空分三大机组轴承支座振动高故障分析及处理

王磊

（国能新疆化工有限公司，新疆乌鲁木齐 831404）

1 机组概述

三大机组是某公司空分装置的关键设备，包括空气压缩机、增压机和汽轮机，机组采用“一拖二方式”，即一台高压蒸汽透平汽轮机组为主要驱动装置，分别带动空压机和增压机组，中间分别设有轴承支座和齿轮箱（图1）。其中汽轮机型号SST600，额定功率61 938 kW，额定转速4504 r/min；空压机型号STC-GV（200-3），额定功率32 192 kW，额定流量515 880 m3/h；增压机型号STC-GV（20-4-H），额定功率19 909 kW，额定流量47 706 m3/h。三大机组主机均引进国外公司生产的设备，具有效率高、可靠性强等优点。

图1 三大机组结构布置

由于汽轮机与空压机安装跨距比较大，相应转子连接挠度大等问题，采用了轴承支座分别将汽轮机转子与空压机转子连接在一起的方式，从而避免了上述问题，保证了机组的稳定运行（图2）。

图2 轴承支座结构

2 故障现象

2015 年12 月14 日13:20，机组由于锅炉连锁跳车，20：25重新启动了汽轮机一直运行至26 日13:30，空压机轴承支座振动（VXI7007）一直维持在37～38 μm。13:30 后，VXI7007、VYI7007、VXI7006 振动值上升明显，于27 日11 时左右VXI7007 振动值接近60 μm（图3、图4）。

图3 轴承支座各振动值趋势

图4 轴承支座测点布置

根据在线监测系统S8000 采集的实时振动数据分析发现：2015 年12 月29 日14：03：45 轴承箱振动最大时波形频谱图，工频（75.03 Hz）接近60 μm，在其附近存在幅值略低的0.91 倍频（68 Hz），二者耦合形成“拍振”效应（图5）。值得注意的是，除了以上2 个能量较高的频率外还存在0.09倍频（7.03 Hz），两低频成分之和刚好等于工频，即7.03+68=75.03 Hz，此规律在其他0.91 倍频存在时刻也成立，重复性非常好。

2015 年12 月29 日14:33 机组因VXI7007 振动高跳车（连锁跳车值：124 μm）。跳车后仪表专业针对振动值的测量系统进行了相应的检查：探头及间隙电压、延长线、前置放大器、检查回路接线并进行紧固，以上检查仪表专业未发现异常。随后设备专业针对轴承箱的固定件进行检查，检查台板及轴承箱固定螺栓，用敲击扳手及小锤对其进行了紧固，发现相应螺栓可以紧动，考虑到未使用扭矩扳手，随后未再继续紧固，另外又对轴承压盖螺栓进行紧固，未发现相应螺栓松动。

由于通过上述检查未发现明显的问题，2015 年12 月29 日19:38 对2111 机组进行了重新启动，待机组加载正常后发现VXI7007 的振值基本维持在38 μm 左右波动，并且相对平稳运行正常，而且从频谱图上观察并未发现0.91 倍频的出现。直至2016 年1 月9 日04:22 机组轴承支座VXI7007 出现了波动上涨的现象，通过在线S8000 系统进行频谱分析发现：VXI7007 再次出现了0.91 倍频，随后振值不断攀升。

综合在线监测系统S8000 采集的实时振动数据分析和通过几次连续开停车发现的现象分析：①只要机组重新起机加载正常后，VXI7007 的振值基本上都会维持在38 μm 左右波动，并且运行相对平稳，即便上次机组因VXI7007 的振值高跳车后，重新起机加载正常后，VXI7007 的振值都会恢复至38 μm 左右，并且可以稳定运行一段时间；②一旦机组连续运行时间达到10 d以上，VXI7007 的振动值就会出现不断上升的故障，而且同时在线监测系统S8000 采集的实时振动数据分析发现都会出现0.91倍频。

3 故障初步分析及处理

造成轴承支座振动大的原因很多，轴承支座设计、制造、安装、运行和维护等各个环节失误都可能引起振动。在进行故障原因分析时，必须立足于故障特征展开分析，因此针对此次故障进行了多方面认真分析、研究，并结合造成轴承支座振动的可能原因逐一进行探析，逐步排查出故障的根本原因。

3.1 基础松动

对轴承支座基础进行了外观检查，发现表面有多处浅表裂纹，随后对裂纹处进行了深凿判断，判定并不是贯穿性裂纹，并邀请土建专业再次进行了确认，基本一致认为轴承支座基础无明显问题。

3.2 地脚松动

用扭矩扳手对安装台板地脚螺栓进行扭矩检查（西门子要求：240 N·m），发现1 点位置地脚螺栓有些松动，但是检查使用的扭矩已经超过了厂家的要求（图6）。然后又用扭矩扳手对轴承支座地脚螺栓进行紧固扭矩检查（西门子要求：735 N·m），未发现松动的螺栓。全部紧固后发现VXI7007 振动值并没有减小趋势。

图6 安装台板地脚螺栓紧固情况

3.3 轴承磨损

对轴瓦间隙及上、下瓦面的磨损情况进行检查，其中瓦间隙为0.25 mm，并且上、下瓦面接触情况良好，无磨损情况。另外对瓦背预紧力进行了复核，紧力值0.05 mm，均在厂家要求范围内。

3.4 油封碰磨

对油封进行拆解检查发现下油封间隙有些小，并且下部稍微有些碰磨（图7）。因此对下油封进行了打磨，增大油封间隙，并符合厂家要求（图8）。

图7 油封间隙测量值

图8 修复后油封间隙

通过上述检查及问题处理后，该机组于2016 年1 月16 日21:09 启动，VXI7007 振动值在27～28 μm 波动，比前期振动值下降了10 μm，频谱图并无0.91 倍频分量。一直运行至2016 年1 月30 日09:24，机组VXI7007 振动值开始上升，并且伴有0.91 倍频分量。2016 年2 月5 日18:01，机组因VXI7007 振动值高连锁跳车。

结合初步原因分析及处理可以发现：①轴承支座本体部件，无明显的问题，不是导致故障的原因；②再一次验证了一旦机组连续运行时间达到10 d 以上，VXI7007 的振动值就会出现不断上升，而且频谱又会出现0.91 倍频的情况。

4 原因进一步分析及处理

4.1 热膨胀导致联轴器护罩受力

联轴器护罩的设计是允许其自由滑动的，联轴器罩法兰直接与轴承座外壳相连，另一端与汽轮机轴承箱的法兰相连，内部导向板安装在联轴器护罩的底部用来收集油雾（图9）。由于联轴器护罩受到内部温度的影响，使联轴器护罩产生轴向的伸长，有可能造成联轴器壳与联轴器法兰挤死的现象，内部导流板将会影响到联轴器法兰造成轴承支座的振动（图10）。

图9 联轴器护罩热膨胀示意

图10 联轴器护罩各测点温度

据温度计算，联轴器护罩最大伸长量为2.1 mm（联轴器罩温度为113 ℃时）。打开联轴器护罩进一步调查发现，内部导流板与联轴器护罩法兰未接触。因此，该故障并不是由于热膨胀导致联轴器护罩受力造成的。

4.2 轴承的位移可能导致润滑油供应不足

轴承应以正确的方式进行安装，轴承箱内油管路的安装集中在节流装置的正确安装上，错误安装可能导致额外的压力损失和额外的热量转移到轴承座上，导致润滑油的供应不足（图11）。按照西门子厂家提供的安装图纸，针对轴承及轴承座的安装位置进行了相应的检查，油环通道安装在正确的位置上，轴承温度在正常范围（75～80 ℃）。因此该故障并不是轴承的位移可能导致润滑油供应不足造成的。

图11 轴承位移

4.3 热量传导至轴承座后，导致轴承座不同程度的膨胀

使用湿毛巾对联轴器护罩及联轴器法兰处降温，振动值有所下降；后期采用冰块和多孔软管连续供应冷却水后，振动值下降明显，并且可以维持稳定（图12）。

图12 振动值因降温下降趋势

持续的热量不断地加热联轴器护罩，热量又通过联轴器护罩传递给轴承座，轴承座的上半区域将被润滑油冷却（油温接近43 ℃），轴承座的下半部分将与润滑油的回油管线相连（图13中a 和b 的区域），上轴承座的结构比下轴承座复杂，上轴承座更容易受到热量的影响和将影响轴承的安装位置。另外在回油管线的窥镜里发现了水珠，由于通过用水在这个部位冷却的结果，在回油管线负压的作用，透过联轴器密封处的水分被吸入到了润滑油的回油管线内。因此采用冷却水冷却联轴器护罩的措施应当停止，因为在回油管线内发现了水珠。

图13 a 与b 区域划分示意

轴承座与联轴器护罩的热绝缘，将有效阻止热量传递给轴承座，阻止轴承安装位置的改变。因此，需要在联轴器护罩与轴承座之间安装聚四氟乙烯板来防止热传递，这种措施被积极采用，并在后续的机组运行中得以验证（图14）。

图14 聚四氟乙烯板安装

4.4 油通过联轴器叠片与联轴器法兰进入联轴器中空轴内，形成不平衡量

润滑油被封闭在联轴器护罩内，防止油的泄漏。联轴器护罩内的转轴与护罩空间，产生的气流扰动使油雾分布在整个联轴器护罩内。联轴器护罩内分布的油雾，可以通过联轴器调整片及膜片的最小径向间隙进入联轴器内部（图15）。

图15 油雾进入联轴器中空轴内分布区域

根据西门子厂家的重新核算，油可能进入了联轴器的内部，导致联轴器侧有油滴悬挂，在目前的机组会发生类似的情况。此外，油雾通过在联轴器内部约8 d的累积，可能形成不平衡量，这样也许可以解释为什么稳定运行10 d 左右后，VXI7007 的振动值就会出现不断上升，而且频谱会出现0.91 倍频的原因。而一旦机组停机后，聚集在联轴器内部的油，在重力的作用下会从联轴器膜片和垫片处流出，这样每次重新起机后，VXI7007 的振动值都在正常范围内。

针对上述分析的可能性采取以下措施：①在联轴器垫片处钻2 个Φ4 mm 通孔（图16、图17）；②在联轴器法兰处钻1 个Φ4 mm 通孔（图16、图18）。机组在运行过程中，通过联轴器调整片及膜片进入到联轴器中空轴内的油雾，在联轴器旋转离心力的作用下，第一时间通过新增的通孔被甩出，进入到封闭的联轴器护罩内，然后导流至下部收集管中。此收集管与机组回油总管相连，靠油箱负压最终残油被排入机组油箱，从而避免了油雾在联轴器内部积存形成不平衡量。

图16 联轴器钻孔的位置

图17 垫片钻孔

图18 法兰钻孔

5 校正措施

安装绝热板与联轴器上钻孔这两个措施，同时被应用在机组上，为了验证每一个措施都是否有效，决定在一套机组上同时安装隔热板和联轴器上钻孔，在另一套机组上只采用联轴器上钻孔的措施，通过这样的比对验证，才能最终找到故障的根源。

6 验证结果

对处理后的2 套机组进行测试运行（2016 年4 月23 日—6 月12 日），测试期间两套机组都运行正常，轴承支座的振动值没有任何上升趋势，因此只有在联轴器上钻孔的措施才是解决轴承支座振动的根本措施。

7 结束语

引起机组振动故障的原因有很多种，只要认真观察机组运行中的振动特点和规律，抓住振动成因的相关性，以此来进一步开展分析工作，就能找到引起振动的根源。