螺杆压缩机振动大原因分析及处理措施

刘 煜，文全国，孙华丽，王传荣，张艳全

(中国石油天然气股份有限公司独山子石化公司设备检修公司，新疆 独山子 833699)

某公司某厂某装置的19台螺杆压缩机主要作用是将装置生产的成品粒料输送至包装线，但其运行过程中频繁出现的故障现象，对装置平稳运行及周边环境造成了一定影响。如何彻底消除螺杆压缩机振动大的故障，延长设备运行周期，确保生产安、稳、长运行，成为设备管理的一个难点。

1 螺杆压缩机简介

螺杆压缩机由德国艾珍公司生产，型号为VM140，主要零部件有机壳、转子、轴承、密封组件、齿轮等【1】。机壳由机体(气缸体)、吸气端座、排气端座(与气缸体为一体)及两端端盖组成，材质为优质灰铸铁。径向轴承采用圆柱滚子轴承；推力轴承位于排气端,采用角接触球轴承。为了防止压缩气漏入油箱，轴封采用浮环密封，密封环材质为碳环；为防止润滑油泄漏，采用了螺纹迷宫密封。齿轮变速为一级变速，采用增速齿轮及同步齿轮实现转子运行。其基本结构如图1所示。

图1 螺杆压缩机结构

转子为螺旋线齿、对称圆弧型线，扭转角为270°，采用优质碳素钢锻造。

螺杆压缩机基本参数如表1所示。

表1 螺杆压缩机基本参数

2 故障现象

该装置的1台压缩机B自2012年11月以来，振动速度值持续升高，2013年3月9日之后一直在10.6～13.4 mm/s之间(压缩机运行正常标准≤6 mm/s)，而其他该型号的机组振动速度值一直在6 mm/s以下，其振动数值如图2所示。

3 原因分析

压缩机振动值严重超标，随时都会出现故障停机，严重影响装置平稳运行及上游裂解装置工艺产量。因此，结合现场实际，对可能引起压缩机振动值超标的故障进行逐一排除以确定具体原因。

图2 2012～2013年压缩机运行状态

3.1 连接螺栓是否松动

螺栓连接是最常用的连接结构形式，松动失效为其主要失效形式之一，在螺栓松动初期可能不会影响螺杆压缩机组的正常运行，但是随着松动的进一步加剧，可能会造成整个螺杆压缩机组的失效进而引发重大安全生产事故。

使用力矩扳手分别对电机、压缩机地脚连接螺栓、压缩机本体连接螺栓进行了校验，结果如表2 所示。由表2可知，连接螺栓并未发生松动。

表2 连接螺栓力矩紧固 单位：N·m

3.2 螺杆压缩机基础刚性

螺杆压缩机组整体安装在刚性基础上，如果基础刚性差则相当于整个基础就是一个振动源，而通过振源传递将会造成整个机组的振动值增大。

在压缩机运行过程中，用振动检测仪器VM63对基础进行振动监测，发现其振动值≤0.8 mm/s，测点如图3所示，实测数据如表3所示。

图3 压缩机基础测点

表3 压缩机基础振动值 单位：mm/s

从表3中可以看出，基础的振动值符合HGJ 205—1992《化工机器安装工程及验收规范》≤1.0 mm/s的规定，满足基础刚性要求。

3.3 工艺操作是否有波动

工艺操作波动(如进气量的频繁变化)会造成机组轴向负荷的交替变化，影响机组运行寿命【2】。与工艺进行对接确认，结果显示：各项操作均严格按照操作规程进行，工艺操作无调整、无明显波动现象。

3.4 螺杆压缩机机组对中

螺杆压缩机机组对中不良会造成一系列有害于设备的动态效应，如引起机器联轴器偏转、轴承早期损坏、油膜失稳、轴弯曲变形等，导致机器发生异常振动【3】。

利用激光对中仪对螺杆压缩机进行复查对中，结果显示：端面<0.02/100 mm，外圆<0.05 mm，联轴器轴向间隙值为5 mm； 而压缩机维护手册对中要求为： 端面≯0.05/100 mm， 外圆≯0.08 mm，联轴器轴向间隙值为3.5～5.5 mm。由上述复查结果可知，该压缩机机组对中符合要求。

3.5 进、出口管线是否堵塞或存在应力

用高压空气对压缩机进、出口管线进行吹扫，未发现憋压情况，且进、出口过滤器干净。对压缩机进行复查对中，其中，断开进、出法兰时压缩机的对中数据为：端面0.02/100 mm，外圆0.02 mm；连接进、出口法兰后再次复查的对中数据为：端面0.02/100 mm，外圆0.02 mm。由上述数据可知，其变化值符合标准值≤0.05 mm的要求。进一步检查进、出口管线发现，进、出口法兰面平行度为0.05 mm，径向位移为0.10 mm，也满足HGJ 205—1992规范中平行度标准值≤0.10 mm、径向位移≤0.20 mm的要求。

3.6 润滑油是否有杂质

与工艺人员共同确认所添加润滑油，并对润滑油取样进行化验，未发现任何杂质成分；现场检查油管线也未发现杂质；采用空压机对管线进行吹扫均畅通。

3.7 轴承间隙是否符合标准

对螺杆压缩机电机滑动轴承进行解体检查，结果显示：滑动轴承轴瓦表面光滑，无硬点、裂纹、气孔、夹渣、脱皮、脱壳等缺陷【4】。滑动轴承各部数值如表4所示。对螺杆压缩机本体滚动轴承进行检查，结果显示：滚动轴承转动自如，无点蚀、疤坑、毛刺等缺陷。各滚动轴承游隙值如表5所示。

表4 电机滑动轴承各部数值

表5 各滚动轴承游隙值 单位：mm

3.8 齿轮磨损或啮合部位是否合适

将螺杆压缩机解体，检测其齿轮啮合情况，发现同步齿轮损坏严重，阳转子传动齿轮齿断裂，输入轴传动齿轮也有不同程度的损伤，损坏情况如图4所示。

3.9 转子啮合间隙是否符合标准

用塞尺对转子与壳体径向间隙、转子与壳体端面轴向间隙、转子之间的啮合间隙进行检查测量，均符合标准要求。测量结果如表6所示。

3.10 转子是否弯曲

发现同步齿轮损坏后，对螺杆压缩机进行进一步解体，检测转子的弯曲度，检测结果如图5和表7所示。

图4 压缩机同步齿轮损坏情况

表6 转子各部间隙值 单位：mm

图5 压缩机转子检测

单位：mm

从检测结果可以看出：阳转子弯曲度远远超过了标准值。

3.11 转子是否动平衡

螺杆压缩机解体完成后发现：阳转子固定端端面有磨损现象，转子表面也有烧焦现象。对其进行动不平衡校验，结果显示：阳转子残余不平衡量25.32 g，阴转子残余不平衡量9.24 g。

已知：阳转子质量为150 kg，半径为129 mm，转速为6 502 r/min；阴转子质量为90 kg，半径为107.5 mm，转速为4 335 r/min，动平衡精度为G6.3。

下面根据式(1)和式(2)计算允许的转子残余不平衡量。

m=(Eper×M)/(r×2)

(1)

式中：m——允许残余不平衡量，g；

Eper——允用不平衡精度，μm；

M——转子的自身质量，kg；

r——转子的校正半径，mm。

其中

Eper=(G×1 000)/(n/10)

(2)

式中：G——平衡精度等级，mm/s；

n——转子工作转速，r/min。

经计算得出：

m阳=(Eper×M)/(r×2)

=[(6.3×1 000)/(6 502/10)]×

150/(129×2)=5.633g

m阴=(Eper×M)/(r×2)

=[(6.3×1 000)/(4 335/10)]×

90/(107.5×2)=6.084 g

由上述结果可知，阴、阳转子的残余不平衡量均远远超过允许值。

通过对上述可能引起螺杆压缩机振动值增大的原因进行逐一排查，确定了引起机组振动大的根本原因为：同步齿轮损坏、转子弯曲和转子动不平衡。

4 处理措施

4.1 同步齿轮损坏

对于损坏的同步齿轮，可采取齿轮堆焊、镶齿法、镶环法进行修复【5】，但从修复后同步齿轮的硬度、传动精度及费用等多方面综合考虑，本次采取更换新齿轮的方法。

4.2 转子弯曲

对于转子弯曲的修复方法，查阅相关资料后得到以下3种方案。

4.2.1 捻打法

捻打法是将主轴凹面向上放置，用锤捻打凹处，使金属分子间的内聚力减少而使纤维伸长，达到直轴的目的【6】。轴下面置油压千斤顶,然后用宽为30～40 mm、厚为7～10 mm的冲头击打弯曲部位。通常冷击10～15次,然后拆卸压紧装置与千斤顶,将轴放回原轴承,用千分表测量矫直后的弯曲程度。若不满足要求，则重复上述步骤，直至弯曲值恢复到0.03～0.04 mm时,可认为矫直结束。但此种方法会使材料存在残余应力。

4.2.2 局部加热法

此方法通过局部加热使凸出部位的金属纤维收缩、凹入侧的金属纤维伸长，以达到使主轴伸直的目的【6】。加热范围为轴向长0.10～0.15D(D为轴直径)、 圆周向宽0.3D， 温度不超过 500～550 ℃。这种矫直方法需要多次反复矫正，精度较低，有可能在今后的退火及运行中使轴向反侧弯曲；且容易产生残余应力,使轴在高温工作条件下恢复到原来弯曲的程度；同时残余应力会造成转子在运转中破坏平衡。

4.2.3 弯曲部位先堆焊、后车削

在转子弯曲部位先进行堆焊， 再进行车削加工， 然后安装2个径向轴承作为支撑， 检查其弯曲度， 直至符合要求为止。此种方法精度高， 不会产生应力； 且修复后稳定性高， 不会出现再次弯曲现象。

具体操作如下：首先采用8点找正法找出转子的最大弯曲点，然后通过堆焊增大轴的直径，再利用车床进行车削修复对阳转子进行矫正。矫正后，测得阳转子的弯曲度≤0.04 mm(见表8)，符合标准≤0.05 mm的要求。

表8 阳转子弯曲度值 单位：mm

4.3 转子动不平衡

根据式(1)计算出的阴、阳转子所允许的动不平衡量分别为6.084 g和5.633 g，动平衡校验时，其不平衡量不能大于该数值。由此可见，阴、阳转子的动不平衡质量至少需要分别减小3.156 g 和19.687 g。

根据转子的结构，采用去重法减少动不平衡量。所谓去重法，即在重的一方用钻孔、磨削、錾削、铣削和激光钻孔等方法去除一部分金属【7】。图6所示为调试阴、阳转子动平衡的操作。经过反复动平衡处理后，测得阴转子的最大残余不平衡量为3.67 g，阳转子的最大残余不平衡量为3.51 g，满足压缩机精度要求。

图6 阴、阳转子动平衡的调试

5 效果验证

2013年9月以来，通过更换新同步齿轮、矫正阳转子弯曲度以及动平衡校验等，回装后螺杆压缩机运行状态如图7所示。

由图7可见，采取消缺措施后，螺杆压缩机运行平稳。

6 结语

针对螺杆压缩机频繁出现振动故障的现象，对引起故障的原因逐一进行排查，确定具体原因并采取相应措施，彻底消除了设备故障。此外螺杆压缩机阴、阳转子配件费用约为130万元，采取堆焊车削的方法对旧配件进行修旧利废，一方面节约了成本，另外一方面也为同类型机组的设备故障消缺提供了技术参考。

图7 2013年采取消缺措施后的螺杆压缩机运行状态