劉勝國(guó) 潘 賁

（上海石油天然氣有限公司)

0 引言

透平膨脹機(jī)是實(shí)現(xiàn)接近絕熱等熵膨脹過(guò)程的一種有效設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于氣體液化、低溫分離等過(guò)程。在天然氣膨脹制冷回收輕烴工藝裝置中，膨脹機(jī)的等熵效率是一個(gè)重要參數(shù)，它直接決定了膨脹機(jī)出口溫度、制冷量、產(chǎn)液量和丙烷回收率等。

利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行實(shí)踐，我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)了故障苗子，預(yù)防了膨脹機(jī)重大損毀事故的發(fā)生。

1 膨脹機(jī)系統(tǒng)

該膨脹機(jī)由美國(guó)MAFI公司制造，內(nèi)部主要部件有膨脹葉輪、壓縮葉輪、膨脹輪背密封環(huán)、壓縮輪背密封環(huán)、膨脹側(cè)阻熱器及軸密封環(huán)、壓縮側(cè)軸密封環(huán)、膨脹側(cè)徑向和推力組合式軸承、壓縮側(cè)徑向和推力組合式軸承、轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子內(nèi)部拉桿和兩端的葉輪背帽。

主要附屬系統(tǒng)有潤(rùn)滑油系統(tǒng)、密封氣系統(tǒng)、軸向推力自動(dòng)平衡系統(tǒng)。主要儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有軸徑向振動(dòng)監(jiān)測(cè)、速度監(jiān)測(cè)、軸承溫度監(jiān)測(cè)、軸向推力監(jiān)測(cè)等。上述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都有相應(yīng)的顯示、報(bào)警和超報(bào)自動(dòng)聯(lián)鎖停機(jī)功能，可自動(dòng)停機(jī)保護(hù)膨脹機(jī)，以防止極限情況下繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)造成各種損壞。

2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)異常

我公司對(duì)膨脹機(jī)系統(tǒng)定期進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)監(jiān)測(cè)和發(fā)現(xiàn)可能的異常情況。某日起出現(xiàn)了膨脹端和壓縮端振動(dòng)產(chǎn)生軸向振動(dòng)過(guò)大的異常情況，通過(guò)對(duì)膨脹機(jī)的離線和在線振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：機(jī)組除了表面上振動(dòng)幅值有所上升外，在線振動(dòng)所測(cè)得的頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，2倍頻和高次諧波的幅值大于1倍的幅值 （故障頻譜如圖1所示）。同時(shí)，離線振動(dòng)頻譜出現(xiàn)比較高的4倍和5倍頻的幅值 （故障頻譜如圖2所示），也從理論上反映出軸瓦和止推面的磨損已比較嚴(yán)重。

圖1 故障頻譜

圖2 故障頻譜

磨損的實(shí)際情況必須通過(guò)物理解體實(shí)際驗(yàn)證。由于天然氣處理廠擔(dān)負(fù)著非常重要的居民供氣任務(wù)，停機(jī)解體維修必須慎之又慎。膨脹機(jī)運(yùn)行一直比較正常和平穩(wěn)，軸承溫度、軸向推力等儀表監(jiān)測(cè)參數(shù)沒(méi)有出現(xiàn)異常，但考慮到該機(jī)組畢竟已運(yùn)行4萬(wàn)多小時(shí)，尤其是在監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了膨脹端和壓縮端振動(dòng)產(chǎn)生軸向振動(dòng)過(guò)大的異常情況，加之一段時(shí)間來(lái)，還出現(xiàn)了一臺(tái)潤(rùn)滑油泵不能正常維持供回油壓差的異?，F(xiàn)象。振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，使我們發(fā)現(xiàn)了故障苗子，如果不及時(shí)解決將導(dǎo)致膨脹機(jī)組更嚴(yán)重的損壞。于是，經(jīng)慎重考慮還是決定解體檢查。

3 解體檢查

解體后發(fā)現(xiàn)兩端軸承推力面磨損比較嚴(yán)重，特別是壓縮側(cè)軸承推力面偏磨非常明顯，而徑向面磨損相對(duì)較輕。膨脹端軸承止推面磨損如圖3所示。

圖3 膨脹端軸承止推面磨損

3.1 軸向竄動(dòng)量的檢查

拆卸轉(zhuǎn)子總成前，打表檢查轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)量為0.730 mm，而該轉(zhuǎn)子裝置投運(yùn)前打表檢查的軸向竄動(dòng)量為0.279 mm，廠家指導(dǎo)軸向竄動(dòng)允許范圍是0.254～0.406 mm。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)4萬(wàn)多小時(shí)的運(yùn)行，兩端軸承推力面磨損很嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)量已嚴(yán)重超標(biāo)。該數(shù)據(jù)嚴(yán)重超標(biāo)的后果是：一旦轉(zhuǎn)子由于工況變化而偏向一側(cè)，很容易引起葉輪刮傷蝸殼或葉輪掃膛，最終將造成整個(gè)轉(zhuǎn)子總成的損壞和報(bào)廢。另外，轉(zhuǎn)子軸向間隙增大，軸承的需油量將相應(yīng)增加，而油泵的供油量隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)和內(nèi)部磨損或漏失的增加則相應(yīng)減少，這樣很容易造成供油相對(duì)不足和供回油壓差難以正常維持的問(wèn)題。

3.2 軸承徑向間隙的檢查

軸承軸瓦與軸頸徑向間隙經(jīng)打表檢查為0.050 mm，出廠數(shù)據(jù)為0.071 mm，廠家指導(dǎo)間隙范圍為0.066～0.076 mm。之所以測(cè)得的數(shù)據(jù)比以前間隙小，一是說(shuō)明徑向軸承面磨損并不很嚴(yán)重，間隙沒(méi)有超標(biāo)；二是由于磨損毛刺影響，測(cè)出的數(shù)據(jù)較徑向軸瓦的實(shí)際間隙略小。

3.3 轉(zhuǎn)子軸徑的檢查

轉(zhuǎn)子兩端軸承軸頸配合處用千分尺測(cè)得軸徑分別為壓縮端 50.76、50.76 mm， 膨脹端 50.74、50.78 mm，而出廠數(shù)據(jù)為50.74 mm，去除毛刺影響所造成的測(cè)量誤差，說(shuō)明軸頸處磨損并不是很嚴(yán)重。

3.4 轉(zhuǎn)子軸間距的檢查

轉(zhuǎn)子端面間距測(cè)得數(shù)據(jù)為 177.20、177.54、177.62、 177.53、 177.51、 177.51、 177.14 mm， 而裝置投運(yùn)前測(cè)得的間距為177.46 mm，廠家指導(dǎo)數(shù)據(jù)范圍為177.44～177.49 mm。因?yàn)橛?處極限數(shù)據(jù)為177.20 mm和177.14 mm，說(shuō)明轉(zhuǎn)子端面與軸承推力面磨損確實(shí)很嚴(yán)重，間距明顯低于廠家指導(dǎo)范圍值，必須經(jīng)過(guò)噴鍍等修復(fù)后才能使用。

4 現(xiàn)象與原因分析及實(shí)證

從磨損情況來(lái)看，兩端軸承推力面磨損比較嚴(yán)重，特別是壓縮側(cè)軸承推力面偏磨非常明顯，而徑向面磨損相對(duì)較輕，從軸承磨損印跡來(lái)看也沒(méi)有金屬過(guò)燒現(xiàn)象，這說(shuō)明所有磨損都是在油膜正常建立的情況下發(fā)生的油液顆粒和金屬間的正常磨損，沒(méi)有金屬之間的接觸性硬磨損。這種軸承徑向面的輕度磨損不會(huì)造成軸振動(dòng)過(guò)大，油液顆粒與軸承推力面的磨損也不會(huì)造成軸承溫度突然升高，此磨損系經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)4萬(wàn)小時(shí)的油液與銅基軸承推力面的長(zhǎng)期磨損造成。根據(jù)上述分析，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中所表現(xiàn)的振動(dòng)和軸承溫度一直維持在正常范圍也就不難理解，而反觀軸承推力面的過(guò)度偏磨則有明顯的問(wèn)題和疑點(diǎn)。既然壓縮端推力軸承嚴(yán)重偏磨，特別是其止推油壓引壓孔已磨沒(méi)，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子就不可能在中間位置而應(yīng)該是偏向壓縮端，壓縮端的止推油壓應(yīng)該大于膨脹端的止推油壓，特別是后來(lái)壓縮側(cè)推力引壓孔被磨堵后更不可能再正常維持油壓，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)止推油壓表顯示的油壓卻一直相近或相等，這種矛盾說(shuō)明兩端止推油壓相等是假象。這個(gè)問(wèn)題不解決，即使裝上新的膨脹機(jī)總成，同樣還會(huì)出現(xiàn)軸承推力面嚴(yán)重偏磨而轉(zhuǎn)子軸向推力平衡系統(tǒng)不起作用并且繼續(xù)給人兩端止推油壓平衡的假象。因此找出軸向推力自動(dòng)平衡系統(tǒng)所存在的兩側(cè)油壓竄通問(wèn)題也就顯得非常重要。

根據(jù)兩側(cè)油壓存在竄通可能的分析，系統(tǒng)內(nèi)存在可能竄通的部位有如下兩處：一是推力自動(dòng)平衡器汽缸內(nèi)活塞環(huán)損壞，造成膨脹和壓縮兩端油壓互竄；二是膨脹側(cè)或壓縮側(cè)止推油壓高壓差開(kāi)關(guān)正負(fù)壓室膜片破裂，導(dǎo)致膨脹和壓縮兩端油壓互竄。

將推力自動(dòng)平衡器汽缸及管網(wǎng)組件拆下，通過(guò)臨時(shí)接管往汽缸內(nèi)一側(cè)引入儀表風(fēng)打壓，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)另一側(cè)接管漏出氣體的不正?，F(xiàn)象，說(shuō)明汽缸活塞不存在竄通問(wèn)題，該處疑點(diǎn)被排除。接下來(lái)我們就需要驗(yàn)證膨脹或壓縮側(cè)是否存在問(wèn)題。將膨脹側(cè)和壓縮側(cè)的止推油壓差開(kāi)關(guān)拆下，通過(guò)校驗(yàn)臺(tái)給壓差開(kāi)關(guān)的一側(cè)壓室打壓，發(fā)現(xiàn)這兩處壓差開(kāi)關(guān)均存在另一壓室明顯漏油的竄漏問(wèn)題。由此可見(jiàn)，由于兩側(cè)油壓已互竄，止推壓力指示平衡只是一個(gè)假象，軸向推力系統(tǒng)的平衡功能已完全失效，所以導(dǎo)致止推面的嚴(yán)重磨損。隨后用庫(kù)房?jī)?nèi)的備件對(duì)這兩個(gè)止推油壓差開(kāi)關(guān)進(jìn)行了調(diào)換。至此，軸向推力自動(dòng)平衡系統(tǒng)的油壓竄通問(wèn)題得到了印證和解決。

對(duì)軸向推力平衡系統(tǒng)修復(fù)、更換新的組合軸承后投用機(jī)組，在線的軸位移信號(hào)頻譜以1倍頻為主，高次諧波的幅值依次遞減，4倍和5倍頻振動(dòng)分量以及機(jī)組振動(dòng)幅值也處于正常 （正常頻譜見(jiàn)圖 4）。

圖4 正常頻譜

5 結(jié)語(yǔ)

振動(dòng)是機(jī)器的脈搏，振動(dòng)信息反映了機(jī)器的狀態(tài)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了我們了解設(shè)備運(yùn)行狀況的另一種手段。有時(shí)設(shè)備系統(tǒng)自帶的各種監(jiān)測(cè)儀器可能會(huì)提供錯(cuò)誤或虛假的信息。本案例中，除了發(fā)現(xiàn)膨脹機(jī)潤(rùn)滑油泵供油不足外，幾乎所有的監(jiān)測(cè)信號(hào)都無(wú)異常，僅僅振動(dòng)監(jiān)測(cè)顯示出有異常。因此，振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)合膨脹機(jī)儀表監(jiān)測(cè)并對(duì)實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合分析，才有助于設(shè)備管理者從宏觀上和微觀上了解設(shè)備，更科學(xué)地制訂維修策略和維修計(jì)劃，既保證設(shè)備安全可靠的運(yùn)行，也確保設(shè)備維修的經(jīng)濟(jì)性。