周衛(wèi)，李家兵,李庭建，易傳濤

（湖北凱暉化工有限公司，湖北 鐘祥431913）

離心壓縮機(jī)是典型的速度式流體機(jī)械，通過葉輪、擴(kuò)壓器等過流部件實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程。與往復(fù)式壓縮機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕等優(yōu)勢，且除軸承外不需要內(nèi)部潤滑，不會污染被壓縮的氣體，在工藝系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括定子、轉(zhuǎn)子及其他部件。其中，定子與主機(jī)殼體固定，包括蝸殼、擴(kuò)壓器等；而轉(zhuǎn)子隨主軸旋轉(zhuǎn)，包括葉輪、主軸等。受葉輪強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子動平衡等因素影響，離心壓縮機(jī)的單級壓比較低，通常需要多級壓縮實(shí)現(xiàn)較高排氣壓力。根據(jù)結(jié)構(gòu)和性能要求，采用共軸和多軸2 種結(jié)構(gòu)方案均可實(shí)現(xiàn)多級壓縮[1]。其中，共軸方案中多級葉輪公用主軸，具有相同的轉(zhuǎn)速，此時葉輪氣動設(shè)計較為復(fù)雜，各級參數(shù)匹配、級間泄漏等均影響其性能和可靠性。多軸方案則采用不同轉(zhuǎn)速的主軸驅(qū)動不同葉輪，但各級主軸傳動過程中的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性更加突出。

離心壓縮機(jī)的葉輪和主軸是核心部件，而軸承、密封等為易損部件。當(dāng)設(shè)計不合理、長周期運(yùn)行或極端工況下，軸承、密封等易發(fā)生故障，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)子動平衡，甚至造成葉輪損壞、主軸斷裂等惡性事故。根據(jù)設(shè)備故障現(xiàn)象溯源故障原因，研究針對性的檢維修方法和手段，對提高離心壓縮機(jī)運(yùn)行可靠性，縮短維修時間具有重要意義。

1 典型故障

離心壓縮機(jī)作為高速旋轉(zhuǎn)的動力機(jī)械，其安全可靠運(yùn)行是基礎(chǔ)。由于轉(zhuǎn)速較高，且主軸支撐條件和葉輪負(fù)載條件復(fù)雜，故對轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量、零部件加工和裝配精度等具有較高的要求。盡管如此，高轉(zhuǎn)速、零部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等，依然使離心壓縮機(jī)運(yùn)行過程中不可避免的伴有振動過強(qiáng)、轉(zhuǎn)子失衡、軸承溫度高、密封不佳等故障，造成性能降低、連鎖停機(jī)甚至部件損壞[2]。

對于實(shí)際運(yùn)行的離心壓縮機(jī)，其故障的表現(xiàn)形式較復(fù)雜，部件損壞程度不同，但其本質(zhì)多為如下原因：

1）轉(zhuǎn)子不平衡。材料、加工等誤差容易造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量分布不均，產(chǎn)生局部不平衡質(zhì)量，在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生附加的周期性慣性力，造成壓縮機(jī)出現(xiàn)振動情況[3]。設(shè)計、材料、加工和裝配等均可能造成轉(zhuǎn)子不平衡，其中，設(shè)計原因一般指設(shè)計轉(zhuǎn)子時忽視了偏心距或測量不準(zhǔn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子幾何形狀不對稱；材料原因一般指葉輪、主軸等材料在質(zhì)量、厚度等方面一致性較差，局部存在砂眼、孔洞等，造成質(zhì)量分布不均；加工原因一般是指轉(zhuǎn)子在加工過程中局部切削不均、加工偏差大等；裝配原因一般指轉(zhuǎn)子部件間、轉(zhuǎn)子與軸承間裝配精度差引起的高速、高負(fù)載時產(chǎn)生的質(zhì)量不均。轉(zhuǎn)子不平衡是造成離心壓縮機(jī)故障的主要原因，壓縮機(jī)維修、維護(hù)后通常需要再次進(jìn)行動平衡檢查。

2）轉(zhuǎn)子不對中。離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子熱膨脹不均勻、介質(zhì)溫度偏離設(shè)計量、基礎(chǔ)或基座沉降不均勻等易造成壓縮機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)生轉(zhuǎn)子不對中、軸承磨損、油膜失穩(wěn)和軸彎曲等故障，甚至進(jìn)一步造成局部碰摩、葉輪損壞等事故[4]。實(shí)際中，轉(zhuǎn)子不對中包括角度不對中、平行不對中以及組合不對中等，通過對比冷、熱態(tài)轉(zhuǎn)子對中數(shù)據(jù)，監(jiān)測轉(zhuǎn)子軸心軌跡，振動隨轉(zhuǎn)速、油溫、介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度等的變化趨勢能初步判斷該故障。校準(zhǔn)冷態(tài)對中數(shù)據(jù)、主機(jī)保溫、調(diào)整基礎(chǔ)沉降等是改善轉(zhuǎn)子不對中故障的主要手段。

3）局部碰摩。在離心壓縮機(jī)葉頂間隙和密封間隙越大則效率越低，減小各間隙能有效降低泄漏。但轉(zhuǎn)子變形、部件磨損、裝配誤差、轉(zhuǎn)子振動等常造成動、靜部件間局部間隙減小，使轉(zhuǎn)子與密封發(fā)生碰摩[5-6]。此外，潤滑油壓力或溫度異常、軸瓦偏置和軸瓦局部磨損等會使破壞軸承內(nèi)部油膜，轉(zhuǎn)子與軸瓦易發(fā)生碰摩。碰摩發(fā)生時常伴有軸瓦破裂、密封損壞甚至葉輪破損，且破損部件在壓縮機(jī)內(nèi)部易發(fā)生二次損壞，造成惡劣事故。通常，碰摩發(fā)生前會表現(xiàn)為振動噪聲異常、軸心軌跡突變等現(xiàn)象，在線監(jiān)測并連鎖停機(jī)是避免碰摩發(fā)生的主要手段。

4）油膜振蕩。高速離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子渦動頻率與其固有頻率重合時，將發(fā)生油膜振蕩。發(fā)生油膜振蕩時通常伴有強(qiáng)烈振動和異響、軸心軌跡發(fā)散，且振動對潤滑油溫度敏感而對轉(zhuǎn)速不敏感等現(xiàn)象。提高油溫、增大軸瓦油壓、調(diào)整軸瓦位置等能有效改善油膜振蕩。

2 檢修實(shí)例

某氮?dú)鈮嚎s機(jī)為4 級結(jié)構(gòu)布置方式，其中第1級和第2 級為公用低速軸，而第3 級和第4 級為公用高速軸。2020年7月19日，壓縮機(jī)4級振動量升高導(dǎo)致停機(jī)，初步判斷為3級和4級轉(zhuǎn)子動平衡性能下降，但校核動平衡后仍因第4級振動超標(biāo)。進(jìn)一步考慮軸承配合引起振動增大，故更換了高速軸的軸瓦后，在轉(zhuǎn)速為1.5 kr/min 時做整體動平衡，修磨后第1—第4級的不平衡質(zhì)量分別為41.4、20、28、422 mg。啟動運(yùn)行后，出口壓力為2.04 MPa 時第1—第4 級振動量分別為15.3、7.7、9.7、20～25 μm，其中第4級振動量仍較高?？梢?，較大的不平衡質(zhì)量時造成較高振動的主要原因。

2020年8月24日發(fā)生第1級葉輪損壞故障，其原因是進(jìn)口導(dǎo)葉銷強(qiáng)度不足，在高負(fù)荷下破裂脫落并進(jìn)入第1 級葉輪，造成葉輪損壞。更換了第1級葉輪、擴(kuò)壓器和進(jìn)口導(dǎo)葉銷以及第2級和第3級拉桿后，重新調(diào)整了軸瓦間隙、軸串動量和齒輪間隙，再次對轉(zhuǎn)子做動平衡以降低因新零件和重新裝配造產(chǎn)生的不平衡質(zhì)量。裝配及動平衡參數(shù)如表1。

表1 壓縮機(jī)主要維修參數(shù)Tab1 Main maintenance parameters of compressor

為了進(jìn)一步確定轉(zhuǎn)子平衡性，測量了不同轉(zhuǎn)速時壓縮機(jī)各級的振動量。工況1時兩主軸的轉(zhuǎn)速分別為6 342 r/min 和8 532 r/min，工況2 時兩主軸的轉(zhuǎn)速分別為8 456 r/min 和11 376 r/min。經(jīng)測試，壓縮機(jī)各級主軸振動仍較高，工況1 時第1—第4 級振動量分別為84、74、48、59 μm，工況2時分別為120、110、48、59 μm。盡管各級振動量較高，但尚未超過臨界轉(zhuǎn)速，無法判斷振動量是否滿足實(shí)際運(yùn)行要求。但返廠試車時各級振動均超出正常運(yùn)行量，無法正常啟動運(yùn)行。

經(jīng)尺寸復(fù)核及分析，軸瓦間隙過大、拉伸桿變形和動平衡問題是造成振動量高的主要原因。高速、高精度的動平衡校核，復(fù)核各裝配尺寸，降低軸瓦間隙是解決手段。新軸瓦裝配后隙分別為0.9 mm和0.10 mm，高速平衡后1級葉輪的不平衡質(zhì)量由修磨前的17.3～37 g 變?yōu)?0～50 mg，2級葉輪則由修磨前的12.8～15.2 g 變?yōu)?00～200 mg，裝配后的整體不平衡質(zhì)量約為25 mg，大幅度降低了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡質(zhì)量?？蛰d啟動（1次試車）后各級振動量明顯降低，第1—第4 級的振動量分別為4.9、10.4、11.8、11.4 μm。加載后，當(dāng)出口壓力在小于0.7 MPa 時各級振動量均正常，4級振動量為17.3 μm 左右，但壓力超過0.7 MPa 時第4級振動量上升導(dǎo)致停機(jī)。

測試各級振動量的變化如表2所示。

表2 壓縮機(jī)各級振動量Tab 2 The vibration quantity of each stage of compressor

根據(jù)故障結(jié)果分析，4級葉輪與高速軸的過盈配合不足時會導(dǎo)致加載后產(chǎn)生不平衡質(zhì)量，進(jìn)而造成較高振動。增大過盈量并分別對部件和轉(zhuǎn)子整體進(jìn)行動平衡校核后，降低了不平衡質(zhì)量。出口壓力超過0.7 MPa 時第4 級振動量達(dá)到34 μm 并有上升趨勢?？梢?，盡管從低速檢測到2次空載運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量和各級振動量已明顯降低，但加載工況下第4級振動量仍迅速攀升。

加載工況下葉輪具有較大負(fù)荷，較高的振動量表明葉輪與軸的過盈量仍不足，進(jìn)一步增大該過盈量并校核其它配合尺寸是解決途徑，各校核參數(shù)如表3所示。

表3 壓縮機(jī)主要配合參數(shù)Tab 3 Main matching parameters of compressor

維修后，壓縮機(jī)空載運(yùn)行時各級振動量正常，加載到1.85 MPa 時，第4 級振動量在23～26 μm 波動；加載到0.21 MPa 時第4 級振動量上升至30 μm，并在卸載后降低至11 μm。檢測發(fā)現(xiàn)，碳環(huán)密封外殼O型圈斷裂，且密封存在磨損。更換O型圈并重新加工密封后壓縮機(jī)振動降低，可恢復(fù)運(yùn)行正常。

可見，根據(jù)監(jiān)測振動數(shù)據(jù)，降低零部件及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡質(zhì)量、降低軸承配合間隙、增加局部過盈配合量是降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動量的主要途徑。

3 結(jié)束語

介紹了某多級氮?dú)鈮嚎s機(jī)的故障發(fā)生及檢修過程。結(jié)果表明，離心壓縮機(jī)振動量高造成的故障多為轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量造成，對葉輪、主軸及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行高速動平衡校核，校核軸串動量和軸瓦等除的配合間隙，增加葉輪與主軸的過盈配合量降低了轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量，使壓縮機(jī)各級振動量降低并正常運(yùn)行。