空壓機高壓缸軸振動異常的原因分析與處理

趙 飛，李新凱，張 沖

（中石油塔里木油田分公司塔西南勘探開發(fā)公司煉油化工廠，新疆澤普 844804）

1 概 述

中石油塔里木油田分公司塔西南勘探開發(fā)公司煉油化工廠合成氨裝置配套工藝空氣壓縮機（101-J，簡稱空壓機）是由1臺透平 （101-JT）驅動的兩缸四段離心式壓縮機，機組由低壓缸（2MCL605）、增 速 箱 （25HS）、高 壓 缸（2MCL357，高壓缸簡圖見圖1）組成，并通過膜片聯軸器串聯而成；空壓機高壓缸、低壓缸與增速箱安裝在1個公用底座上；段間設置有3臺循環(huán)水冷卻器 （101-JC1／JC2／JC3，浮頭換熱器）和 3臺液滴分離器 （147-F／148-F／149-F）。

空壓機主要性能參數如下：一段流量33091 kg／h，一段入口溫度32℃、入口壓力83.4kPa；四段出口溫度197℃、出口壓力3651kPa；功率4960kW；低壓缸主軸轉速9735r／min，低壓缸臨界轉速 （一階／二階）3321／12289r／min；高壓缸進口流量108m3／min，高壓缸主軸轉速14691r／min，高壓缸臨界轉速 （一階／二階）5359／21668r／min，速比1.509。

101-J屬離心式壓縮機 （具有喘振特性），有2路防喘振設置：一路由101-J低壓缸出口引出1條放空管線，由HV-23控制；另一路由101-J高壓缸出口引出1條放空管線，由FV-4控制 （FV-4還具有調節(jié)合成氣氫氮比的作用）。

圖1 空壓機高壓缸簡圖

2 空壓機檢修及運行情況

2.1 空壓機近幾年檢修和運行情況

空壓機按照每4a大修1次、每2a項修1次的原則開展檢修維護工作。2014—2016年，空壓機高壓缸進行了1次大修和1次項修作業(yè)：2014年9月裝置停工檢修，空壓機進行開缸大修，檢修后開車機組運行正常；2016年對高、低壓缸軸瓦進行檢查，復查對中。2014—2016年期間空壓機共經歷2次冬季長停，分別是2014年12月底—2015年5月和2015年12月17日—2016年3月15日，長停期間堅持按每半月對機組進行充氮吹掃和保護、每周啟動潤滑油泵1次、機組潤滑后盤車的要求進行維護。

2.2 2016年復工檢修和開機情況

2016年3月中旬，合成氨裝置進行復工檢修，空壓機高壓缸進行了項修，主要檢查測量了空壓機各部位軸承間隙、瓦背緊力、轉子竄量，并對軸瓦磨損、轉子軸頸和止推盤等進行了檢查。項修完成后，共開機5次，具體情況如下。

第1次開機 （2016年5月23日），二段爐吹灰，空壓機高壓缸轉速8700r／min左右，運行約3h；每次吹灰過程高壓缸軸振值有波動，整體呈上漲趨勢，整個吹灰過程中XE-0109（軸振值測點，見圖1；下同）由20μm逐漸漲至40μm，期間最大振值為83μm（機組軸振動報警值69μm、聯鎖值115μm）。

第2次開機 （2016年5月26日），一段爐進行氮氣升溫，空壓機高壓缸轉速8000r／min，運行12h，過程中空壓機高壓缸振值較穩(wěn)定，XE-0109最大值為23μm。

第3次開機 （2016年 5月 27日 01：20—04：18），運行3h，空壓機高壓缸轉速達9095 r／min時因振值高聯鎖停機，停機后機組未作檢修，待下一次開機觀察跳車原因。

第4次開機 （2016年 5月 27日 04：40—08：20），空壓機高壓缸轉速升至 9035r／min，因振動大，降轉速至8300r／min后軸振值XE-0109維持在54μm左右，相對較穩(wěn)。經分析后，停機檢查段間入口空氣過濾器、防喘閥，防喘閥無異物堵塞，狀態(tài)正常；入口空氣過濾器內有異物，進行清理；檢查期間還發(fā)現二段段間冷卻器（101-JC2）浮頭側積水較多，加強了排水。

第5次開機 （2016年 5月 27日 16：28—18：42），空壓機高壓缸轉速升至 8900r／min，XE-0109漲至 106μm，降轉速至 8300r／min，XE-0109降至45μm，其后提高轉速軸振值即上漲。于是決定停機檢查南側徑向軸瓦 （簡稱南側瓦）、北側徑向軸瓦 （簡稱北側瓦）。

3 空壓機高壓缸的檢修情況

第1次停機檢查：北側瓦背有0.01mm間隙，調整至0.02mm過盈量，北側徑向瓦沿軸向有約50%瓦接觸不好，瓦面右半邊有摩擦痕跡，于是更換徑向瓦1付，檢查瓦面與軸的接觸情況，調整使之與軸接觸均勻，更換調整后軸瓦間隙為0.14mm，瓦背過盈量為0.02mm；檢查南側瓦，一切正常，沒有發(fā)現問題。

第1次停機檢查完成后，第6次開機 （2016年5月28日 10：30—16：30），空壓機高壓缸轉速升至9000r／min，軸振值 XE-0109和 XE-0110分別在43μm和56μm，緩慢將機組提壓升速，最高提到9600r／min、壓力3269kPa，XE-0109、XE-0110、XE-0111、XE-0112分別達到53μm、68μm、29μm、30μm。經討論認為，機組當前這種狀況無法滿足夏季滿負荷運行需要，決定再次檢查瓦背過盈、瓦間隙，并復查對中情況。

第2次停機檢查：復查對中正常；北側瓦背又存在間隙，修整瓦背接觸，將瓦背過盈調整合適，徑向瓦間隙超差0.01mm，再次更換徑向瓦1付；檢查南側瓦，一切正常。

第2次停機檢查完成后，第7次開機 （2016年5月29日 18：36—23：15），空壓機高壓缸轉速升至9000r／min，振值波動較大，降轉速至8500r／min，XE-0109和 XE-0110為 48μm和49μm。經討論認為，轉子可能存在不平衡。于是決定停機，高壓缸大修更換備用轉子，換下的轉子緊急返廠維修和做高速動平衡試驗。

第3次停機檢查：復查對中正常；北側瓦背緊力多次測量不一致，檢查軸承體與軸承座接觸情況，其下部有點空，更換軸承體后，檢查接觸，緊力正常；高壓缸開缸后發(fā)現銹跡較多，轉子葉流道銹蝕結垢較多，兩側汽封處污垢較多，高壓缸轉子跳動正常，三段后兩級葉輪背面靠軸徑銹垢顆粒較粗，高壓缸兩端軸端汽封凹渦內油泥和結垢較多 （機組平衡管由此引出）。更換備用轉子和轉子上帶的輪轂，聯軸器成套使用，轉子跳動正常。

第3次停機大修更換高壓缸轉子后，第8次開機 （2016年6月2日05：50—11：00），空壓機高壓缸轉速升至9400r／min、壓力最高提至3.3 MPa，軸振值波動大，聯鎖停機。

第4次停機檢查：再次檢查瓦間隙及瓦背緊力，將瓦背過盈量調整到0.04mm，軸瓦間隙正常。

第4次停機檢查完成后，第9次開機 （2016年6月2日23：20），空壓機高壓缸轉速升至9300 r／min；6月3日10：00，緩慢提壓至2.9MPa，軸振值XE-0109和XE-0110為49μm和52μm，試著向二段爐配空氣，裝置低負荷運行。

緊急返廠維修轉子運回現場后，安排第5次高壓缸大修：復查對中正常，北側徑向瓦間隙0.17mm，發(fā)現中分面上又有銹跡；更換上經緊急返廠維修并完成高速動平衡試驗的轉子后，再次更換北側徑向瓦1付，瓦背過盈量0.02mm，重新對中，達到要求。

4 空壓機高壓缸軸振動異常的原因排查

為查找空壓機高壓缸軸振動異常的原因，主要從檢修裝配質量、設備檔案、轉子系統對中、轉子運行情況、振動檢測探頭、操作變動等方面逐一進行分析與排查。

（1）據高壓缸軸兩側軸振值同時波動且均呈增大的態(tài)勢，以及兩側振動檢測探頭基本上不可能同時發(fā)生故障的分析，我們認為儀表探頭應該沒有問題。

（2）經查設備檔案，近幾年機組未發(fā)生過喘振，機組因發(fā)生喘振導致高壓缸軸振值高的可能性基本上可以排除。

（3）針對是否因操作變動引起高壓缸軸振值高的可能，分析認為，本次檢修后二段爐吹灰流程由原來的由二段爐入口閥控制改為由空壓機出口MOV-6開關控制，而空壓機出口到MOV-6開關的管線距離較短，短時間內間斷開關閥門的吹灰方式可能對機組的運行造成一定的影響，使得每次吹灰時空壓機高壓缸軸振值都有波動。

（4）通過2次停機檢查軸瓦間隙、瓦背緊力、軸系對中、轉子揚度、軸頸跳動及瓦座口、瓦座與瓦架接觸情況，對懷疑可能存在問題的部位進行重點檢查，通過調整修研或備件更換，裝配數據均達到了設計要求，故排除檢修裝配質量不良而造成高壓缸軸振值高的可能。

針對上述多次反復檢修 （包括更換備用高壓缸轉子）未能解決空壓機高壓缸軸振值高的問題，我們結合大機組狀態(tài)監(jiān)測系統、多次開停機狀況以及振動分析儀提供的振動波形和頻譜進行分析。

每一種引發(fā)異常振動的故障源都會產生一定頻率的振動，據振動信號的頻率組成，可以很快排除一批不可能出現的故障：①油膜渦動的振動頻率為 （0.42～0.48）×RPM（RPM指轉子轉速，r／min），油膜渦動的振動頻率為轉子一階臨界轉速頻率，振幅不穩(wěn)定；②轉子與固定部件之間的摩擦激發(fā)較寬頻帶的振動，可能包括基頻、倍頻、次諧波、轉子零部件固有頻率；③轉子組件松動的振動頻率以基頻為主，可能伴有倍頻或1／2×RPM、1／3×RPM等分數倍頻，其幅值不穩(wěn)定；④不對中不但影響基頻振動，還可引起2倍頻及其他高倍頻振動；⑤轉子裂紋引起的2倍頻振動，水平方向和垂直方向的振幅大小相近——通過轉子探傷予以排除。

通過故障振動分析儀提供的振動波形和頻譜，高壓缸振動頻譜主要是1X頻，其他頻率成分較少，由此排除油膜渦動／振蕩、轉子與固定部件之間摩擦、基礎松動、軸承工作不良 （間隙、緊力、接觸、搖擺、油檔等）、對中不良等因素。

排除上述因素后，引起空壓機高壓缸軸振值高的可能原因還有：①轉子不平衡，引起基頻振動，徑向水平和垂直兩個方向的振幅同時加大；②高壓缸兩端軸端汽封凹渦內油泥和結垢較多，導致氣流激蕩；③二段爐吹灰方案不嚴謹，對機組的安全運行造成影響；④二段段間冷卻器 （101-JC2）浮頭側積水較多，對機組安全運行造成影響；⑤ 第1次更換的備用轉子，其自身高速動平衡方面存在問題。

再結合轉子返廠檢修后的情況來看，我們認為空壓機高壓缸軸振動異常的主要原因是：冬季長停期間和開車過程中轉子被污染結垢，引起轉子動不平衡，而轉子上的附著物 （鐵銹顆粒）并不是很牢固且不均勻，造成運轉時轉子處于不平衡狀態(tài)。

5 事故教訓和整改建議

5.1 事故教訓

（1）對出現的新問題，我們缺乏前瞻性的思考及改進。例如：如何對空壓機系統的碳鋼管道、分離器、換熱器進行保護，使空壓機系統始終在氮氣保護之下不生銹，這需要后期進行一些改造；在不進行改造的情況下，需要探究如何預防空壓機系統管線、分離器、換熱器的結垢、生銹問題。

（2）工藝方案不嚴謹，現場操作細節(jié)和關鍵操作步驟掌控不足。如二段爐吹灰方案，必須加以改進。

（3）關鍵零部件委外維修時駐廠監(jiān)造和質量確認不到位。

（4）本次更換轉子過程中，可能存在因輪轂和聯軸器未配套使用而引起的轉子不平衡問題；另外，日常在聯軸器、緊固螺栓等細節(jié)管理方面存在重視不足等問題。

5.2 整改建議

（1）優(yōu)化空壓機檢修后的試車思路。在現有吹灰流程下，當機組檢修好以后，將機組試機到額定轉速，以鑒定檢修質量。

（2）開展空壓機附屬設備防腐研究工作，選擇合適的空壓機附屬設備內防腐技術，并進行局部試驗，成熟后擇機實施。

（3）加強開車過程的監(jiān)督和檢查，加強現場操作細節(jié)管理，嚴格操作變動管理。

（4）專題深入研究裝置長停機組系統的保護問題。

（5）空壓機段間冷卻器浮頭側排放管線增設疏水器，以便及時排出工藝空氣中的水。