苯酚裝置離心壓縮機轉(zhuǎn)子振動故障分析
通過對苯酚丙酮車間PC-1A離心壓縮機轉(zhuǎn)子頻繁出現(xiàn)振動值超標聯(lián)鎖停車故障進行系統(tǒng)分析，根據(jù)振動頻譜圖分析主要發(fā)生在工頻，轉(zhuǎn)子的平衡問題應該是振動的主要原因，并提出了合理的解決方法，改造后，壓縮機實現(xiàn)了長周期運行，保證了機組正常開車運行，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
前言
苯酚丙酮車間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(shù)見表1。
表1 PC-1A壓縮機機組主要參數(shù)
1、PC-1A 離心式壓縮機的結(jié)構(gòu)和工作原理
PC-1A離心式壓縮機結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖
C3000MX3 離心式空氣壓縮機，是一臺由電機驅(qū)動，單級吸氣，單級排氣的三級壓縮的離心式空氣壓縮機。電機通過聯(lián)軸節(jié)與壓縮機增速箱輸入軸相連，再通過齒輪增速箱大齒輪帶動周邊3個小齒輪輸出軸，其中一級轉(zhuǎn)速：18 000r/min，二級轉(zhuǎn)速：25 000r/min，三級轉(zhuǎn)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調(diào)心滑動軸承，前端為五瓣瓦式自動調(diào)心滑動軸承。軸封為浮環(huán)式密封。同步電機功率為：2145kW，轉(zhuǎn)速為：1500r/min。
當被壓縮的氣體通過安裝在機組上的進氣裝置進入壓縮機一級壓縮，葉輪給氣體加速，氣體進入擴壓器，并將部分速度能轉(zhuǎn)化為壓力能。機組的中間冷卻器將壓縮過程中產(chǎn)生的熱量帶走，從而提高壓縮效率。氣體在運動的低速區(qū)通過不銹鋼水氣分離器，除去其中冷凝水，當氣體被強制通過不銹鋼分離器后，氣體所帶的水分降低了。這樣的過程不斷連續(xù)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，機組總是因三級轉(zhuǎn)子振動值超標聯(lián)鎖停車，在進行動平衡和清灰除垢處理后，運行周期最長6個月，最短1個月。2013年8月15日，對機組進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)如下情況：
(1)機組第一級轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子在拆卸過程中，第三級葉輪螺栓由于原始安裝時造成的螺紋損傷，以至解體后發(fā)現(xiàn)第三級轉(zhuǎn)子軸中的內(nèi)螺紋和葉輪固定螺栓螺紋頭部均呈現(xiàn)咬合損傷。
(3)第三級轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸與葉輪及止推軸承
2.2、故障分析
通過對一、二、三級轉(zhuǎn)子頻譜采集，確認是第三級振動引發(fā)連鎖停車，第三級頻譜圖如4所示。
圖4 第三級轉(zhuǎn)子振動頻譜趨勢圖
經(jīng)過對試車時采集的第三級轉(zhuǎn)子振動頻譜分析，顯示最大峰值在一倍頻，從而確定為第三級轉(zhuǎn)子振動值超標。從圖4的頻譜圖可以看出其振動主要發(fā)生在工頻，575×60=34 500。
1)振動連鎖停車的原因分析與主要原因確定
(1)機組軸對中不良，導致轉(zhuǎn)子振動超標。頻譜顯示僅僅第三級振動異常，且二倍頻幅值不高，可排除機組找正的原因。
(2)第三級轉(zhuǎn)子止推瓦磨損,導致振動超標。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(zhuǎn)子彎曲導致動不平衡。用千分表測量轉(zhuǎn)子彎曲度，轉(zhuǎn)子沒有發(fā)現(xiàn)彎曲，可以排除。
(4)由轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量原因引起振動異常。做完動平衡的第三級轉(zhuǎn)子是葉輪、軸、推力盤組裝在一起的，每個零件相對位置都打上記號。由于該機組為垂直剖分，轉(zhuǎn)子現(xiàn)場回裝須解體，并要嚴格按照原記號安裝，否則會破壞轉(zhuǎn)子動平衡，而且此振動在運行之初便會產(chǎn)生，所以可以排除。
(5)軸與葉輪配合失效導致動不平衡。葉輪與主軸裝配時，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(zhuǎn)子在運行時會處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。葉輪與主軸的裝配精度檢查的結(jié)果發(fā)現(xiàn)組裝件中，轉(zhuǎn)子軸磨損，螺紋損傷，接觸面積僅有20%左右，而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)下，產(chǎn)生了不穩(wěn)定狀態(tài)，形成高速動平衡失效，屬于典型的轉(zhuǎn)子動不平衡，是引起機組振動的主要原因。
2)高速動不平衡形成的原因分析
(1)靜態(tài)模型。靜態(tài)時轉(zhuǎn)動軸與葉輪的受力情況，如圖5。轉(zhuǎn)子處于靜態(tài)時，從圖5中可以看出，葉輪依靠鎖緊螺栓與轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接在一起，此時依靠螺栓的預緊力Fz克服因過盈而產(chǎn)生的壓應力，將葉輪與轉(zhuǎn)動軸連接在一起。軸內(nèi)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(nèi)孔錐面的壓應力造成葉輪三角圓弧錐體段的彈性變形。這時葉輪與主軸的配合為過盈配合，其裝配模型如圖6所示。
圖5 靜態(tài)時轉(zhuǎn)動軸與葉輪的受力情況示意圖
圖6 靜態(tài)時轉(zhuǎn)動軸與葉輪的過盈量示意圖
(2)動平衡試驗時模型。當轉(zhuǎn)子處于動平衡轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子周向產(chǎn)生一定的離心力FL2，在離心力的作用下，軸內(nèi)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(zhuǎn)動軸內(nèi)孔同時受離心力的作用，對于轉(zhuǎn)動軸的內(nèi)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(cè)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。動平衡試驗時由于轉(zhuǎn)速為2400r/min，離心力不足以克服壓應力所造成的過盈，因此葉輪與轉(zhuǎn)動軸的配合依然存在一定的過盈量，但是過盈量已經(jīng)沒有靜態(tài)時的過盈量大，動平衡試驗時葉輪與轉(zhuǎn)動軸的裝配模型如圖9所示。
圖7 動平衡試驗時轉(zhuǎn)動軸內(nèi)孔變形趨勢示意圖
圖8 動平衡試驗時葉輪變形趨勢示意圖
圖9 動平衡試驗時葉輪與轉(zhuǎn)動軸的過盈量示意圖
此時在動平衡試驗轉(zhuǎn)速下，該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)仍然保持穩(wěn)定，動平衡試驗結(jié)果為合格。
(3)試機時模型。當高速旋轉(zhuǎn)時，離心力帶來葉輪、轉(zhuǎn)子軸的變形大于這一壓緊力所能提供的過盈量，從而導致了軸和葉輪裝配部位出現(xiàn)部分不接觸，接觸面積偏少，葉輪發(fā)生偏擺，直接體現(xiàn)動平衡失效，振動值超標機組停車。如圖10所示。
圖10 試機時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(zhuǎn)子軸進行修復，通過使用絲錐對轉(zhuǎn)子軸損壞螺紋進行修復；
(2)對葉輪進行噴砂處理，清除葉輪表面積碳，提高配合精度；
(3)對第三級轉(zhuǎn)子軸與葉輪修復后，進行動平衡校驗，后回裝開機，對第三級轉(zhuǎn)子進行狀態(tài)監(jiān)測，頻譜圖如圖11所示；
圖11 第三級轉(zhuǎn)子正常狀態(tài)振動頻譜圖
(4)通過頻譜圖可看出，各項數(shù)據(jù)均符合該機運行正常范圍，到現(xiàn)在設(shè)備已運行了12個月的時間，設(shè)備運轉(zhuǎn)情況良好。
4、結(jié)束語
動平衡對高速轉(zhuǎn)子來說起著至關(guān)重要的作用，是壓縮機組能否安全運行的關(guān)鍵。通過對苯酚丙酮車間PC-1A空氣壓機轉(zhuǎn)子頻繁出現(xiàn)動值超標聯(lián)鎖停機故障進行系統(tǒng)分析，并在綜合分析故障產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)之上采取有效的處理措施，改造后，壓縮機組實現(xiàn)了長周期運行，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
