状态监测技术在循环气压缩机电机振动故障诊断中的应用

吕志坚

(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)

循环气压缩机是为气相反应物和惰性组分提供动力的设备，可使其在含少量催化剂的树脂流化床中连续循环；循环气流经树脂床，使床层流化并带走聚合热，然后再通过循环气冷却器从循环气中撤走聚合反应热及压缩热。压缩机非计划停车将终止硫化树脂床反应， 造成装置停工及大量原料浪费。某石化厂循环气压缩机在历年运行中， 故障主要表现为气相反应物介质中粉料在压缩机叶轮上结料， 造成转子动平衡精度下降；为适应市场需求， 产品牌号频繁转换， 不同粘性产品在叶轮上结料的速度不同， 导致故障发生的频率也不同。而本文所述的电机轴瓦频繁波动的故障在该压缩机运行过程中首次出现， 在拆检时找出故障的原因， 并采取科学合理的措施， 彻底解决了该问题。下面详细介绍故障现象及分析诊断过程。

1 设备概况

1.1 机组简介

某石化厂循环气压缩机为日本神户制钢公司生产的单级、开式叶轮、恒速离心式压缩机，型号为DH9M。循环气循环流率由压缩机吸入口的入口导叶控制。该压缩机功率为5 100 kW；进口压力为2.262 MPa，出口压力为2.43 MPa，设计压力为3.103 MPa；操作温度为45～100 ℃，设计温度为170 ℃；压缩机转速为2 983 r/min；设计流量为57 375 m3/h；机体总质量37 000 kg；密封系统采用约翰克兰干气密封系统；驱动机采用了双驱动机方式，由蒸汽透平通过液力耦合器与电机非驱动端连接，再由电机与压缩机连接，可实现节能降耗。

1.2 机组振动测点分布及压缩机机组结构

机组振动测点分布及压缩机机组结构分别见图1和图2。

图1 机组振动测点分布

图2 压缩机机组结构

2 电机轴瓦振动波动故障现象

2019年9月，对压缩机进行了解体检修、叶轮水力清洗，更换干气密封，检查电机轴瓦，并在轴承座上加装了热电偶温度探头，实现二选二温度联锁保护。开机后，电机驱动侧振动较检修前有增大现象，并且存在幅值波动，运行至2020年9月，波动频次及幅值均有所增大。SG8000在线监测系统显示：2020年9月15日 06：36：04，电机驱动端探头VI40304A/B振动幅值从37.4 μm/14.24 μm上涨到8:26:05的85.11 μm/51.78 μm，然后再回落至9:26:04的25.2 μm/21.2 μm。压缩机联轴器端探头VI40303B也跟随电机驱动端出现11 μm的反向波动。随后，2020年9月16日再次出现波动。2020年9月21日23:41:57， 电机驱动端VI40304A波动至峰值94.73 μm，VI40304B波动至峰值63.89 μm，相应地，压缩机联轴器侧出现跟随性振动，而电机非驱动端及压缩机非联轴器未出现波动。

3 振动故障原因监测与分析

3.1 状态监测图谱

通过对机组振动及温度进行监测发现：振动波动主要集中在压缩机与电机之间的联轴器两侧径向振动测点，与电机侧振动幅值上涨相对应的是压缩机侧振动幅值的变化， 当幅值变化较小时， 其余测点无变化； 各轴瓦温度无同步变化。因此，可将故障部位缩小到压缩机与电机之间的联轴器两侧。

3.2 图谱分析及故障诊断

分析波动期间振动趋势图发现：电机驱动端x和y方向同步出现振动正向波动(如图3所示)；压缩机驱动端x和y方向同步出现振动负向波动(如图4所示)。波动期间电机驱动端时域波动为正弦波，波形光滑无毛刺，从频域中可以看出，通频幅值波动主要是由于1X幅值增加所致(见图5)；瀑布图中无新增频率成分出现，工频幅值成分波动为同频值波动的主导因素，其余频率成分无增大变化(见图6)。从轴心位置图可以看出，当振动幅值达到最大时，轴心位置向上移动了17 μm，转子偏心率减小，稳定性下降【1】(见图7)；从轴心轨迹可以看出，电机转子出现长时间反进动，此时转子存在轻微碰磨。提纯后的轴心轨迹呈长轴远大于短轴的椭圆形，在x轴方向较长(见图8)。由此可以判断，转子在波动过程中，振幅较大，垂直方向受转子重力作用，抑制了振动值幅值增大【1】，水平方向出现了大幅波动。根据轴瓦温度趋势可以判断，转子与轴瓦并无接触；根据反进动出现时间及波动特征可以判断，电机驱动端出现了软碰磨【2】。

图3 电机驱动端径向振动趋势

图5 电机驱动端径向振动波形频谱

图6 电机驱动端径向振动瀑布

图7 电机与压缩机之间联轴器侧轴心位置

图8 电机与压缩机之间联轴器侧轴心轨迹

3.3 检修情况分析

2019年大修期间，电机驱动端更换轴瓦和油封， 更换后电机轴瓦间隙为联轴器侧0.21 mm、非驱动端侧0.22 mm，电机主轴轴瓦部位轴径为φ159.79 mm，轴瓦安装间隙符合检修标准要求(0.16～0.26 mm)。电机轴径、轴瓦测量数据见表1。

表1 电机轴径、轴瓦测量数据

检修期间更换的电机轴瓦为原厂配件，经各项检查合格后使用。电机挡尘环因拆检时损坏，由密封厂家进行了测绘加工制作，由于该零件在图纸上并未标明规格尺寸，而电机驱动端挡尘环已安装完毕，无法进行对比；检修人员对新挡尘环进行了尺寸检测，发现内、外径不完全符合安装配合间隙。由此可以判断，电机驱动端出现的软碰磨很可能为该挡尘环导致的。挡尘环材质为聚甲醛，上、下两半圆弧由弹簧固定，应该具有一定补偿和随动性能。检修更换配件清单见表2。

表2 检修更换配件清单

3.4 诊断结论

电机动、静部分存在软碰磨，可以确定碰磨部位在驱动端，排除轴瓦及油封碰磨的可能性。转子轴系无机械故障；与电机转子出现软碰磨的部件应为电机驱动端挡尘环；挡尘环受轴向和径向位置限制，与转轴接触，其复位后，振动波动消失。转轴与聚甲醛挡尘环碰磨属于刚性和柔性材质的碰磨，作用时间较长，摩擦过程出现转子反进动，时域波形并未出现削波现象。电涡流传感器安装在轴承箱外侧单独的壳体上，贴近挡尘环部位，当发生碰磨时壳体受到冲击，在频域中表现为工频振动增大，在壳振监测中表现为同步振动增大。

4 拆检及故障验证

为避免压缩机非计划停机带来的影响，决定进行停机检修。拆检新加装的热电偶温度传感器，未发现机械干扰；拆检轴承箱上盖，检查轴瓦，未发现磨损现象；测量轴瓦间隙、瓦背紧力，均在标准范围内；测量电机隔爆环间隙、油封间隙，未发现磨损；检查挡尘环发现，其端面较旧环增加0.2 mm，内径增大0.7 mm，外径增大8.6 mm，外径与壳体间隙为零。

挡尘环外径间隙小造成其安装后在壳体中呈现无法自动调节状态，随动补偿性能下降，转轴与挡尘环间隙变得不均匀，最小部位小于轴瓦间隙。运行过程中转轴与挡尘环接触后产生软碰磨，导致振动逐渐增大；当卡涩的挡尘环在持续转轴离心力作用下慢慢在环槽内调整到合适位置时，软碰磨减缓，振动降低。如受到温度变化影响，则会再次出现碰磨情况。挡尘环安装位置见图9。

图9 挡尘环安装位置

由于无新配件可供更换，为了保证电涡流传感器安装腔体内的洁净度，将旧挡尘环去除，在腔体外侧对称安装两条进气线。改造后进气线安装见图10。通过进气线通入气体，可使腔体内保持微正压，防止灰尘、油水进入腔体。经上述改造处理后，彻底解决了电机振动波动故障，使机组的运行恢复平稳。

图10 改造后进气线安装