一拖二空壓機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析與故障處理

孔光躍

（神華鄂爾多斯煤制油公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209）

0 引言

近5年來(lái)隨著國(guó)家煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，煤氣化技術(shù)大量應(yīng)用，為氣化爐提供正常生產(chǎn)所需氧氣的空分（制氧）裝置中壓縮機(jī)組的安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要性凸顯。某公司為殼牌粉煤氣化裝置配套的2套空分裝置50 000 Nm3/h（O2），壓縮機(jī)組全部進(jìn)口，空氣/氮?dú)庠鰤簤嚎s機(jī)組采用一拖二（主空壓機(jī)與增壓機(jī)采用同一臺(tái)超高壓全凝式蒸汽透平驅(qū)動(dòng)）布置，汽輪機(jī)（型號(hào)DK080/170R，額定功率43291 kW，工作轉(zhuǎn)速4597 r/min，蒸汽壓力/溫度9 MPa/530℃），主空壓機(jī)（型號(hào)RIKT125-4）與增壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)（型號(hào)RG45-5）、增速箱（型號(hào)TSQ110SX）分別位于汽輪機(jī)兩側(cè)。

空分裝置進(jìn)口一拖二空壓機(jī)組自從2008年開(kāi)車以來(lái)一直運(yùn)行較平穩(wěn)，但是從2014年開(kāi)始，2套進(jìn)口機(jī)組陸續(xù)在運(yùn)行中出現(xiàn)異常，主要表現(xiàn)為：汽輪機(jī)軸承振動(dòng)高、循環(huán)氮壓機(jī)軸承振動(dòng)超標(biāo)等導(dǎo)致聯(lián)鎖停機(jī)次數(shù)增多，對(duì)生產(chǎn)及機(jī)組安全造成威脅。通過(guò)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行工藝參數(shù)，從振動(dòng)角度對(duì)機(jī)組進(jìn)行了全面的綜合分析，制定了相應(yīng)的治理措施并取得了良好的效果。

1 機(jī)組運(yùn)行狀況

該進(jìn)口機(jī)組2008年開(kāi)車以來(lái)已經(jīng)運(yùn)行6 a沒(méi)有進(jìn)行過(guò)大修。110單元汽輪機(jī)2014年7月21日開(kāi)始，高壓側(cè)VXI1176測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值上升至（30～40）μm 并有上漲趨勢(shì)，之前（18～25）μm；2015年8月30日，該機(jī)組因儀表故障聯(lián)鎖停機(jī)，再次開(kāi)車后汽輪機(jī)振動(dòng)值仍維持較高狀態(tài)，而且出現(xiàn)不定期、無(wú)規(guī)律的異常波動(dòng)。該汽輪機(jī)的4個(gè)軸承振動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)報(bào)警值為60 μm，聯(lián)鎖停機(jī)值為80 μm。2016年5月起，汽輪機(jī)軸承振動(dòng)波動(dòng)時(shí)4個(gè)測(cè)點(diǎn)振幅都有不同程度升高，測(cè)點(diǎn)VXI1176/VXI1179的漲幅較大，VXI1176最高振幅達(dá)到93.7 μm。同時(shí)，該機(jī)組氮壓機(jī)第五級(jí)壓縮機(jī)振動(dòng)也多次發(fā)生超過(guò)報(bào)警值并接近聯(lián)鎖值的情況。

2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷理論

2.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)定義

狀態(tài)監(jiān)測(cè)其實(shí)就是指針對(duì)運(yùn)行設(shè)備可以對(duì)其狀況進(jìn)行連續(xù)測(cè)量的儀器，以及對(duì)設(shè)備過(guò)去和現(xiàn)在狀態(tài)進(jìn)行記錄的技術(shù)，而故障診斷則是指對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況（正常與否）和趨勢(shì)進(jìn)行分析判斷，并且給出相應(yīng)的治理對(duì)策和建議的過(guò)程。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)的最終目的是對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（是否正常運(yùn)行）進(jìn)行判斷，在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)可以實(shí)施停車跳閘、報(bào)警等操作；故障診斷是針對(duì)設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行鑒別，確定其正常情況，在發(fā)現(xiàn)故障后對(duì)其性質(zhì)、發(fā)生位置進(jìn)行確認(rèn)，給出故障起因的同時(shí)對(duì)故障的趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而給出針對(duì)性的排除建議或者方法。

在設(shè)備診斷過(guò)程中，兩個(gè)最為關(guān)鍵的過(guò)程就是狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷，兩者相互區(qū)別又緊密聯(lián)系。針對(duì)靜止或者運(yùn)行的設(shè)備獲取其狀態(tài)信息，在分析、處理這些狀態(tài)信息后再與設(shè)備歷史狀況相結(jié)合，以此對(duì)設(shè)備技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行定量掌控，對(duì)設(shè)備的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，在技術(shù)層面為設(shè)備的運(yùn)行、維修提供支持。

通過(guò)利用多種方法獲取設(shè)備的狀態(tài)信息，當(dāng)下使用較廣泛、普遍的一種方法就是振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷。當(dāng)內(nèi)部出現(xiàn)異常后，機(jī)器便會(huì)發(fā)出異常的聲音和振動(dòng)，其性能也會(huì)受到影響，發(fā)生變化。利用測(cè)量、分析機(jī)械振動(dòng)信息的方法，在不解體甚至不停機(jī)的狀況下便可判斷出設(shè)備出現(xiàn)故障的性質(zhì)，以及劣化的具體位置。振動(dòng)測(cè)技術(shù)與儀器發(fā)展相對(duì)較為成熟，已經(jīng)在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)中得到了廣泛應(yīng)用，創(chuàng)造了較為可觀的效益，備受企業(yè)青睞。

2.2 設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)

對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)易診斷時(shí)，設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)是其中較為關(guān)鍵的一項(xiàng)內(nèi)容。它主要是基于特定的振動(dòng)方法或者標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備所處狀態(tài)進(jìn)行判斷，確保設(shè)備的正常運(yùn)行，同時(shí)也為故障的定位和解決提供支持。設(shè)備振動(dòng)特性存在的差異性較為顯著，所以在相似的運(yùn)行情況下，不同設(shè)備所表現(xiàn)出的振動(dòng)水平差異性也較為明顯。在一臺(tái)設(shè)備上，振動(dòng)水平可能具有較好的效果，然而在其他設(shè)備上可能會(huì)造成嚴(yán)重后果，為此，設(shè)備不同，使用的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)也有所區(qū)別。實(shí)際工作時(shí)可以利用諸多方法實(shí)施和完成設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建，其中趨勢(shì)圖、類比判斷、振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)等方法最為普遍。

2.3 頻域分析方法

通常會(huì)在域中分析和處理信號(hào)，比如頻率、時(shí)間、幅度等，同樣是觀察和分析信號(hào)，但是它們的出發(fā)點(diǎn)和角度有所不同，對(duì)應(yīng)的處理方法分別稱為頻域分析、時(shí)域分析、幅域分析等。為對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行更為及時(shí)準(zhǔn)確的判斷，對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷，首先要對(duì)相關(guān)于設(shè)備狀態(tài)的物理量有一定的了解，特別是其在時(shí)間上表現(xiàn)出的變化規(guī)律。

在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，使用最多的方法是頻域分析法，功率譜、幅值譜是頻譜中最為常見(jiàn)的，前者表示隨著振動(dòng)頻率的變化，振動(dòng)功率所對(duì)應(yīng)的分布情況，有著較為明確的物理意義；后者主要針對(duì)各頻率的諧波，表示其振動(dòng)分量具有的振幅，主要特點(diǎn)是直觀性較強(qiáng)。頻譜分析的作用和目的是正確分解信號(hào)中所包含的各個(gè)頻率成分。設(shè)備故障診斷過(guò)程中，使用最多的一種信號(hào)處理方法是頻譜分析，它以頻譜分析法為基礎(chǔ)。傅氏變換是最常見(jiàn)也是使用最廣泛的變換方法，利用該方法可以方便地分解復(fù)雜信號(hào)，進(jìn)而得到無(wú)限或者有限個(gè)頻率的簡(jiǎn)諧分量，故障信息間存在著較為清晰的關(guān)系。

2.4 設(shè)備故障診斷

設(shè)備故障診斷是指設(shè)備在運(yùn)行中或者在基本不解體設(shè)備的情況下，對(duì)設(shè)備故障的性質(zhì)、原因、部位、程度等進(jìn)行識(shí)別診斷，并提供維修維護(hù)措施。分為簡(jiǎn)易診斷和精密診斷2個(gè)層次簡(jiǎn)易診斷即設(shè)備的“健康檢查”。具體實(shí)施時(shí)，往往監(jiān)測(cè)設(shè)備的某一個(gè)特征量，根據(jù)量值的范圍判斷設(shè)備是正常還是異常。如果對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期或連續(xù)監(jiān)測(cè)，便可以得到一些有規(guī)律的東西，并借此進(jìn)行預(yù)測(cè)或預(yù)報(bào)。簡(jiǎn)易診斷的作用是監(jiān)測(cè)和保護(hù)，目的是對(duì)設(shè)備的狀態(tài)做出迅速而有效的概括和評(píng)價(jià)。精密診斷是在簡(jiǎn)易診斷基礎(chǔ)上更深層次的診斷，通常需要更多的信息，目的是判斷故障的性質(zhì)、原因、部位、程度等，并提供設(shè)備檢修或治理決策。

3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析

該機(jī)組是由曼透平公司提供的由1臺(tái)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)、1臺(tái)單軸主空壓機(jī)和1臺(tái)多軸增壓機(jī)組成。汽輪機(jī)配置了2個(gè)徑向軸承和1個(gè)推力軸承，主空壓機(jī)配置了2個(gè)徑向軸承和1個(gè)推力軸承，增壓機(jī)配置了10個(gè)徑向軸承和2個(gè)推力軸承。軸振動(dòng)、軸位移和鍵相以及增壓機(jī)殼體振動(dòng)由本特利振動(dòng)探頭加派利斯變送器測(cè)量。

3.1 振動(dòng)平穩(wěn)時(shí)振動(dòng)特征

汽輪機(jī)4個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻率以工頻為主，1X、2X工頻值較大（圖1）。

如圖1a所示，汽輪機(jī)1X振動(dòng)通道頻譜中以工頻為主，且較大，存在少量低倍頻成分。

如圖1b所示，汽輪機(jī)1Y振動(dòng)通道頻譜中以工頻為主，存在少量低倍頻成分。

如圖1c所示，汽輪機(jī)2X振動(dòng)通道頻譜中以工頻為主，存在少量低倍頻成分。

如圖1d所示，汽輪機(jī)2Y振動(dòng)通道頻譜中以工頻為主，存在少量低倍頻成分。

從圖2波形圖中可以看出，汽輪機(jī)波形中存在毛刺。從圖3軸心軌跡圖中可以看出，汽輪機(jī)高壓側(cè)軸心軌跡重復(fù)性不好。

3.2 振動(dòng)增大時(shí)振動(dòng)特征

從圖4中可以看出，汽輪機(jī)4個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻率以工頻為主大，測(cè)點(diǎn)1X、2X工頻值較大。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，34.18 Hz頻率（0.45倍頻）增大明顯，工頻也有所上漲。

從圖4a中可以看出，汽輪機(jī)1X振動(dòng)通道頻譜中以工頻為主，且較大，存在少量低倍頻成分。對(duì)比圖1發(fā)現(xiàn)34.18 Hz頻率（0.45倍頻）增大明顯，工頻也有明顯上漲。

從圖4b中可以看出，汽輪機(jī)1Y振動(dòng)通道頻譜中以工頻為主，存在少量低倍頻成分。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，34.18 Hz頻率（0.45倍頻）增大明顯，工頻也有明顯上漲。

圖1 振動(dòng)平穩(wěn)時(shí)4個(gè)測(cè)點(diǎn)頻譜

從圖4c可以看出，汽輪機(jī)2X振動(dòng)通道頻譜中以工頻為主，且工頻較大，存在少量低倍頻成分。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，34.18 Hz頻率（0.45倍頻）增大明顯，工頻也有明顯上漲。

從圖4d中可以看出，汽輪機(jī)2Y振動(dòng)通道頻譜中以工頻為主，存在少量低倍頻成分。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，34.18 Hz頻率（0.45倍頻）增大明顯，工頻也有明顯上漲。

從波形圖中可以看出，汽輪機(jī)振動(dòng)通道波形中存在毛刺（圖5）。從軸心軌跡圖可以看出，汽輪機(jī)高低壓側(cè)軸心軌跡重復(fù)性不好（圖6）。

圖2 振動(dòng)平穩(wěn)時(shí)通道波形

圖3 振動(dòng)平穩(wěn)時(shí)低壓側(cè)軸心軌跡

4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析結(jié)論

通過(guò)以上分析，可得出如下結(jié)論：

（1）觀察現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)的波動(dòng)有很強(qiáng)的規(guī)律性，并且波動(dòng)幅度比較大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)趨勢(shì)特征，初步排除汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子本身不平衡所導(dǎo)致振動(dòng)波動(dòng)。

（2）在測(cè)試過(guò)程中，振幅值有近10 μm的波動(dòng)。通過(guò)頻譜對(duì)比觀察，引起振動(dòng)的頻率由34.18 Hz（0.45倍頻）低頻及工頻共同作用引起。

（3）通過(guò)觀察波形圖發(fā)現(xiàn)，4個(gè)通道的波形圖中均存在一定毛刺現(xiàn)象，甚至存在削波情況。根據(jù)這一特征，懷疑汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間存在一定的碰摩現(xiàn)象。

（4）觀察測(cè)試中的軸心軌跡發(fā)現(xiàn)，軸心軌跡重復(fù)性差，懷疑汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子持續(xù)受到外部激振力擾動(dòng)，可能存在摩擦力。

（5）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況并結(jié)合測(cè)試頻譜分析，初步懷疑汽輪機(jī)振動(dòng)突跳主要與轉(zhuǎn)子受到摩擦力擾動(dòng)有關(guān)。由于該汽輪機(jī)運(yùn)行已經(jīng)有8 a，懷疑在汽輪機(jī)各汽封間隙較小處存在污垢、油煙等積累，導(dǎo)致動(dòng)靜部件間隙變小，出現(xiàn)間歇性的摩擦現(xiàn)象。摩擦導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部受熱，形成局部熱彎曲，以致在頻譜中出現(xiàn)低頻及工頻成分增大的現(xiàn)象。當(dāng)振動(dòng)達(dá)到一定值，積累的污垢減少，間隙變大在汽輪機(jī)未進(jìn)行任何調(diào)整的情況下，振值自動(dòng)恢復(fù)原態(tài)。

圖4 振動(dòng)增大時(shí)4個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜

圖5 振動(dòng)增大時(shí)通道波形

圖6 振動(dòng)增大時(shí)軸心軌跡

（6）盡快做好檢修計(jì)劃，對(duì)汽輪機(jī)內(nèi)部的間隙進(jìn)行檢查，同時(shí)由于轉(zhuǎn)子的工頻能量比較大，對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動(dòng)平衡，以保證長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

（7）氮壓機(jī)第5級(jí)軸振動(dòng)的原因是不平衡引起。大修期間對(duì)第4、第5級(jí)轉(zhuǎn)子及葉輪進(jìn)行高速動(dòng)平衡。

5 故障處理

5.1 拆檢情況

由于全廠停工給空分裝置檢修時(shí)間有限，同時(shí)為節(jié)省外商現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)費(fèi)用，結(jié)合振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析的結(jié)論，制定了明確、有針對(duì)性的檢修計(jì)劃：對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和氮壓機(jī)高速動(dòng)平衡；檢查軸瓦磨損；復(fù)查機(jī)組同心度。

5.1.1 汽輪機(jī)部分

2016年9月20日12：58，110單元停工。9月26日開(kāi)始拆檢汽輪機(jī)，拆除內(nèi)缸后進(jìn)行全面的檢查情況如下。

（1）汽輪機(jī)末級(jí)配重塊有沖蝕，成齒形缺失

（2）4#進(jìn)汽筒上部的第一層密封環(huán)沖蝕嚴(yán)重，部分已缺失。

（3）低壓側(cè)軸封處的汽封片較多存在歪、倒的現(xiàn)象，高壓側(cè)軸封處汽封片較好。

（4） 低壓側(cè)軸承箱油封上集聚大量油污，與軸有摩擦痕跡（圖 7）。

（5）沖動(dòng)級(jí)后轉(zhuǎn)子及定子上的汽封片損傷、脫落的較嚴(yán)重，其余各級(jí)及平衡鼓處的汽封片較好（圖8）。

（6）汽輪機(jī)動(dòng)、靜葉片結(jié)垢普遍（圖9）。

（7）汽輪機(jī)高、低壓側(cè)徑向瓦情況較好，付推力瓦及主推力瓦下半部分瓦塊較好，但主推瓦上半部分6塊瓦局部有發(fā)黑現(xiàn)象，初步判斷是因局部高溫輕微積碳引起。

圖7 油封油泥聚集

圖8 沖動(dòng)級(jí)后轉(zhuǎn)子汽封片

圖9 汽輪機(jī)葉片結(jié)垢

5.2 修理及更換情況

（1）汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子外送做高速動(dòng)平衡。轉(zhuǎn)子上更換了5道損壞的汽封片（一級(jí)后3道、二級(jí)和三級(jí)后各1道），清理積垢。10月9日，轉(zhuǎn)子及內(nèi)缸到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)回裝。

（2）更換汽輪機(jī)高壓缸沖動(dòng)級(jí)后的3道汽封片。

（3）更換轉(zhuǎn)子末級(jí)被沖蝕的動(dòng)平衡塊。

（4）更換轉(zhuǎn)子盤車齒輪。

（5）清理低壓側(cè)油封處積聚的油泥等雜物，按標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整油封間隙。

（6）其余部件按照常規(guī)檢修進(jìn)行。

5.3 檢修后運(yùn)行

110單元一拖二機(jī)組于10月19日13∶55，汽輪機(jī)開(kāi)機(jī)，汽輪機(jī)各軸承部位振動(dòng)值在17 μm左右，第4、第5級(jí)氮壓機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)值在10 μm左右。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)空壓機(jī)組的振動(dòng)頻率分析，結(jié)合機(jī)組使用的年限，初步判斷汽輪機(jī)振動(dòng)突跳主要與轉(zhuǎn)子受到摩擦力擾動(dòng)有關(guān)。再通過(guò)拆檢檢修，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)部分和增壓機(jī)部分多處存在摩擦嚴(yán)重、閉合不好的情況，經(jīng)處理，機(jī)組的振動(dòng)情況有了明顯的下降，取得了明顯的效果。上述故障經(jīng)正確處理后，保障了機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行，是一個(gè)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)和振動(dòng)分析方法對(duì)機(jī)組進(jìn)行數(shù)字化管理和指導(dǎo)檢修的成功案例。