利用在线监测系统精确诊断压缩机摩碰故障

谭兴斌

（中国石油辽阳石化公司机动设备处设备监测中心，辽宁辽阳 111003）

0 引言

石化企业工艺复杂，设备繁多。随着旋转机械向智能化，高速化发展，设备的精密度越来越高，价格也愈发昂贵。一旦旋转机械发生故障，不但影响企业的连续生产，甚至带来难以估量的经济损失。远程实时在线监测系统的出现，为精确诊断机组故障提供了强大的数据支持，为制定科学合理的检维修方案提供了依据。旋转机械在运行过程中，因机械受力和动刚度的变化，会出现如不平衡、不对中、摩碰、流体失稳等故障现象。下面具体介绍如何通过在线监测系统精确诊断压缩机摩碰故障，为设备管理人员进行旋转机械故障诊断提供参考。

1 摩碰故障概述

摩碰故障是一个复杂的非线性动力学过程，是转子与静止部件（如密封）由于间隙调整问题或者转子自身的弯曲、平衡、热胀以及气体激励，造成转子失稳而产生比较大的振动，致使转子与静止部件发生碰撞摩擦（图1）。根据摩碰时转子和静止部件接触情况，转子摩碰大致有局部摩碰和整周摩碰两种形式。一般的转子摩碰从局部摩碰开始，当摩碰比较轻微的时候，转子与静止部件的接触不是完全连续的，而是瞬间的（可以反复出现）。若静止部件（如密封）材料相对较软时,一般造成静止部件的磨损，当这种摩碰不足以改变转子运行状态的时候，动静部件又脱离接触。如果接触程度严重，到了足以改变转子运行状态的地步，将可能发生动静部件充分接触，使得转子支撑系统刚性变化增大，导致转子失稳，进而产生动静部件整周摩碰，机组振动急剧加大，运行状态将无法控制，直接威胁整个生产装置的安稳运行。

图1 转子系统摩碰示意

在旋转机械开机和停机过程，空载和负载过程中，都会发生摩碰故障。其严重性取决于哪些部件互相接触、这些部件的材料组成、引起摩碰的转动速度、转子与静止部件的结构硬度、以及冲击速度本身。

摩碰导致的振动多数情况下不具有规律性，可能是突发的振动现象，也可能是长期无规律的振动波动。如果不及时处理，就会发展为更严重的摩碰故障，进而因摩擦发热导致转轴弯曲事故。

摩碰故障的发生，给机组的平稳运行带来极大的安全隐患。利用机组的振动信号准确地诊断机组摩碰故障，就有必要掌握旋转机械摩碰故障的振动特征。

2 摩碰故障特征

2.1 转子系统摩碰的一般特征

（1）当发生摩碰时，转子的刚度会改变，并因此在摩碰中改变转子的固有频率。

（2）摩碰会导致局部磨损和变形，这取决于碰撞的角度和冲击速度。

（3）摩碰不仅会产生大的作用力，还会产生高扭矩，并立刻影响到电气特征，有时会导致电流的增大。

（4）当发生摩碰时，摩碰会对抗轴的旋转。这个大摩擦力甚至会产生向后的涡动，即“反进动”。

（5）摩碰会造成功耗上升和效率下降，同时局部会有温升，因此工艺参数对转子与静止部件摩碰的故障诊断非常重要。

（6）轴心轨迹图在诊断摩碰时也非常有帮助。

（7）局部摩碰通常先于整周摩碰发生。

2.2 局部摩碰的振动特征

（1）发生局部摩碰时，时域波形呈轻微的削波现象。

（2）振动频率成分会出现1/n 倍频及n 倍频，并伴随1 倍频成分。

（3）振动的方向主要是径向，且振动值波动明显。

（4）轴心轨迹图紊乱，转子进动方向为反进动。

（5）振动时，相位出现反向位移。

2.3 整周摩碰的振动特征

（1）整周摩碰的特征就是1 倍转速频率的反进动，而不平衡会产生正进动，它在转子与接触表面系统的固有频率下发生。

（2）另一种整周摩碰是以1 倍转速频率的响应为主，并伴有一些较低幅值的转速谐波。

（3）由于整周摩碰时摩擦连续不断，因此会产生非线性响应，即产生很多转速谐波。

（4）整周摩碰的振动幅值取决于轴承间隙与系统阻尼。

（5）振动的方向主要是径向，且振动值波动明显。

（6）轴心轨迹图紊乱，转子进动方向反进动。

（7）振动时，相位出现反向位移，跳动和突变。

3 摩碰故障诊断实例

3.1 故障描述

某石化企业200 万吨/年加氢精制装置C9101 压缩机（图2）自2020 年6 月起透平端1H、1V、2H、2V 四个测点振动值出现波动，且波动频次、幅值不规律。利用在线监测系统监测到2H、2V 测点最大振值分别为47.5 μm、32.1 μm（报警值为50 μm）。车间针对此情况，特制订了监护运行方案及应急预案。

图2 机组概貌

3.2 诊断分析

C9101 压缩机组透平两端测点振值出现无规律频繁波动，具体现象表现为：机组振值出现波动时，透平驱动端测点振值升高，非驱动端测点振值下降，波动结束后，振值能恢复至波动前状态（图3、图4）。通过在线监测系统，发现2H、2V测点频率成分以工频占主导，伴有少量的分频及高频成分（图5、图6）。振值波动升高时，工频成分增长显著，一倍频相位发生变化，时域波形存在较明显削波现象（图7、图8），轴心轨迹反进动（图9）。通过相关在线图谱，综合分析认为该机组存在局部摩碰故障。

图3 1H、1V 测点振动趋势

图4 2H、2V 测点振动趋势

图5 2H 测点频谱

图6 2V 测点频谱

图7 2H 测点波形

图8 2V 测点波形

图9 透平驱动端轴心轨迹

3.3 检修反馈

2021 年3 月21 日，该机组进行窗口检修，机组解体后，发现透平驱动端气封处蒸汽结垢，运行的转子与凸起的垢层发生局部摩碰故障（图10）。垢层磨平后，局部摩碰消失，待垢层积聚并凸起后，又出现新一轮的摩碰。如此不断反复，振值也起伏波动。

图10 局部摩碰故障部位

4 结论

摩碰故障是机组运行中的常见故障，该类故障诊断的关键点是根据故障特征进行综合判断。利用在线监测系统对该类故障进行远程诊断时，可以从波形、频谱、轴心轨迹等多个角度展开分析，以达到精确诊断的目的，从而不断提高旋转机械的故障诊断水平。