脹以及氣體激勵，造成轉(zhuǎn)子失穩(wěn)而產(chǎn)生比較大的振動，致使轉(zhuǎn)子與靜止部件發(fā)生碰撞摩擦（圖1）。根據(jù)摩碰時轉(zhuǎn)子和靜止部件接觸情況，轉(zhuǎn)子摩碰大致有局部摩碰和整周摩碰兩種形式。一般的轉(zhuǎn)子摩碰從局部摩碰開始，當(dāng)摩碰比較輕微的時候，轉(zhuǎn)子與靜止部件的接觸不是完全連續(xù)的，而是瞬間的（可以反復(fù)出現(xiàn)）。若靜止部件（如密封）材料相對較軟時,一般造成靜止部件的磨損，當(dāng)這種摩碰不足以改變轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)的時候，動靜部件又脫離接觸。如果接觸程度嚴(yán)重，到了足以改變轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)的地步，將可能發(fā)生動靜部件充分接觸，使得轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)剛性變化增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，進(jìn)而產(chǎn)生動靜部件整周摩碰，機組振動急劇加大，運行狀態(tài)將無法控制，直接威脅整個生產(chǎn)裝置的安穩(wěn)運行。

圖1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摩碰示意

在旋轉(zhuǎn)機械開機和停機過程，空載和負(fù)載過程中，都會發(fā)生摩碰故障。其嚴(yán)重性取決于哪些部件互相接觸、這些部件的材料組成、引起摩碰的轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)子與靜止部件的結(jié)構(gòu)硬度、以及沖擊速度本身。

摩碰導(dǎo)致的振動多數(shù)情況下不具有規(guī)律性，可能是突發(fā)的振動現(xiàn)象，也可能是長期無規(guī)律的振動波動。如果不及時處理，就會發(fā)展為更嚴(yán)重的摩碰故障，進(jìn)而因摩擦發(fā)熱導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸彎曲事故。

摩碰故障的發(fā)生，給機組的平穩(wěn)運行帶來極大的安全隱患。利用機組的振動信號準(zhǔn)確地診斷機組摩碰故障，就有必要掌握旋轉(zhuǎn)機械摩碰故障的振動特征。

2 摩碰故障特征

2.1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摩碰的一般特征

（1）當(dāng)發(fā)生摩碰時，轉(zhuǎn)子的剛度會改變，并因此在摩碰中改變轉(zhuǎn)子的固有頻率。

（2）摩碰會導(dǎo)致局部磨損和變形，這取決于碰撞的角度和沖擊速度。

（3）摩碰不僅會產(chǎn)生大的作用力，還會產(chǎn)生高扭矩，并立刻影響到電氣特征，有時會導(dǎo)致電流的增大。

（4）當(dāng)發(fā)生摩碰時，摩碰會對抗軸的旋轉(zhuǎn)。這個大摩擦力甚至?xí)a(chǎn)生向后的渦動，即“反進(jìn)動”。

（5）摩碰會造成功耗上升和效率下降，同時局部會有溫升，因此工藝參數(shù)對轉(zhuǎn)子與靜止部件摩碰的故障診斷非常重要。

（6）軸心軌跡圖在診斷摩碰時也非常有幫助。

（7）局部摩碰通常先于整周摩碰發(fā)生。

2.2 局部摩碰的振動特征

（1）發(fā)生局部摩碰時，時域波形呈輕微的削波現(xiàn)象。

（2）振動頻率成分會出現(xiàn)1/n 倍頻及n 倍頻，并伴隨1 倍頻成分。

（3）振動的方向主要是徑向，且振動值波動明顯。

（4）軸心軌跡圖紊亂，轉(zhuǎn)子進(jìn)動方向為反進(jìn)動。

（5）振動時，相位出現(xiàn)反向位移。

2.3 整周摩碰的振動特征

（1）整周摩碰的特征就是1 倍轉(zhuǎn)速頻率的反進(jìn)動，而不平衡會產(chǎn)生正進(jìn)動，它在轉(zhuǎn)子與接觸表面系統(tǒng)的固有頻率下發(fā)生。

（2）另一種整周摩碰是以1 倍轉(zhuǎn)速頻率的響應(yīng)為主，并伴有一些較低幅值的轉(zhuǎn)速諧波。

（3）由于整周摩碰時摩擦連續(xù)不斷，因此會產(chǎn)生非線性響應(yīng)，即產(chǎn)生很多轉(zhuǎn)速諧波。

（4）整周摩碰的振動幅值取決于軸承間隙與系統(tǒng)阻尼。

（5）振動的方向主要是徑向，且振動值波動明顯。

（6）軸心軌跡圖紊亂，轉(zhuǎn)子進(jìn)動方向反進(jìn)動。

（7）振動時，相位出現(xiàn)反向位移，跳動和突變。

3 摩碰故障診斷實例

3.1 故障描述

某石化企業(yè)200 萬噸/年加氫精制裝置C9101 壓縮機（圖2）自2020 年6 月起透平端1H、1V、2H、2V 四個測點振動值出現(xiàn)波動，且波動頻次、幅值不規(guī)律。利用在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到2H、2V 測點最大振值分別為47.5 μm、32.1 μm（報警值為50 μm）。車間針對此情況，特制訂了監(jiān)護(hù)運行方案及應(yīng)急預(yù)案。

圖2 機組概貌

3.2 診斷分析

C9101 壓縮機組透平兩端測點振值出現(xiàn)無規(guī)律頻繁波動，具體現(xiàn)象表現(xiàn)為：機組振值出現(xiàn)波動時，透平驅(qū)動端測點振值升高，非驅(qū)動端測點振值下降，波動結(jié)束后，振值能恢復(fù)至波動前狀態(tài)（圖3、圖4）。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)2H、2V測點頻率成分以工頻占主導(dǎo)，伴有少量的分頻及高頻成分（圖5、圖6）。振值波動升高時，工頻成分增長顯著，一倍頻相位發(fā)生變化，時域波形存在較明顯削波現(xiàn)象（圖7、圖8），軸心軌跡反進(jìn)動（圖9）。通過相關(guān)在線圖譜，綜合分析認(rèn)為該機組存在局部摩碰故障。

圖3 1H、1V 測點振動趨勢

圖4 2H、2V 測點振動趨勢

圖5 2H 測點頻譜

圖6 2V 測點頻譜

圖7 2H 測點波形

圖8 2V 測點波形

圖9 透平驅(qū)動端軸心軌跡

3.3 檢修反饋

2021 年3 月21 日，該機組進(jìn)行窗口檢修，機組解體后，發(fā)現(xiàn)透平驅(qū)動端氣封處蒸汽結(jié)垢，運行的轉(zhuǎn)子與凸起的垢層發(fā)生局部摩碰故障（圖10）。垢層磨平后，局部摩碰消失，待垢層積聚并凸起后，又出現(xiàn)新一輪的摩碰。如此不斷反復(fù)，振值也起伏波動。

圖10 局部摩碰故障部位

4 結(jié)論

摩碰故障是機組運行中的常見故障，該類故障診斷的關(guān)鍵點是根據(jù)故障特征進(jìn)行綜合判斷。利用在線監(jiān)測系統(tǒng)對該類故障進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷時，可以從波形、頻譜、軸心軌跡等多個角度展開分析，以達(dá)到精確診斷的目的，從而不斷提高旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷水平。