中國(guó)石化中原石油化工有限責(zé)任公司 王志強(qiáng)

蒸汽透平在運(yùn)行中反復(fù)出現(xiàn)振動(dòng)波動(dòng)現(xiàn)象，利用在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合工藝條件和機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀況，分析判斷故障成因，制定相應(yīng)對(duì)策，通過檢修對(duì)故障原因進(jìn)行驗(yàn)證。

一、概述

中國(guó)石化中原石油化工有限責(zé)任公司的裂解氣壓縮機(jī)組由蒸汽透平（GT201）驅(qū)動(dòng)，機(jī)組和測(cè)點(diǎn)布置見圖1。透平制造商為意大利FANCANTIERI公司，型號(hào)60CEX，其運(yùn)行參數(shù)為：進(jìn)汽溫度：510℃；進(jìn)氣壓力：11.9MPa；排氣壓力：13kPa；排氣溫度：150℃；功率：11000kW；額定轉(zhuǎn)速：7300r/m。

二、故障現(xiàn)象

機(jī)組從1996年投用以來，運(yùn)轉(zhuǎn)較為穩(wěn)定，透平振動(dòng)幅值在10μm左右，從2010年4月開始，透平前后軸承的振動(dòng)值突然出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，且四個(gè)測(cè)點(diǎn)顯示同步波動(dòng)（見圖2），幅度為10～40μm，然后回落，變化的過程是一個(gè)漸變的過程，沒有急劇的跳躍性的變化，波動(dòng)持續(xù)時(shí)間一般為幾十分鐘或幾小時(shí)不等，振值波動(dòng)后可以回到原來的正常值。波動(dòng)反復(fù)出現(xiàn)，有時(shí)1天幾次，有時(shí)幾天一次，沒有規(guī)律，壓縮機(jī)側(cè)的低、中、高壓缸的振值基本穩(wěn)定。

圖1 機(jī)組測(cè)點(diǎn)布置圖

三、故障原因分析

圖2 振動(dòng)趨勢(shì)圖

透平振動(dòng)頻譜特征比較簡(jiǎn)單，正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)頻率成分主要是工頻（圖3），其他倍頻幅值極小，而在振動(dòng)波動(dòng)時(shí)，幅值變化是由工頻幅值變化引起的（圖5、7），其他頻率的振動(dòng)幅值基本不變，振值變化時(shí)工頻相位也相應(yīng)地持續(xù)旋轉(zhuǎn)變化（圖9），振值恢復(fù)正常時(shí)相位也基本恢復(fù)原位，同時(shí)變化過程中軸心軌跡同步放大，重復(fù)性較好（圖4、6、8）。

圖3 正常時(shí)的全譜圖

圖4 正常時(shí)的軸心軌跡

圖5 波動(dòng)初始的全譜圖

圖6 波動(dòng)初始的軸心軌跡

初步來看，此故障是一種類似于轉(zhuǎn)子不平衡的工頻類故障，并且還有一個(gè)顯著特點(diǎn)：間歇式、可逆，即故障是不連續(xù)的且能自我恢復(fù)。機(jī)組在運(yùn)行期間發(fā)生此類故障的可能原因如下。

1.蒸汽品質(zhì)

蒸汽品質(zhì)的影響主要是因過熱度不夠，蒸汽中夾帶的凝液對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生沖擊，影響平衡，隨著蒸汽流動(dòng)，凝液被帶出機(jī)體，轉(zhuǎn)子又恢復(fù)原狀；當(dāng)凝液又累積到一定程度時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)子再次產(chǎn)生影響，波動(dòng)也再次出現(xiàn)，如此反復(fù)。

該透平驅(qū)動(dòng)蒸汽是由裂解爐汽包產(chǎn)生的12MPa、325℃的飽和蒸汽，經(jīng)裂解爐對(duì)流段過熱器加熱到520℃，成為過熱蒸汽，進(jìn)入管網(wǎng)輸送到透平。對(duì)管網(wǎng)保溫進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)管線導(dǎo)淋進(jìn)行排放檢查，均未見異常；在透平入口主氣閥處加裝現(xiàn)場(chǎng)溫度表，監(jiān)測(cè)到的溫度為510℃，同時(shí)對(duì)比振動(dòng)波動(dòng)出現(xiàn)前后蒸汽系統(tǒng)的操作調(diào)整和各種參數(shù)，均沒有明顯變化，所以，從生產(chǎn)實(shí)際情況來看，蒸汽帶液應(yīng)該不存在。

圖7 振值最大時(shí)全譜圖

圖8 振值最大時(shí)軸心軌跡

圖9 工頻及相位變化趨勢(shì)

2.異物進(jìn)入

異物進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)轉(zhuǎn)子的影響與蒸汽帶液接近，并且異物應(yīng)該是微小的顆?；蛉彳浖?xì)小的物體，尚未對(duì)轉(zhuǎn)子造成損傷。

但是由于故障是在正常運(yùn)行期間發(fā)生的，蒸汽系統(tǒng)處于封閉的狀態(tài)，異物進(jìn)入的可能性也不大，而且異物能反復(fù)進(jìn)入的可能性就更小了。

3.結(jié)垢

因蒸汽中的鈣、鎂等離子控制不好，在轉(zhuǎn)子表面結(jié)垢，在運(yùn)行過程中，垢類分布不均勻或隨機(jī)性脫落，產(chǎn)生不平衡振動(dòng)。

結(jié)垢是個(gè)漸進(jìn)的過程，垢物的隨機(jī)脫落會(huì)引起振幅的突然變化，符合間歇式的特征，但是，即便是均勻的結(jié)垢，在這個(gè)過程中振動(dòng)也是不可能恢復(fù)原值，而是逐步增長(zhǎng)的，故不具備可逆的特征。因此可以排除結(jié)垢的可能性，

4.轉(zhuǎn)子帶電

透平中的高溫蒸汽在做功過程中，隨著溫度的降低會(huì)發(fā)生正負(fù)電荷分離，同時(shí)水蒸氣粒子對(duì)轉(zhuǎn)子葉片的碰撞和摩擦將使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生靜電效應(yīng)而帶電，當(dāng)電位積聚高到一定值（30～100V）時(shí)，就有可能將軸承上電阻最低處的油膜擊穿而產(chǎn)生電火花放電，這種能量的釋放會(huì)導(dǎo)致油膜剛度變化，從而引起振動(dòng)波動(dòng)，其特征頻譜與動(dòng)平衡變化的特征頻譜相似。

針對(duì)轉(zhuǎn)子帶電的這種可能，對(duì)機(jī)組原有的靜電接地點(diǎn)進(jìn)行檢查確認(rèn)，并在機(jī)體上增加了兩組靜電接地點(diǎn)，但是振動(dòng)波動(dòng)狀況未見改善。

5.臨時(shí)性軸彎曲

轉(zhuǎn)子在運(yùn)行期間，因熱負(fù)荷突變，或者局部摩擦等原因，轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲產(chǎn)生振動(dòng)，其現(xiàn)象與動(dòng)平衡破壞的現(xiàn)象相似。

查波動(dòng)發(fā)生前后透平的工藝參數(shù)，未見異常，可以排除熱負(fù)荷突變?cè)斐膳R時(shí)性熱彎曲的可能。另一種可能的情形是：轉(zhuǎn)子局部徑向動(dòng)靜摩擦，摩擦產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)使轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)徑向不對(duì)稱溫差，進(jìn)而發(fā)生轉(zhuǎn)子熱彎曲，振動(dòng)的增大將使相互接觸的部位磨損，動(dòng)靜間隙增大，摩擦消失后徑向不對(duì)稱溫差也很快消失，轉(zhuǎn)子逐步恢復(fù)原狀，振動(dòng)回到原始狀態(tài)。從振動(dòng)幅值及相位隨時(shí)間連續(xù)變化的特點(diǎn)來看，轉(zhuǎn)軸發(fā)生了摩擦的可能性極大，圖5顯示的截頭波、圖6顯示的毛刺也符合摩擦特征。雖然未出現(xiàn)較大幅值的倍頻成分，未出現(xiàn)反進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，但這些并不能否認(rèn)摩擦的存在，只能表明摩擦尚不十分嚴(yán)重，而且摩擦發(fā)生的部位很可能是靠近軸承的油封、軸封等部位與軸頸之間，而非葉輪等部位。

四、應(yīng)對(duì)措施

通過以上的分析、排查，認(rèn)為波動(dòng)是由摩擦導(dǎo)致轉(zhuǎn)子臨時(shí)性彎曲而引起的，但在運(yùn)行期間無法徹底處理此故障。由于該機(jī)組在生產(chǎn)流程中地位極其重要，停機(jī)處理會(huì)對(duì)公司總體生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)產(chǎn)生重大影響。根據(jù)機(jī)組目前狀況，認(rèn)為雖然波動(dòng)反復(fù)出現(xiàn)，但總是能自行恢復(fù)正常，并且最大振值在40μm左右，因此機(jī)組本質(zhì)上并未有永久性損傷，波動(dòng)的能量也不大，機(jī)組是可以堅(jiān)持運(yùn)行的。故將振動(dòng)的聯(lián)鎖值適當(dāng)提高，并制定了相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案后，機(jī)組在監(jiān)控下繼續(xù)運(yùn)行。

五、檢修檢查

2011年5月，利用裝置大檢修機(jī)會(huì)，對(duì)透平進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)：（1）軸承箱隔熱擋板碎掉，油封溝槽內(nèi)嚴(yán)重積炭，軸上有摩擦劃痕。（2）徑向軸瓦表面有摩擦損傷。（3）透平的末兩級(jí)動(dòng)葉片上有薄薄的一層水垢。（4）檢查透平導(dǎo)電碳刷，未見異常。

從檢修情況來看，驗(yàn)證了此前的判斷：由于隔熱擋板損壞，油封處的潤(rùn)滑油受高溫影響而碳化，積炭在溝槽內(nèi)逐步積累，與軸發(fā)生碰摩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部熱不平衡，引起轉(zhuǎn)子彎曲，當(dāng)積炭磨碎掉后，轉(zhuǎn)子逐步恢復(fù)原狀，振值恢復(fù)原值，當(dāng)積炭又累積碰到轉(zhuǎn)子后，振值又開始波動(dòng)，如此反復(fù)。而軸瓦的損傷應(yīng)是振動(dòng)波動(dòng)產(chǎn)生的后果，同時(shí)，如前分析，結(jié)垢不會(huì)產(chǎn)生此種狀況的振動(dòng)，從停機(jī)前機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)來看，雖葉片上有結(jié)垢，但尚未對(duì)機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生影響。

在檢修中，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了全面檢查，從形位尺寸、無損檢測(cè)、動(dòng)平衡校驗(yàn)等方面看，轉(zhuǎn)子狀況均較好，對(duì)擋板和瓦塊進(jìn)行更換，清理油封內(nèi)積炭，同時(shí)，利用軸承座上的空間，在油封內(nèi)開孔接管引入適量氮?dú)?，以期改善此處的高溫環(huán)境。機(jī)組再次開車后振動(dòng)間歇性波動(dòng)消失。

六、結(jié)語

目前，各企業(yè)積極追求長(zhǎng)周期連續(xù)生產(chǎn)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行可靠性的要求也越來越高，設(shè)備管理人員應(yīng)充分利用現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和分析判斷設(shè)備狀況，做到對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可知甚至可控，為管理決策提供技術(shù)支持，為安穩(wěn)生產(chǎn)保駕護(hù)航。

[1]王潛，肖昌漢.旋轉(zhuǎn)機(jī)械中一種新的電腐蝕機(jī)理[J].武漢：武漢化工學(xué)院學(xué)報(bào)24(3).

[2]張學(xué)延.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)診斷（第一版）[M].中國(guó)電力出版社，2008，11.