油封积碳导致的压缩机磨碰故障分析

张 玲

（中国石油辽阳石化分公司设备监测中心，辽宁辽阳 111003）

0 引言

石化企业中广泛使用高速、高压离心压缩机等旋转机械，为了提高这些关键机组的工作效率，设计人员往往会把轴封、级间密封、油封间隙和叶片顶隙设计得比较小，以实现减小气体泄漏的目标。但是，过小的间隙不但会引起流体动力激振，还会导致转子与静止部件间发生摩擦。一般情况下，部件间摩擦碰撞的初期会产生很大的振动，机器末停车解体检修之前找不出振动的根本原因。因此，必须掌握摩擦激振的故障特征，以便及时、准确地对这类故障做出精准诊断，避免更大事故的发生。

1 摩擦的概念

摩擦是旋转部件和静止部件之间的非正常接触。通常，轴承会阻止机器的旋转部件接触静止部件。当机械零件移动到间隙缩小的位置，或者振动越过间隙时，便会在非轴承的位置发生接触，这时动部件和静止部件将发生摩擦。接触期间，摩擦会对转子的运动产生限制。摩擦会对接触的部件造成直接损害。损害的程度各不相同，从机器的轻度损坏（轻微的摩擦造成）到完全破坏不等。

摩擦总是一种由其他故障导致的继发效应，这种故障使平均轴心位置和轴心动态位置相叠加后超过转子和定子之间的可用间隙。由翘曲的机壳、管道应变、地基问题、温升不均、锁住的齿式联轴器或内部零件错位导致的径向载荷过大、松动及外部或内部不对中，都会导致出现极限平均轴心位置。由过度不平衡、转子弯曲或失稳导致的大幅振动，也会导致出现极限轴心动态位置。即使振动没有达到极限，也会在平均轴心位置附近作动态运动。只要转子的瞬时位置越过可用间隙，摩擦就会发生。

当实际摩擦/定子接触发生在振动周期的一小部分时，称为局部摩擦。当接触发生在整个振动周期内且具有连续性时，称为全周摩擦。局部摩擦是最常见的摩擦表现形式。局部径向摩擦是最常见的摩擦形式，通常可分为两类：正常—紧密和正常—松动。

在正常—紧密摩擦中，机器转子通常运转在无约束条件下。当转子接触轴承壁、密封圈或其他某个零件时，就会受到约束，或者说处于紧密状态。由于转轴的自由运动受到限制，因此转子系统的刚度会增大。正常—紧密是局部径向摩擦最常见的形式。

正常—松动摩擦是机器中松动的表现形式。在这种情况下，转子通常运转在约束条件下。在某一时刻（通常由于大幅振动所致），转子会摆脱约束而进人松动状态。磨损的轴承或松动的支撑结构会引起正常—松动行为。如果转子在轴承壁附近正常运转（由于受到轴承约束，可能在底部附近运转），并且转子振动达到能够动态地使转子完全脱离轴承约束的程度，则转子系统的弹簧刚度将减小，从而导致振动响应发生变化。此外，松动的轴承座还会使转子和轴承抬起或与轴承座失去接触，从而导致轴承座的刚度突然减小。当转子在振动周期的某一时刻重新接触轴承或轴承座结构时，会发生正常—松动摩擦。空气压缩机概貌如图1 所示。

图1 新鲜空气压缩机

2 C2102 空气压缩机检修、运行状态分析

2011 年11 月1 日C2102 空气压缩机机组停机检修，对高压缸入口、出口端轴瓦进行检查、清洗、回装。经检修合格后，11 月5 日压缩机启机试转，测得高压缸两端P2701X/Y 与P2702X/Y共4 个测点振值最大值为39 μm（二取二，报警值55 μm，联锁值66 μm），机组运行正常。

3 月21 日2：03，该机组工艺未做任何调整，高压缸两端P2701X/Y 和P2702X/Y 共4 个测点振值均发生突然改变，P2701X/Y 测点振值增大，P2702X/Y 测点振值减小，振值改变前伴随有轻微波动现象，高压缸两端P2701X/Y 与P2702X/Y 测点振动趋势如图2 所示。

图2 高压缸两端P2701X/Y 与P2702X/Y 测点振动趋势

经现场测试诊断，高压缸两端P2701X/Y 与P2702X/Y 共4个测点频率成分均为工频，高压缸两端P2701X/Y 与P2702X/Y测点频谱如图3 所示，结合该机组以往检修及运行情况，通过以上振动数据分析认为引起高压缸高振动的主要原因是：高压缸两端油封处存在轻微磨碰故障、高压缸入口端轴瓦支撑刚度薄弱（存在瓦间隙不良、预紧力不均、瓦块质量缺陷等问题）。建议对该机组高压缸进行解体检查。

图3 高压缸两端P2701X/Y 与P2702X/Y 测点频谱

4 月2 日，厂组织检修人员对高压缸转子进行解体检修，发现高压缸出口端的油封有一根梳齿脱落立于轴上且变形严重，另一根梳齿角部变形，且伴有轻微积碳现象，高压缸出口端油封损坏如图4 所示，高压缸梳齿掉落处与轴磨损如图5 所示，发现高压缸入口端轴瓦支撑刚度薄弱（存在瓦间隙不良）。于是检修人员更换油封，调整高压缸入口端轴瓦间隙。

图4 高压缸出口端油封损坏

图5 高压缸梳齿掉落处与轴磨损

2022 年4 月19 日，机组试转，转数升至14 794 r/min时，高压缸两端P2701X/Y 与P2702X/Y 共4 个测点振值监测到最大振值为26.26 μm，机组运转正常。充分验证了高压缸存在磨碰故障和轴瓦支撑刚度薄弱问题。波动透平驱动端轴瓦检修前后振值对比见表1，高压缸两端P2701X/Y 与P2702X/Y 测点频谱图测点频谱如图6 所示。

表1 透平驱动端轴瓦检修前后振值对比

图6 高压缸两端P2701X/Y 与P2702X/Y 测点频谱图测点频谱

3 结束语

对比检修前后数据，高压缸两端端轴瓦振值明显下降，整体运行情况良好，目前该机组已运行一周，运行参数平稳，无异常。通过对现场大型压缩机组发生积碳导致的磨碰故障的诊断证明故障诊断技术的有效性。