二重催K101煙機(jī)軸振動(dòng)分析

        大慶石油化工分公司煉油廠(chǎng)二重油催化K101煙氣輪機(jī)(1999年蘭州煉油化工機(jī)械廠(chǎng)生產(chǎn))是重催裝置能量回收三機(jī)組配置之一，此三機(jī)組為大慶石油化工分公司關(guān)鍵性特護(hù)機(jī)組。煙氣輪機(jī)型號(hào)YLⅡ-10000K，沖動(dòng)式雙級(jí)，轉(zhuǎn)速5800r/min,功率11054KW，介質(zhì)為煙氣，入口溫度650℃，出口溫度471℃，入口壓力0.20MPa，出口壓力0.106MPa，流量142200m3/h。煙氣輪機(jī)在線(xiàn)Bently3500儀表軸振動(dòng)值(峰—峰值)一直在30-50μm之間。
       1.振值升高和診斷分析
        2002年6月12日，K101煙機(jī)兩側(cè)軸振動(dòng)值逐漸上升至80μm(低報(bào)警為80μm，高報(bào)警為100μm)，而主風(fēng)機(jī)軸振動(dòng)值無(wú)上升。儀表專(zhuān)業(yè)對(duì)Bently在線(xiàn)儀表及其線(xiàn)路進(jìn)行校驗(yàn)，確定無(wú)問(wèn)題。利用(IRD  FAST TRACK)數(shù)據(jù)采集器/頻譜分析儀對(duì)煙機(jī)兩側(cè)軸振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，兩側(cè)1/2工頻成分占3/8，一倍工頻成分占5/8(圖1)，軸向振動(dòng)比較微弱。對(duì)煙機(jī)地腳和基礎(chǔ)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，并未發(fā)現(xiàn)地腳松動(dòng)。

圖1 煙機(jī)軸振動(dòng)頻譜

        由于軸承殼體配合松動(dòng)會(huì)產(chǎn)生1/2倍或2倍工頻振動(dòng)；而軸承間隙太大，即使是一種很小的激勵(lì)力（如不平衡力），也會(huì)引起很明顯的軸承振動(dòng)，像K101煙機(jī)這種高速轉(zhuǎn)子，過(guò)大的軸承間隙會(huì)改變軸承的動(dòng)力特性，會(huì)引起類(lèi)似軸承殼體配合松動(dòng)問(wèn)題，從而使轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。
        再由于，軸承油膜振蕩和葉輪中的氣體激振力及轉(zhuǎn)子與定子之間發(fā)生局部摩擦均可激起半頻振動(dòng)。于是對(duì)該煙機(jī)潤(rùn)滑油的溫度、壓力和負(fù)荷等進(jìn)行幾次調(diào)整，振動(dòng)狀況仍無(wú)改善，初步診斷為轉(zhuǎn)子平衡精度變差和轉(zhuǎn)子與定子之間發(fā)生局部摩擦。經(jīng)石化分公司和煉油廠(chǎng)有關(guān)人員商議決定，于2002年6月13日對(duì)K101煙機(jī)進(jìn)行臨時(shí)解體檢修。
        2.煙機(jī)解體情況
        對(duì)煙機(jī)解體檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片上粘積有大量煙氣攜帶的催化劑粉塵垢層，并有局部垢層脫落的，從而造成煙機(jī)轉(zhuǎn)子平衡精度變差；同時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子二級(jí)一葉片因鎖片變形而后竄，與過(guò)度環(huán)的氣封發(fā)生90°圓周左右的局部碰摩，使動(dòng)葉根磨損較嚴(yán)重并出現(xiàn)微裂紋，從而進(jìn)一步加劇煙機(jī)轉(zhuǎn)子平衡精度變差。
        3.轉(zhuǎn)子與定子摩擦的特征
        在高速渦輪機(jī)械中為了提高機(jī)器效率，往往把密封間隙、葉輪頂隙做得較小，以減小氣體泄漏。但是，小間隙除了會(huì)引起流體動(dòng)力激振之外，還容易發(fā)生轉(zhuǎn)子與定子部件的摩擦。這種摩擦有時(shí)是不嚴(yán)重的，并不引起明顯故障，但有時(shí)卻因摩擦碰撞產(chǎn)生很大的振動(dòng)，機(jī)器未停車(chē)拆檢之前常常找不出振動(dòng)原因。因此，必須了解干摩擦激振的故障特征，以便及時(shí)作出診斷，防止更大事故發(fā)生。
        發(fā)生局部碰摩時(shí)，接觸力和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)之間為非線(xiàn)性關(guān)系，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生次諧波和高次諧波振動(dòng)響應(yīng)。在次諧波響應(yīng)中，對(duì)稱(chēng)型的非線(xiàn)性振動(dòng)產(chǎn)生奇次諧波響應(yīng)；不對(duì)稱(chēng)型的非線(xiàn)性振動(dòng)產(chǎn)生偶次諧波響應(yīng)。局部碰摩一般是不對(duì)稱(chēng)的非線(xiàn)性振動(dòng)，因此多數(shù)情況下是產(chǎn)生轉(zhuǎn)速頻率的1/2次諧波響應(yīng)。
        但是，轉(zhuǎn)子實(shí)際碰摩情況比較復(fù)雜，既有對(duì)稱(chēng)型又有不對(duì)稱(chēng)型的非線(xiàn)性振動(dòng)，因此在轉(zhuǎn)子的振動(dòng)響應(yīng)中，既有轉(zhuǎn)速為n的頻率成分f和2f，3f，…一些高次諧波成分，又有f/i的低次諧波成分（i=2,3,4…）。重摩擦?xí)r，i=2；而輕摩擦?xí)r，隨著轉(zhuǎn)速升高，會(huì)出現(xiàn)i=2,3,4,5…各個(gè)低次諧波。很顯然，從圖1的頻譜特征可看出，此次二重油催化K101煙機(jī)轉(zhuǎn)子與過(guò)度環(huán)的摩擦屬于重摩擦。
        4.轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡的特征及分析
        轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡所產(chǎn)生的離心力始終作用在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，就在轉(zhuǎn)子或軸承的某一測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生一次振動(dòng)響應(yīng)。因此它的振動(dòng)頻率就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速頻率，即：f=1/60×n，
        轉(zhuǎn)速頻率也稱(chēng)為工頻（即工作頻率），這種頻率成分很容易在頻譜圖上觀察到。轉(zhuǎn)子不平衡故障的特征是：
        (1)在轉(zhuǎn)子徑向測(cè)點(diǎn)的頻譜圖上，轉(zhuǎn)速頻率成分具有突出的峰值，如圖1中的最大峰值；
        (2)轉(zhuǎn)速頻率的高次諧波幅值很低，因此反映在時(shí)域上的波形很接近于一個(gè)正弦波；
        (3)除了懸臂轉(zhuǎn)子之外，對(duì)于普通兩端支承的轉(zhuǎn)子，軸向測(cè)點(diǎn)上的振值一般并不明顯；
        (4)實(shí)際轉(zhuǎn)子軸承并非完全線(xiàn)性振動(dòng)系統(tǒng)，因而會(huì)出現(xiàn)一些高倍頻成分的諧波響應(yīng)。
        像二重油催化K101煙機(jī)，因煙氣攜帶的催化劑粉塵在葉輪葉片上沉積，如果在葉片上沉積的比較均勻，所表現(xiàn)的振動(dòng)現(xiàn)象不太明顯，一旦沉積層局部脫落或沉積不均勻，就會(huì)引起轉(zhuǎn)子不平衡而產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，往往是振幅逐漸加大，嚴(yán)重時(shí)可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦與磨損。
        此外，由于轉(zhuǎn)子二級(jí)一葉片后竄與過(guò)度環(huán)的氣封發(fā)生碰摩磨損，也會(huì)使轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度變差，從而加劇轉(zhuǎn)子的軸振動(dòng)。
        5.解決措施及效果
        (1)用高壓水徹底清洗煙機(jī)轉(zhuǎn)子和隔板的表面和流道；
        (2)更換煙機(jī)轉(zhuǎn)子二級(jí)一后竄而磨損的葉片；
        (3)全面檢查兩級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的鎖片完好；
        (4)煙機(jī)轉(zhuǎn)子作低速動(dòng)平衡合格；
        (5)調(diào)整兩側(cè)軸瓦徑向間隙：前側(cè)0.26mm、后側(cè)0.25mm；
        (6)軸瓦與軸承座過(guò)盈量為0.03mm；
        (7)轉(zhuǎn)子找正：煙機(jī)轉(zhuǎn)子水平高于軸流主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子0.42mm，水平方向偏0.09mm，兩軸上張口0.03mm；
        (8)推力瓦軸向竄量為0.58mm。
        2002年6月21日，二重油催化K101煙機(jī)臨時(shí)檢修完畢，機(jī)組開(kāi)車(chē)成功，投入系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。
        由于蠟油催化和一重油催化煙機(jī)以往運(yùn)行中，曾經(jīng)多次出現(xiàn)過(guò)因轉(zhuǎn)子葉片上粘積有煙氣攜帶的催化劑粉塵垢層，使煙機(jī)轉(zhuǎn)子平衡精度變差，引起軸振動(dòng)值增大。但再繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，或因轉(zhuǎn)子不同相位葉片局部粉塵垢層的脫落，又使轉(zhuǎn)子平衡精度變好，軸振動(dòng)值又減小，并創(chuàng)下了煙氣輪機(jī)連續(xù)累計(jì)運(yùn)行629天的記錄。
        而此次二重油催化的K101煙機(jī)軸振動(dòng)值超高，已初步判斷為轉(zhuǎn)子與定子碰摩和轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度變差。特別是動(dòng)靜的碰摩與轉(zhuǎn)子葉片積垢不同，隨時(shí)會(huì)惡變，造成設(shè)備損壞，所以決策者依據(jù)上述判斷果斷下令停機(jī)，并在解體檢修中使問(wèn)題得到驗(yàn)證和解決。因此，當(dāng)運(yùn)行機(jī)組發(fā)生問(wèn)題時(shí)，要從多方面綜合地進(jìn)行推理和排除，并快速作出準(zhǔn)確的初步判斷，以確保大機(jī)組的安全運(yùn)行。