临时性热变形引发的振动案例分析

赵小阳，孙德超，栾硕，董元亮，张博强

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

1 压缩机介绍

某厂供2BCL406 压缩机是一种高转速的离心式压缩机，结构为二段六级离心式，设计用来输送高压合成气，广泛应用于化工领域。该型压缩机拥分为新鲜段和循环段，6 个压缩级，气体在流经其叶轮时，叶轮高速旋转使气体在离心力的作用下，提升气体介质的压力，同时，会提高气体介质的流速，将原动机的机械能转变为气体介质的静压能和动能。此后，气体在流经扩压器流道时，流道截面逐渐增大，前面的气体流速降低，后面的气体不断涌流向前，使气体的绝大部分动能又转变为静压能，起到进一步增压的作用，后经回流器将气体导入下一级继续压缩。

压缩机参数如下：

气体额定流量：92000Nm3/h、386400Nm3/h

额定转速:12760r/min

额定功率:4676kW

临界转速:第一 2350r/min 第二7200r/min

入口压力:5.14（新鲜段）/7.07（循环段）MPa (a)

入口温度:30.7（新鲜段）/55（循环段）℃

出口压力:8.245（新鲜段）/8.308 循环段）MPa(a)

出口温度:88.6（新鲜段）/72.8（循环段）℃

2 离心压缩机振动故障分析

2.1 离心压缩机振动故障简介

轴系振动过大是离心压缩机最常见的故障，其危害性最大，且引起振动的原因错综复杂。该离心式压缩机运行期间要求轴系4 个测点的振动值不超过25.4μm，此为最优状态，振动值达到55μm 就会触发报警，振动值达到88.9μm，机组会连锁停机。如果设备长期处在高振动值状况下运行，过高的振动值会加速易损件的损耗速度，加速轴承瓦块摩擦接触面以及缸内梳齿密封的磨损，使设备使用寿命缩短，效率降低，严重时会引起轴承直接损坏，转定子刮碰导致抱轴停机等故障，影响到企业的正常生产，给使用方造成巨大的经济损失。

2.2 离心压缩机振动情况分析

2018 年4 月21 日13：40 时，新增压缩机进行空负荷机械运转，介质为空气，各段进出口与大气联通。该机组为电机拖动，不可改变转速，所以在开机前在入口处加过滤网，防止突然增大的吸入风量将异物带入缸体内。运转期间前20min 轴系监测各点数值均呈现良好状态，20min 后非驱动端振动其中一个测点呈现上升趋势，同位置的另一测点有小幅升高，待运行1h 后，开始上升的测点已经由启机时的17μm 升高至43μm，小幅升高的另一测点也由启机时的10μm 升至20μm，由于担心测点还有持续升高的趋势触发报警值，故将机组于15：30 时手动停机，期间非驱动端振动值持续升高，驱动端振动值两个测点始终保持在6.2μm。

离心式压缩机振动基本成因：

（1）由加工和后期运行及介质过脏或有轻微腐蚀性等原因导致的转子不平衡，此类原因引起的振动在全国各个项目时有发生。

（2）转子的临时性热变形：转子在超过设计温度的环境下由于升速过快预加载较高产生临时性不均匀的热变形，在温度降低到设计范围内负荷及扭矩从峰值降下来后，变形量会逐渐消除，此类原因引起的振动不常见，也属于不平衡原因的一种。

（3）轴承类问题：由于润滑油质量不好导致的瓦块磨损过大，轴承在装配过程中间隙及过盈量有误差、瓦块形线不好接触面积不足等原因引起的振动。

（4）仪表类问题：仪表本身存在干扰，仪表线松动，振动探头套管松动，振动探头和位移探头接反等原因引起的振动。

（5）喘振：喘振可以分为弱喘振和深度喘振，它们之间没有分界线，一般出现倒流的喘振多为深度喘振。弱喘振一般为级间喘振，有较小的气流声。一般情况下，喘振不会对轴系振动产生影响，但是严重且持续时间较长的喘振依然会引起轴系振动，因为严重的喘振会引发机组各部工艺管线产生剧烈的晃动，甚至使压缩机气缸产生位移，内部气流也会剧烈的扰动，导致转子产生振动。

（6）气体激振：此类振动主要由密封处的气体旋流扰动转子所致，由于离心式压缩机内部密封多为梳齿密封，属于逐级降压式密封，而且存在一定的泄漏量，密封腔中的气体被高速旋转的主轴所带动产生旋流在密封圆周方向间隙不均匀的情况下会形成不均匀的压力分布，从而引起转子失稳。此类振动的特点是需要压缩机到达一定的转速和内部压力负荷时会突然产生剧烈振动，降低转速降低负荷后振动也会随之降低，多发于介质分子量较大且内部压力较高的设备。

（7）缸体猫爪热膨胀：压缩机运转是对介质做功导致介质升温，故多数压缩机都带有段间气体冷却器，缸体温度升高后猫爪处也会升温，一般在猫爪固定螺栓处会留有0.02～0.05mm 的间隙，如果安装人员忽略此问题，会导致膨胀力无法释放，从而影响两端轴承，有较低概率引起振动。

（8）缸体内部热膨胀：在压缩机试运行过程中，使用非设计介质运行时如果两种介质分子量相差较大，会导致缸内及进出口温度远超设计值，长时间在此状态下运行，有可能导致转定子产生设计之外的热膨胀量，从而使转定子出现刮碰，振动值升高，严重时还会导致设备抱轴损毁。

（9）驱动机和压缩机轴系对中情况较差，由于近十几年各个压缩机生产商均使用膜片挠性联轴器，此类联轴器对于不对中量的吸收能力很强，如果对中误差不太大的话基本都能保证正常运行，当然如果误差过大甚至达到1.5 ～2mm以上依然会引起振动。

3 压缩机振动原因分析

针对此次故障的初步表现进行排查，重新复测对中值发现虽有偏差但是偏差较小，猫爪处间隙合格，由于进出口直接与大气相连，故不考虑喘振因素，且故障表现也不符合气体激振的特性。用户方重新检测仪表干扰问题，确认接线无误且设备附近并没有大功率干扰源。后经拆检轴承后发现非驱动端支撑轴承正下方瓦块接触面积较小，经研磨达到合适的接触面积，复测轴承间隙过盈量等数据均在设计范围内，油质量重新检测，油箱底部取样后发现没有硬点，各项指标均合格。排除上述因素后，机组进行氮气负荷运行，此次运行工艺管线全部连接投用，开机2h，非驱动端振动值依然持续升高临近报警值，且连接工艺管线后发现合成段排气温度显示值已经达到132℃，远超设计值88.6℃，由此推测空负荷开机时缸内温度依然很高，只是经压缩的空气直接排入大气后温度损失较快，没有引起测温人员的重视。经过此次运行，振动原因基本锁定在介质温升较大引起的转定子轻微刮碰、转子不平衡、临时性热变形三点上，由于该机组驱动机没有变频器，不能改变转速，开机10s 内基本能达到额定转速保持不变，而转子本身在冷态状态下如果存在不平衡量则应该在转速快速提升的过程中出现振动值持续升高的现象，而不是在运行20min 后才出现振动升高的现象。如果为转定子刮碰现象导致，则驱动端振动值大概率应有和非驱动端相同的趋势，且转定子刮碰出现的振动多为瞬时振动，一般都是振动值突然出现很大的上升然后快速回落，出现持续刮碰会导致压缩机直接连锁停机，不会出现缓慢的上升趋势。综上所述，故障原因初判为转子由于内部介质温升过大偏离设计值导致转子出现临时性热变形，影响转子的平衡，产生转子失稳。后经远程频谱分析发现一倍频较高，询问后得知设备在生产厂内试运行时此测点振动值为22μm，与设备在现场运行的前20min 相近。虽找到原因，但此类振动只有通过后续开机来验证，在设计介质进入设备运转时，由于分子量为11 左右，比空气和氮气小很多，即使组分变化引起温升稍微高一点也不会像空气和氮气一样高。设备于2018 年8月正式投用，进入合成气介质达到额定转速后振动值稳定在26μm 没有持续上升。此次故障分析正确有效。

4 结语

为了使离心压缩机能够长期平稳可靠地运行，在投运过程中，应严格按照设备监测数据调整合适的运行方式，对设备进行定期的维护保养，及时找出引起设备不良的原因进行分析排查，观察问题的细节不可蛮干，以保证压缩机的高效和使用寿命。