状态检测、故障诊断技术在离心压缩机上的应用

2020-09-11 21:37:49 1
 D10R9B离心压缩机是大庆天然气公司喇二压气站浅冷装置从美国DRSSER-RAND公司引进的。1998年10月2日投运时,轴振动在允许范围之内。运行52天后,压缩机的驱动端轴振动报警,VT-701Y在53μm左右,之后此状态没有改善。1999年6月20日开始,VT-701Y达到60μm,轴振动加剧,影响正常生产。该机组每天处理天然气40万m3,每天产值30万元左右。而且该机组采用的是90年代先进设计、制造技术。为了避免事故扩大,需尽快查明振动值高的原因,采取有效的处理措施,把损失降到z*小。我们组织有关人员对该机组及相关系统实施振动检测、诊断故障,确定处理方案。
  【 中国压缩机网】D10R9B离心压缩机主要设计参数:
  天然气处理量:40万m3/d
  驱动电机额定功率:2550kW
  工作转速12718r/min;
  z*高工作压力:1.5MPa
  轴振动VT:报警值53μm,停车值63μm

一、离心压缩机振动原因与分析

1.转子不平衡
  转子不平衡的主要原因有转子初始动平衡精度低、叶轮流道不均匀结垢、部件松动、转子弯曲等。
  该压缩机投运1200小时以后出现轴振动值高报警,故可排除转子的动平衡精度影响。但叶轮流道不均匀结垢可能性较大,因湿气进入压缩机腔内会产生结碳。装于转子上的部件松动、转子微弯曲也是有可能的。
  转子不平衡的振动频率为一倍频的几率为90%,二倍频出现几率为5%,其它高频出现几率为5%。附表如下:

表1 转子不平衡故障的振动特性

项  目 性  质
振动方向
振动频率
相  位
振  幅
以径向为主
以旋转频率为主要频率成分
与旋转标记经常保持一定角度(同步)
随着转速升高,振幅增长得很快,转速降低时,振幅可趋近于零

2.联轴器不对中
  压缩机与增速箱高速轴不对中,转子径向振动以二倍频为主。不对中越严重,二倍频所占比例越大,且振动随负荷增加而增加。这主要发生在联轴器附近的两个轴承上。联轴器不对中时,轴向振动较大,振动的频率为一倍频,振动幅值和相位稳定。不同轴严重时(包括轴承不对中),会产生高次谐波,振动不稳定。

表2 联轴器不对中故障的振动特性

项  目 性  质
振动方向
振动频率
相  位
振  幅
易发生轴向振动,如发生轴向振动在径向振动的50%以上,则存在不同轴
不同轴不严重时,以一倍频为主,不同轴剧烈时,则发生二倍频、三倍频等高次频
与旋转标记经常保持一定角度(同步)
振幅与转速的关系不大。随负荷增加而增加
  联轴器不对中与转子不平衡引起轴振动值高,仅从振动频率判断,有时难以区分。两者重要区别是振幅随转速的变化特性,转子不平衡故障,振幅随转速的升高增大得很快,而对于联轴器不对中故障,振幅基本稳定,与转速没有太大的关系,而且其二倍频幅值较大。
3.轴承间隙过大
  轴承间隙过大,也会引起轴振动高,我公司喇一150#BCL607压缩机1997年轴振动一度超高。在排除其它原因后,检查驱动端轴承发现间隙超过正常值近一倍,更换轴承使其与轴配合间隙在允许范围内,其轴振动值为正常。
  D10R9B压缩机轴承润滑油压力、温度、回油量正常,轴承配合间隙不会有问题。
4.轴承压盖松动
  此种情况一般轴承盖上振动值较大,振动频率一般为1/2倍频频率。由于D10R9B压缩机特殊的结构,该机不会发生此种情况。
5.转子有微裂纹
  由于长时间运转,转子可能产生疲劳微裂纹。此时,轴振动表现轴向振幅很高,径向振动频率为倍频频率,或有2~3倍频分量。机组运行时间短,可以排除。
6.气流产生旋转脱离和喘振
  离心压缩机在设计工作转速运行时,当进气流量降到设计正常工作区域边界之外时,气流会在叶轮流道或扩压器流道中产生旋转脱离,气流旋转脱离严重到使压缩机的排气压力低于系统压力时,即发生喘振。其它情况如系统压力突然升高、进气温度突然升高等情况及操作失误也会发生喘振,此时,转子振动加剧,压比、流量大范围波动,压缩机振动十分强烈。振动频率一般是低频振动。
  D10R9B压缩机轴振动振幅和速度在负荷平稳时仍然较高,而且工艺工况平稳正常,压缩机不会发生喘振。
  基于以上分析,对D10R9B压缩机及其相关系统运行作振动检测、诊断分析,确定故障原因。

二、状态检测、故障诊断使用的方法

  哈尔滨工业大学振动工程研究中心、大庆石化总厂设备研究室、大庆石油学院振动检测室、大庆天然气公司机修厂技术部等四家振动检测单位分别采取如下具体测振方法。
  哈工大与石化总厂,利用D10R9B压缩机自身的涡流式位移传感器,将该传感器电信号直接接至测振仪器,测量系统框图如下:

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大庆石油学院振动测量系统框图如下:

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天然气公司机修厂振动测量系统框图如下:

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三、振动频谱比较及分析

  以下对测振频谱进行比较分析。
  D10R9B压缩机工作转速,12718r/min
  D10R9B压缩机倍频,211.9Hz(12.75kCPM)
  以上频谱图中,图1是该机启动时刻采集的(1999年7月3日14时40分)。图2是该机运行27分钟后采集的(1999年7月3日15时7分)。从两图中均可以看出振动信号,一倍频分量是z*主要成分,并存在三分之一和三分之二倍频分量,而且启动时刻与正常运行振动幅值相差5μm左右,说明振幅随转速升高而增大。根据该机振动发展过程及频谱图分析可以判断导致该机轴振动超高和波动的主要原因是转子弯曲度超标或转子不平衡所致。

1.哈工大与石化总厂测振频谱及分析

频率kCPM 12.75 25.50 3.75 2.85 4.05 1.35 9.15 51.15
振幅μm .220E+
2
.300E+
1
.100E+
1
.100E+
1
.100E+
1
.000E+
1
.000E+
1
.000E+
1
频率kCPM 8.85 16.65 2.40 5.55 2.85 4.80 7.50 5.10
振幅μm .000E+
1
.000E+
1
.000E+
1
.000E+
1
.000E+
1
.000E+
1
.000E+
1
.000E+
1

Overall:.230E+2μm
注:所测振幅为半波振幅(0-PEAK)

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图1 喇二压气站1#D10R9B压缩机振动频谱(Y:46μm)
图注:kCPM为每分钟千赫兹

频率kCPM 12.75 25.50 3.90 9.00 16.65 51.00 27.00 21.75
振幅μm .243E+
2
.320E+
1
.250E+
1
.200E+
1
.800E+
0
.300E+
0
.200E+
0
.200E+
0
频率kCPM 29.40 34.50 3.15 1.05 2.85 7.65 9.75 2.25
振幅μm .200E+
0
.100E+
0
.100E+
0
.100E+
0
.100E+
0
.100E+
0
.100E+
0
.100E+
0

Overall:.250E+2μm
注:所测振幅为半波振幅(0-PEAK)

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图2 喇二压气站1#D10R9B压缩机振动频谱(Y:51μm)
图注:kCPM为每分钟千赫兹

  2.天然气公司机修厂测振频谱及分析

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图3 喇二压气站1#压缩机测振频谱(Y:0.64mm/s)

频率Hz 212.7 64.1 5.6 425.3 24.8 11.3 49.5
速度mm/s 0.641 0.163 0.038 0.800 0.040 0.026 0.026

Overall:0.707mm/s

  从天然气机修厂的测振频谱中可以看出(1999年7月3日14时51分测),径向(Y)向轴振动一倍频分量是主要的成分,也存在一定的三分之一倍频分量。三分之一倍频分量主要是压缩机刚运转时工况不稳造成的。二倍频分量在频谱图中也有所体现。二倍频分量说明有50%是联轴器不对中所致,但由于二倍频很小,不是主要成分,因此,联轴器不对中的可能性不大。压缩机振动在一倍频分量占主要成分,由此可以判断:1.转子不平衡;2.转子弯曲或叶轮等部件松动。这是导致该机轴振动超高的主要原因。
  综上所述,四家振动状态检测的图谱及数据是一致的,分析诊断依据是充分的,判断故障:一是转子动不平衡。二是叶轮流道不均匀积碳结垢。

四、故障的处理及效果

  根据以上检测、分析、判断,必须对该机解体,检查或检修转子。为此,在制定出解体检查方案后,组织有关人员对压缩机解体检查,将转子抽出,做动平衡检验及弯曲度检查。检查结果如下:
  1.动平衡精度低于国家规定的G2.5级。
  2.驱动端前两级叶轮流道有积碳夹裹的金属丝网,总重约315g。
  3.转子驱动端径向轴承——轴端迷宫密封段径向跳动0.027~0.03mm。
  这与测振频谱分析基本一致。确定该不平衡的转子送风机制造厂维修。将备用转子换上。压缩机轴振动VT-701Y在10μm左右,其它各项机械运行参数均为正常。新转子运行后机修厂测振图谱如图4。

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图4 天然气公司机修厂测振波谱(Y:0.210mm/s)

频率Hz 25.0 212.7 3.80 425.0 63.8 55.6 21.9
速度mm/s 0.092 0.094 0.053 0.015 0.012 0.011 0.014

Overall:0.275mm/s

  从1999年8月5日测得的新转子振动频谱可以看出,一倍频处振动速度值由原转子的0.641mm/s降为0.094mm/s。

五、小结

  1.对于大型的高速旋转离心压缩机,采用状态监测、振动诊断技术可高效的判断机组故障原因,对设备管理与维修可以作出比较合理、准确的决策,减少经济损失。
  2.离心压缩机发生一倍频振动的原因主要是转子不平衡或联轴器不对中,两者的区别在于振幅随转速的变化特性有差别。
  3.对于因转子不平衡而引起轴振动的压缩机,在其振动值较高或发展速度较快时,应及时检查、检修转子,避免转子弯曲扩大酿成事故,以利于安全生产和经济效益提高。

蔡广斌(大庆油田天然气公司 大庆市 163155)
温宾江(大庆油田天然气公司 大庆市 163155)

来源:网络

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