苯酚裝置離心壓縮機轉子振動(dòng)故障分析
通過(guò)對苯酚丙酮車(chē)間PC-1A離心壓縮機轉子頻繁出現振動(dòng)值超標聯(lián)鎖停車(chē)故障進(jìn)行系統分析，根據振動(dòng)頻譜圖分析主要發(fā)生在工頻，轉子的平衡問(wèn)題應該是振動(dòng)的主要原因，并提出了合理的解決方法，改造后，壓縮機實(shí)現了長(cháng)周期運行，保證了機組正常開(kāi)車(chē)運行，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。
前言
苯酚丙酮車(chē)間PC-1A離心壓縮機采用C3000MX3垂直剖分式離心壓縮機，是苯酚裝置的重要備與重點(diǎn)機組,其用是為氧化工段提供壓縮空氣，因此PC-1A壓縮機的正常運行顯得至關(guān)重要。其性能參數見(jiàn)表1。
表1 PC-1A壓縮機機組主要參數
1、PC-1A 離心式壓縮機的結構和工作原理
PC-1A離心式壓縮機結構如圖1所示。
圖1 轉子結構示意圖
C3000MX3 離心式空氣壓縮機，是一臺由電機驅動(dòng)，單級吸氣，單級排氣的三級壓縮的離心式空氣壓縮機。電機通過(guò)聯(lián)軸節與壓縮機增速箱輸入軸相連，再通過(guò)齒輪增速箱大齒輪帶動(dòng)周邊3個(gè)小齒輪輸出軸，其中一級轉速：18 000r/min，二級轉速：25 000r/min，三級轉速：34 800r/min。三根軸的后端均為徑向止推軸承及五瓣瓦式自動(dòng)調心滑動(dòng)軸承，前端為五瓣瓦式自動(dòng)調心滑動(dòng)軸承。軸封為浮環(huán)式密封。同步電機功率為：2145kW，轉速為：1500r/min。
當被壓縮的氣體通過(guò)安裝在機組上的進(jìn)氣裝置進(jìn)入壓縮機一級壓縮，葉輪給氣體加速，氣體進(jìn)入擴壓器，并將部分速度能轉化為壓力能。機組的中間冷卻器將壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱量帶走，從而提高壓縮效率。氣體在運動(dòng)的低速區通過(guò)不銹鋼水氣分離器，除去其中冷凝水，當氣體被強制通過(guò)不銹鋼分離器后，氣體所帶的水分降低了。這樣的過(guò)程不斷連續重復，直到壓縮機達到了所要求的工作壓力。
2、PC-1A 離心式壓縮機故障及原因分析
2.1、故障描述
2012年4月以來(lái)，機組總是因三級轉子振動(dòng)值超標聯(lián)鎖停車(chē)，在進(jìn)行動(dòng)平衡和清灰除垢處理后，運行周期最長(cháng)6個(gè)月，最短1個(gè)月。2013年8月15日，對機組進(jìn)行解體檢查，發(fā)現如下情況：
(1)機組第一級轉子與擴壓器均有劃痕，且機組的第一、二、三級葉輪積碳嚴重，須表面清洗，如圖2所示。
圖2 機組的第1、2、3 級擴壓器積炭圖
(2)轉子在拆卸過(guò)程中，第三級葉輪螺栓由于原始安裝時(shí)造成的螺紋損傷，以至解體后發(fā)現第三級轉子軸中的內螺紋和葉輪固定螺栓螺紋頭部均呈現咬合損傷。
(3)第三級轉子后部止推軸瓦有明顯的磨損痕跡，如圖3所示。
圖3 機組的第3 級轉子軸與葉輪及止推軸承
2.2、故障分析
通過(guò)對一、二、三級轉子頻譜采集，確認是第三級振動(dòng)引發(fā)連鎖停車(chē)，第三級頻譜圖如4所示。
圖4 第三級轉子振動(dòng)頻譜趨勢圖
經(jīng)過(guò)對試車(chē)時(shí)采集的第三級轉子振動(dòng)頻譜分析，顯示最大峰值在一倍頻，從而確定為第三級轉子振動(dòng)值超標。從圖4的頻譜圖可以看出其振動(dòng)主要發(fā)生在工頻，575×60=34 500。
1)振動(dòng)連鎖停車(chē)的原因分析與主要原因確定
(1)機組軸對中不良，導致轉子振動(dòng)超標。頻譜顯示僅僅第三級振動(dòng)異常，且二倍頻幅值不高，可排除機組找正的原因。
(2)第三級轉子止推瓦磨損,導致振動(dòng)超標。解體檢查的軸承磨損并不嚴重(深度<1μm)，可排除軸承故障。
(3)轉子彎曲導致動(dòng)不平衡。用千分表測量轉子彎曲度，轉子沒(méi)有發(fā)現彎曲，可以排除。
(4)由轉子裝配質(zhì)量原因引起振動(dòng)異常。做完動(dòng)平衡的第三級轉子是葉輪、軸、推力盤(pán)組裝在一起的，每個(gè)零件相對位置都打上記號。由于該機組為垂直剖分，轉子現場(chǎng)回裝須解體，并要嚴格按照原記號安裝，否則會(huì )破壞轉子動(dòng)平衡，而且此振動(dòng)在運行之初便會(huì )產(chǎn)生，所以可以排除。
(5)軸與葉輪配合失效導致動(dòng)不平衡。葉輪與主軸裝配時(shí)，是三段圓弧孔并帶有一定的錐度配合，然后依靠葉輪鎖緊螺栓壓緊葉輪，從而提供一定的壓應力。在壓應力作用下，整套轉子在運行時(shí)會(huì )處于一種穩定的狀態(tài)。葉輪與主軸的裝配精度檢查的結果發(fā)現組裝件中，轉子軸磨損，螺紋損傷，接觸面積僅有20%左右，而轉子軸與葉輪接觸面積應大于80%。所以，葉輪與主軸配合接觸面積小，葉輪與主軸的配合在高速旋轉下，產(chǎn)生了不穩定狀態(tài)，形成高速動(dòng)平衡失效，屬于典型的轉子動(dòng)不平衡，是引起機組振動(dòng)的主要原因。
2)高速動(dòng)不平衡形成的原因分析
(1)靜態(tài)模型。靜態(tài)時(shí)轉動(dòng)軸與葉輪的受力情況，如圖5。轉子處于靜態(tài)時(shí)，從圖5中可以看出，葉輪依靠鎖緊螺栓與轉動(dòng)軸聯(lián)接在一起，此時(shí)依靠螺栓的預緊力Fz克服因過(guò)盈而產(chǎn)生的壓應力，將葉輪與轉動(dòng)軸連接在一起。軸內孔受正壓力FJ2產(chǎn)生彈性變形，螺栓產(chǎn)生的軸向力與壓應力FJ1的軸向分力保持平衡，因螺栓軸向力而產(chǎn)生的垂直于內孔錐面的壓應力造成葉輪三角圓弧錐體段的彈性變形。這時(shí)葉輪與主軸的配合為過(guò)盈配合，其裝配模型如圖6所示。
圖5 靜態(tài)時(shí)轉動(dòng)軸與葉輪的受力情況示意圖
圖6 靜態(tài)時(shí)轉動(dòng)軸與葉輪的過(guò)盈量示意圖
(2)動(dòng)平衡試驗時(shí)模型。當轉子處于動(dòng)平衡轉速時(shí)，轉子周向產(chǎn)生一定的離心力FL2，在離心力的作用下，軸內孔在徑向產(chǎn)生一定的變形量，其變形趨勢如圖7所示。葉輪受力(僅分析與軸配合的部分)在離心力FL1的作用下，葉輪在徑向產(chǎn)生一定的變形量，其變形趨勢如圖8所示。葉輪三角圓弧錐體段與轉動(dòng)軸內孔同時(shí)受離心力的作用，對于轉動(dòng)軸的內孔而言，其變形量在軸向上。對葉輪而言，由于葉輪三段圓弧錐體段靠近葉輪一側受到比較大的離心力，因此葉輪三段圓弧錐體段的變形量不是均布的。動(dòng)平衡試驗時(shí)由于轉速為2400r/min，離心力不足以克服壓應力所造成的過(guò)盈，因此葉輪與轉動(dòng)軸的配合依然存在一定的過(guò)盈量，但是過(guò)盈量已經(jīng)沒(méi)有靜態(tài)時(shí)的過(guò)盈量大，動(dòng)平衡試驗時(shí)葉輪與轉動(dòng)軸的裝配模型如圖9所示。
圖7 動(dòng)平衡試驗時(shí)轉動(dòng)軸內孔變形趨勢示意圖
圖8 動(dòng)平衡試驗時(shí)葉輪變形趨勢示意圖
圖9 動(dòng)平衡試驗時(shí)葉輪與轉動(dòng)軸的過(guò)盈量示意圖
此時(shí)在動(dòng)平衡試驗轉速下，該轉子結構仍然保持穩定，動(dòng)平衡試驗結果為合格。
(3)試機時(shí)模型。當高速旋轉時(shí)，離心力帶來(lái)葉輪、轉子軸的變形大于這一壓緊力所能提供的過(guò)盈量，從而導致了軸和葉輪裝配部位出現部分不接觸，接觸面積偏少，葉輪發(fā)生偏擺，直接體現動(dòng)平衡失效，振動(dòng)值超標機組停車(chē)。如圖10所示。
圖10 試機時(shí)軸和葉輪配合示意圖
3、故障處理措施與效果
(1)對損壞的第三級轉子軸進(jìn)行修復，通過(guò)使用絲錐對轉子軸損壞螺紋進(jìn)行修復；
(2)對葉輪進(jìn)行噴砂處理，清除葉輪表面積碳，提高配合精度；
(3)對第三級轉子軸與葉輪修復后，進(jìn)行動(dòng)平衡校驗，后回裝開(kāi)機，對第三級轉子進(jìn)行狀態(tài)監測，頻譜圖如圖11所示；
圖11 第三級轉子正常狀態(tài)振動(dòng)頻譜圖
(4)通過(guò)頻譜圖可看出，各項數據均符合該機運行正常范圍，到現在設備已運行了12個(gè)月的時(shí)間，設備運轉情況良好。
4、結束語(yǔ)
動(dòng)平衡對高速轉子來(lái)說(shuō)起著(zhù)至關(guān)重要的作用，是壓縮機組能否安全運行的關(guān)鍵。通過(guò)對苯酚丙酮車(chē)間PC-1A空氣壓機轉子頻繁出現動(dòng)值超標聯(lián)鎖停機故障進(jìn)行系統分析，并在綜合分析故障產(chǎn)生原因的基礎之上采取有效的處理措施，改造后，壓縮機組實(shí)現了長(cháng)周期運行，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。
