任永輝，沈安武，趙小龍

（北京首鋼股份有限公司，北京 100043）

引言

空氣壓縮機是現(xiàn)代制氧空分工藝流程的起點，也是重要核心設(shè)備之一，大型離心壓縮機正朝著高效率、高性能方向發(fā)展，對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的工作提出了更高的要求[1]。

轉(zhuǎn)子不平衡是旋轉(zhuǎn)機械的常見故障[2]，導(dǎo)致機組軸系質(zhì)量不平衡的原因主要有制造過程中機械加工不精確或材質(zhì)不均勻、運行過程中轉(zhuǎn)子上動葉片的不均勻磨損、鹽垢和灰塵的不均勻沉積、轉(zhuǎn)動部件的斷裂和脫落、部件安裝不對稱，由于轉(zhuǎn)子變形、熱套緊力不足、氣動力引起的轉(zhuǎn)動部件移位，以及運行時轉(zhuǎn)子的熱變形等[3-4]。

透平機械密封起著抑制流體泄漏、提高機組經(jīng)濟性的重要作用。然而旋轉(zhuǎn)機械密封在抑制流體泄漏的同時還會產(chǎn)生激振力，影響轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)子的不同偏轉(zhuǎn)角度、偏心距、入口壓力和轉(zhuǎn)速等對泄漏量及流體激振力均有不同程度影響。目前，針對流體激振類故障的研究大多為機理分析和數(shù)值模擬方面，有生產(chǎn)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)支撐的案例分析相對較少[5-7]。

1 故障表現(xiàn)

某公司現(xiàn)有5 套制氧空分機組，其中5#空壓機機組總貌及測點布置見圖1。該機組為RIKT 型單軸多級壓縮機，設(shè)計流量177 800 m3/h，主軸轉(zhuǎn)速5578r/min，軸功率15370 kW,最大排出壓力0.643MPa，一至三級為內(nèi)置冷卻器，按A、B兩側(cè)布置。

圖1 5#空壓機總貌及測點布置圖

5#空分機組于2018 年12 月停機改造，空壓機在停機前吸氣側(cè)振動值較高，同時空壓機二級入口溫度TE7026點波動較大。

圖2為5#空壓機各測點在停機前半個月的振動趨勢圖，可以看出進氣側(cè)的振動水平明顯高于排氣側(cè)，同時，進氣側(cè)B 方向的振動水平高于A 方向，波動幅度也更大，從日常監(jiān)測的情況來看，系統(tǒng)中出現(xiàn)的報警基本上是由VT7011B點產(chǎn)生的。

圖2 5#空壓機各測點的通頻趨勢圖

2 原因分析

從波形頻譜圖（圖3）來看，振動波形為正弦波，頻域中以一倍頻為主，振動的提純軌跡為比較標準的橢圓形，可以判斷存在轉(zhuǎn)子不平衡故障。

進一步觀察其頻譜發(fā)現(xiàn)，VT7011B 測點的振動波形圖上存在周期性調(diào)制現(xiàn)象，即振動的峰值存在周期性的波動，且周期不穩(wěn)定，反映在頻譜上，信號存在比較明顯的低頻分量，呈帶狀分布，且波動較大（零點幾微米到八九微米之間），如圖3 所示。引起此類故障特征的原因一般為軸承部件松動或氣流激振。

圖3 5#VT7011B點位某時刻的波形頻譜圖

圖4 為5#機組停機前兩天VT7011B 點的振動分頻趨勢圖，從中可以發(fā)現(xiàn)，通頻波動相對較大，工頻成分幅值雖較高，但分布穩(wěn)定，波動較小，二倍頻和半頻成分微量分布；同時發(fā)現(xiàn)，圖中每當通頻較高時，對應(yīng)的殘余量也較大，通頻值和殘余量近似成正相關(guān)分布，證明振動的波動與殘余量有關(guān)。

圖4 5#VT7011B點停機前兩天的分頻趨勢圖

5#空分停機前，空壓機二級入口溫度TE7026點存在一定波動情況，見圖5。日常運行過程中，空壓機一級A、B 冷卻器回水溫度曲線基本重合，二級入口溫度B 側(cè)比A 側(cè)高3～8 ℃，每次入口溫度上升均伴隨著吸入側(cè)振動VT7011 的上升，同時空壓機流量下降。結(jié)合機組日常運行情況和長期的數(shù)據(jù)趨勢均可發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律，證明空壓機流量變化、入口振動波動和二級入口溫度波動之間存在一定關(guān)聯(lián)性。

圖5 2#空壓機吸氣側(cè)振動和二級入口溫度

同時，吸氣側(cè)振動值和二級入口溫度的上升均在空壓機流量下行時出現(xiàn)，當流量下行至一定水平時，振動值上升，二級入口溫度TE7026A、B 兩側(cè)溫度出現(xiàn)不同變化，即A 側(cè)下降，B 側(cè)上漲，兩側(cè)冷卻器溫度變化情況不一致。

一般認為，離心壓縮機內(nèi)部存在一定的密封泄漏，綜合上述分析可以推斷，部分氣流未經(jīng)過冷卻器直接進入二級入口，由于一級葉輪兩側(cè)的泄漏程度不同，一級B冷卻器側(cè)泄漏較大，因此日常運行過程中二級入口溫度TE7026B 點較A 點高，當機組流量下行時，葉輪流場發(fā)生畸變，形成紊流，產(chǎn)生周期性的流體激振力，導(dǎo)致振動異常情況的發(fā)生，同時流場的畸變加劇了葉輪盤側(cè)氣流的泄漏，導(dǎo)致TE7026點的溫度異常波動。

3 處理方式及結(jié)果

結(jié)合上述分析，2019 年3 月利用機組改造時機對5#空壓機進行了開蓋檢修，轉(zhuǎn)子整體抽出做動平衡，回裝時強化了一級葉輪盤側(cè)密封。

檢修開蓋檢查發(fā)現(xiàn)，空壓機一級葉輪輪盤后側(cè)密封環(huán)上存在一定氣流痕跡，西側(cè)的沖刷程度明顯高于東側(cè)。

氣流沖刷區(qū)域的大致位置如圖6 所示，大部分分布在輪盤西側(cè)，西側(cè)為一級B冷卻器，驗證了上文所述分析，即部分泄漏的氣流沒有經(jīng)過一級冷卻器而直接進入二級入口，導(dǎo)致二級入口氣溫波動，同時泄漏主要發(fā)生在葉輪西側(cè)，因此TE7026B 的溫度較TE7026A點要高，波動情況也更加明顯。

圖6 氣流沖刷區(qū)域的大致位置

圖7 為5#空壓機各測點在檢修后的振動趨勢圖，經(jīng)對比可以發(fā)現(xiàn)，檢修后各測點的振動水平均有所下降，特別是進氣側(cè)下降明顯，7011A 點由原來的50 μm 作右降至10 μm 上下，7011B 點由原來的60 μm左右降至20 μm上下。

圖7 5#空壓機檢修后各點振動趨勢圖

圖8 為5#空壓機VT7011B 點在檢修后的波形頻譜圖，可以看出，工頻幅值大幅下降至3～5 μm，可見動平衡效果很好。開機運行后，TE7026兩個點位的變化情況趨于一致，證明泄漏情況有所緩解。同時，由于暫時沒有針對性的措施，低頻分量依舊十分活躍，幅值變化大，能量較高，說明因入口流場不穩(wěn)定而產(chǎn)生的流體激振現(xiàn)象依然存在。

圖8 檢修后5#VT7011B點的波形頻譜圖

4 結(jié)論

5#空壓機較其他機組吸氣側(cè)振動水平高，振動能量以一倍頻為主，波形為較典型的正弦波，證明存在一定不平衡，檢修后，工頻幅值大幅下降，動平衡效果良好。

流體激振類故障機理復(fù)雜，特征頻率波動較大且辨識度不高，沒有立竿見影的處理方案，目前，國內(nèi)外針對流體激振類故障的研究較少，大多也停留在數(shù)值模擬分析方面。檢修后，該點位的振動幅值雖大幅下降，但振動隨流量波動的情況并未徹底解決，壓縮機入口流場的不穩(wěn)定性不僅會引起振動與溫度的波動，而且必然會影響機組效率，以往有案例通過改造和強化密封使機組效率提升了幾個百分點，按照目前空壓機的能耗水平，單臺空壓機效率每提升一個百分點，每年便可節(jié)約成本近五十萬元。由于生產(chǎn)實際目前還無法停機處理，后續(xù)還需對該問題進行深入分析研究，從轉(zhuǎn)子安裝位置、偏向距以及軸瓦間隙、相對位置等方面綜合考慮，提升機組整體運行水平。