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        空分三大機組軸承支座振動高故障分析及處理

        2022-09-27 06:14:06王磊
        設備管理與維修 2022年17期
        關鍵詞:護罩倍頻聯(lián)軸器

        王磊

        (國能新疆化工有限公司,新疆烏魯木齊 831404)

        1 機組概述

        三大機組是某公司空分裝置的關鍵設備,包括空氣壓縮機、增壓機和汽輪機,機組采用“一拖二方式”,即一臺高壓蒸汽透平汽輪機組為主要驅動裝置,分別帶動空壓機和增壓機組,中間分別設有軸承支座和齒輪箱(圖1)。其中汽輪機型號SST600,額定功率61 938 kW,額定轉速4504 r/min;空壓機型號STC-GV(200-3),額定功率32 192 kW,額定流量515 880 m3/h;增壓機型號STC-GV(20-4-H),額定功率19 909 kW,額定流量47 706 m3/h。三大機組主機均引進國外公司生產的設備,具有效率高、可靠性強等優(yōu)點。

        圖1 三大機組結構布置

        由于汽輪機與空壓機安裝跨距比較大,相應轉子連接撓度大等問題,采用了軸承支座分別將汽輪機轉子與空壓機轉子連接在一起的方式,從而避免了上述問題,保證了機組的穩(wěn)定運行(圖2)。

        圖2 軸承支座結構

        2 故障現(xiàn)象

        2015 年12 月14 日13:20,機組由于鍋爐連鎖跳車,20:25重新啟動了汽輪機一直運行至26 日13:30,空壓機軸承支座振動(VXI7007)一直維持在37~38 μm。13:30 后,VXI7007、VYI7007、VXI7006 振動值上升明顯,于27 日11 時左右VXI7007 振動值接近60 μm(圖3、圖4)。

        圖3 軸承支座各振動值趨勢

        圖4 軸承支座測點布置

        根據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)S8000 采集的實時振動數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):2015 年12 月29 日14:03:45 軸承箱振動最大時波形頻譜圖,工頻(75.03 Hz)接近60 μm,在其附近存在幅值略低的0.91 倍頻(68 Hz),二者耦合形成“拍振”效應(圖5)。值得注意的是,除了以上2 個能量較高的頻率外還存在0.09倍頻(7.03 Hz),兩低頻成分之和剛好等于工頻,即7.03+68=75.03 Hz,此規(guī)律在其他0.91 倍頻存在時刻也成立,重復性非常好。

        2015 年12 月29 日14:33 機組因VXI7007 振動高跳車(連鎖跳車值:124 μm)。跳車后儀表專業(yè)針對振動值的測量系統(tǒng)進行了相應的檢查:探頭及間隙電壓、延長線、前置放大器、檢查回路接線并進行緊固,以上檢查儀表專業(yè)未發(fā)現(xiàn)異常。隨后設備專業(yè)針對軸承箱的固定件進行檢查,檢查臺板及軸承箱固定螺栓,用敲擊扳手及小錘對其進行了緊固,發(fā)現(xiàn)相應螺栓可以緊動,考慮到未使用扭矩扳手,隨后未再繼續(xù)緊固,另外又對軸承壓蓋螺栓進行緊固,未發(fā)現(xiàn)相應螺栓松動。

        由于通過上述檢查未發(fā)現(xiàn)明顯的問題,2015 年12 月29 日19:38 對2111 機組進行了重新啟動,待機組加載正常后發(fā)現(xiàn)VXI7007 的振值基本維持在38 μm 左右波動,并且相對平穩(wěn)運行正常,而且從頻譜圖上觀察并未發(fā)現(xiàn)0.91 倍頻的出現(xiàn)。直至2016 年1 月9 日04:22 機組軸承支座VXI7007 出現(xiàn)了波動上漲的現(xiàn)象,通過在線S8000 系統(tǒng)進行頻譜分析發(fā)現(xiàn):VXI7007 再次出現(xiàn)了0.91 倍頻,隨后振值不斷攀升。

        綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)S8000 采集的實時振動數(shù)據(jù)分析和通過幾次連續(xù)開停車發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象分析:①只要機組重新起機加載正常后,VXI7007 的振值基本上都會維持在38 μm 左右波動,并且運行相對平穩(wěn),即便上次機組因VXI7007 的振值高跳車后,重新起機加載正常后,VXI7007 的振值都會恢復至38 μm 左右,并且可以穩(wěn)定運行一段時間;②一旦機組連續(xù)運行時間達到10 d以上,VXI7007 的振動值就會出現(xiàn)不斷上升的故障,而且同時在線監(jiān)測系統(tǒng)S8000 采集的實時振動數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)都會出現(xiàn)0.91倍頻。

        3 故障初步分析及處理

        造成軸承支座振動大的原因很多,軸承支座設計、制造、安裝、運行和維護等各個環(huán)節(jié)失誤都可能引起振動。在進行故障原因分析時,必須立足于故障特征展開分析,因此針對此次故障進行了多方面認真分析、研究,并結合造成軸承支座振動的可能原因逐一進行探析,逐步排查出故障的根本原因。

        3.1 基礎松動

        對軸承支座基礎進行了外觀檢查,發(fā)現(xiàn)表面有多處淺表裂紋,隨后對裂紋處進行了深鑿判斷,判定并不是貫穿性裂紋,并邀請土建專業(yè)再次進行了確認,基本一致認為軸承支座基礎無明顯問題。

        3.2 地腳松動

        用扭矩扳手對安裝臺板地腳螺栓進行扭矩檢查(西門子要求:240 N·m),發(fā)現(xiàn)1 點位置地腳螺栓有些松動,但是檢查使用的扭矩已經超過了廠家的要求(圖6)。然后又用扭矩扳手對軸承支座地腳螺栓進行緊固扭矩檢查(西門子要求:735 N·m),未發(fā)現(xiàn)松動的螺栓。全部緊固后發(fā)現(xiàn)VXI7007 振動值并沒有減小趨勢。

        圖6 安裝臺板地腳螺栓緊固情況

        3.3 軸承磨損

        對軸瓦間隙及上、下瓦面的磨損情況進行檢查,其中瓦間隙為0.25 mm,并且上、下瓦面接觸情況良好,無磨損情況。另外對瓦背預緊力進行了復核,緊力值0.05 mm,均在廠家要求范圍內。

        3.4 油封碰磨

        對油封進行拆解檢查發(fā)現(xiàn)下油封間隙有些小,并且下部稍微有些碰磨(圖7)。因此對下油封進行了打磨,增大油封間隙,并符合廠家要求(圖8)。

        圖7 油封間隙測量值

        圖8 修復后油封間隙

        通過上述檢查及問題處理后,該機組于2016 年1 月16 日21:09 啟動,VXI7007 振動值在27~28 μm 波動,比前期振動值下降了10 μm,頻譜圖并無0.91 倍頻分量。一直運行至2016 年1 月30 日09:24,機組VXI7007 振動值開始上升,并且伴有0.91 倍頻分量。2016 年2 月5 日18:01,機組因VXI7007 振動值高連鎖跳車。

        結合初步原因分析及處理可以發(fā)現(xiàn):①軸承支座本體部件,無明顯的問題,不是導致故障的原因;②再一次驗證了一旦機組連續(xù)運行時間達到10 d 以上,VXI7007 的振動值就會出現(xiàn)不斷上升,而且頻譜又會出現(xiàn)0.91 倍頻的情況。

        4 原因進一步分析及處理

        4.1 熱膨脹導致聯(lián)軸器護罩受力

        聯(lián)軸器護罩的設計是允許其自由滑動的,聯(lián)軸器罩法蘭直接與軸承座外殼相連,另一端與汽輪機軸承箱的法蘭相連,內部導向板安裝在聯(lián)軸器護罩的底部用來收集油霧(圖9)。由于聯(lián)軸器護罩受到內部溫度的影響,使聯(lián)軸器護罩產生軸向的伸長,有可能造成聯(lián)軸器殼與聯(lián)軸器法蘭擠死的現(xiàn)象,內部導流板將會影響到聯(lián)軸器法蘭造成軸承支座的振動(圖10)。

        圖9 聯(lián)軸器護罩熱膨脹示意

        圖10 聯(lián)軸器護罩各測點溫度

        據(jù)溫度計算,聯(lián)軸器護罩最大伸長量為2.1 mm(聯(lián)軸器罩溫度為113 ℃時)。打開聯(lián)軸器護罩進一步調查發(fā)現(xiàn),內部導流板與聯(lián)軸器護罩法蘭未接觸。因此,該故障并不是由于熱膨脹導致聯(lián)軸器護罩受力造成的。

        4.2 軸承的位移可能導致潤滑油供應不足

        軸承應以正確的方式進行安裝,軸承箱內油管路的安裝集中在節(jié)流裝置的正確安裝上,錯誤安裝可能導致額外的壓力損失和額外的熱量轉移到軸承座上,導致潤滑油的供應不足(圖11)。按照西門子廠家提供的安裝圖紙,針對軸承及軸承座的安裝位置進行了相應的檢查,油環(huán)通道安裝在正確的位置上,軸承溫度在正常范圍(75~80 ℃)。因此該故障并不是軸承的位移可能導致潤滑油供應不足造成的。

        圖11 軸承位移

        4.3 熱量傳導至軸承座后,導致軸承座不同程度的膨脹

        使用濕毛巾對聯(lián)軸器護罩及聯(lián)軸器法蘭處降溫,振動值有所下降;后期采用冰塊和多孔軟管連續(xù)供應冷卻水后,振動值下降明顯,并且可以維持穩(wěn)定(圖12)。

        圖12 振動值因降溫下降趨勢

        持續(xù)的熱量不斷地加熱聯(lián)軸器護罩,熱量又通過聯(lián)軸器護罩傳遞給軸承座,軸承座的上半?yún)^(qū)域將被潤滑油冷卻(油溫接近43 ℃),軸承座的下半部分將與潤滑油的回油管線相連(圖13中a 和b 的區(qū)域),上軸承座的結構比下軸承座復雜,上軸承座更容易受到熱量的影響和將影響軸承的安裝位置。另外在回油管線的窺鏡里發(fā)現(xiàn)了水珠,由于通過用水在這個部位冷卻的結果,在回油管線負壓的作用,透過聯(lián)軸器密封處的水分被吸入到了潤滑油的回油管線內。因此采用冷卻水冷卻聯(lián)軸器護罩的措施應當停止,因為在回油管線內發(fā)現(xiàn)了水珠。

        圖13 a 與b 區(qū)域劃分示意

        軸承座與聯(lián)軸器護罩的熱絕緣,將有效阻止熱量傳遞給軸承座,阻止軸承安裝位置的改變。因此,需要在聯(lián)軸器護罩與軸承座之間安裝聚四氟乙烯板來防止熱傳遞,這種措施被積極采用,并在后續(xù)的機組運行中得以驗證(圖14)。

        圖14 聚四氟乙烯板安裝

        4.4 油通過聯(lián)軸器疊片與聯(lián)軸器法蘭進入聯(lián)軸器中空軸內,形成不平衡量

        潤滑油被封閉在聯(lián)軸器護罩內,防止油的泄漏。聯(lián)軸器護罩內的轉軸與護罩空間,產生的氣流擾動使油霧分布在整個聯(lián)軸器護罩內。聯(lián)軸器護罩內分布的油霧,可以通過聯(lián)軸器調整片及膜片的最小徑向間隙進入聯(lián)軸器內部(圖15)。

        圖15 油霧進入聯(lián)軸器中空軸內分布區(qū)域

        根據(jù)西門子廠家的重新核算,油可能進入了聯(lián)軸器的內部,導致聯(lián)軸器側有油滴懸掛,在目前的機組會發(fā)生類似的情況。此外,油霧通過在聯(lián)軸器內部約8 d的累積,可能形成不平衡量,這樣也許可以解釋為什么穩(wěn)定運行10 d 左右后,VXI7007 的振動值就會出現(xiàn)不斷上升,而且頻譜會出現(xiàn)0.91 倍頻的原因。而一旦機組停機后,聚集在聯(lián)軸器內部的油,在重力的作用下會從聯(lián)軸器膜片和墊片處流出,這樣每次重新起機后,VXI7007 的振動值都在正常范圍內。

        針對上述分析的可能性采取以下措施:①在聯(lián)軸器墊片處鉆2 個Φ4 mm 通孔(圖16、圖17);②在聯(lián)軸器法蘭處鉆1 個Φ4 mm 通孔(圖16、圖18)。機組在運行過程中,通過聯(lián)軸器調整片及膜片進入到聯(lián)軸器中空軸內的油霧,在聯(lián)軸器旋轉離心力的作用下,第一時間通過新增的通孔被甩出,進入到封閉的聯(lián)軸器護罩內,然后導流至下部收集管中。此收集管與機組回油總管相連,靠油箱負壓最終殘油被排入機組油箱,從而避免了油霧在聯(lián)軸器內部積存形成不平衡量。

        圖16 聯(lián)軸器鉆孔的位置

        圖17 墊片鉆孔

        圖18 法蘭鉆孔

        5 校正措施

        安裝絕熱板與聯(lián)軸器上鉆孔這兩個措施,同時被應用在機組上,為了驗證每一個措施都是否有效,決定在一套機組上同時安裝隔熱板和聯(lián)軸器上鉆孔,在另一套機組上只采用聯(lián)軸器上鉆孔的措施,通過這樣的比對驗證,才能最終找到故障的根源。

        6 驗證結果

        對處理后的2 套機組進行測試運行(2016 年4 月23 日—6 月12 日),測試期間兩套機組都運行正常,軸承支座的振動值沒有任何上升趨勢,因此只有在聯(lián)軸器上鉆孔的措施才是解決軸承支座振動的根本措施。

        7 結束語

        引起機組振動故障的原因有很多種,只要認真觀察機組運行中的振動特點和規(guī)律,抓住振動成因的相關性,以此來進一步開展分析工作,就能找到引起振動的根源。

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