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压缩机组汽轮机碰磨振动的原因分析

徐岩/宁波工程学院机械工程学院 朱晓东/镇海炼化公司    

摘要: 某大型化工装置的心脏压缩机组汽轮机突发振动异常,振动持续近1个月,
振动次数达60次,根据振动特征诊断为工作转速下转轴碰磨振动。文中就其产生的
原因进行了分析,并提出相应的改进措施,保证了机组的安全运行。
关键词: 汽轮机 ;碰磨振动;原因;对策
中图分类号:TK26 文献标识码:B

Abstract: The turbine shaft of the compressor in a petrochemistry plant happened to rubbing vibration on rated speed. It occurs many times(more than 60 ) in one month. The author analyzed the accident reason and put forward some protective measures that ensure safety running of the turbine.
Key words: turbine; rubbing vibration; countermeasure

1 概述
  某大型化工装置的心脏设备裂解气压缩机的驱动机,采用美国GE公司制造的抽汽冷凝式汽轮机,具体操作参数如下。
  转速:5480r/min; 一阶临界转速:2680 r/min ;驱动功率:19048kW ;振动报警值:80μm ;振动联锁值:150μm。
  机组汽轮机在接近一个月的时间内,发生不明原因异常振动共计60余次,并呈现出以下振动特征:
  振动初期,时间间隔较长,一般为十几小时;振动后期,时间间隔较短,最短仅为1小时,而且振幅最高值有一定的上升趋势,由最初的35μm上升至75μm;
  振动过程中振幅最高值增大无规律,呈现出波动的特性,且无周期性;振动为基频分量波动,存在突变,振动增大和消失存在时滞,使振动与时间关系曲线呈前倾后弯形状,见图1和图2;

  振动发生前转速、进汽压力、抽汽压力、进汽流量、抽汽流量、抽汽温度和冷凝器真空度均正常,参见图2;

  振动过程中对转速、抽汽压力和抽汽流量等操作参数进行调整都未使得汽轮机振动异常状况有所改善。

  振动发生后操作条件如不做调整,振动经历20~30分钟后会仍将自动恢复正常;

  异常振动持续时间长,延续近1个月。

  根据汽轮机振动特征,对照振动故障产生的机理与故障特征,诊断为工作转速下转轴碰磨振动。该诊断结果在后期停机检修中,得到了进一步的验证。隐患消除后,机组又运行了半年,汽轮机揭盖后,正如诊断结果所预期,梳齿密封磨损严重,见图3。

  

  确定碰磨振动产生的原因并尽快解决是我们分析研究的重点,这对于保障机组安全运行具有重大意义。

2  碰磨振动产生的机理

  工作转速下转轴碰磨对机组安全运行的威胁,较机组启停过程中转轴碰磨小得多,一般不会引起弯轴和轴封严重磨损的事故。但由于产生的原因不明确,这种突发性的大振动和长时间的振幅波动,使得操作人员惊恐不安,无法确保机组的正常运行[1]

  在高速旋转机械中为提高机器的工作效率,常将密封间隙、轴承间隙做得较小,目的是减小气体和润滑油的泄漏,但是小间隙不仅会引发流体动力激振,还会导致转子和静止部件的摩擦,严重的会带来机器损伤事故[2]

  转子与静子发生径向摩擦存在两种情况:一种是转子在涡动过程中与静子发生偶然性或周期性局部碰磨;另一种是转子与静子的摩擦弧度较大,甚至会发生360°的接触摩擦。根据机组蒸汽透平的振动特征,诊断为工作转速下转轴碰磨振动,属于局部碰磨故障。

  对于转子轴颈与轴承发生碰撞摩擦的运动特点,Denhartog M P较早就提出了反进动运动模型,但事实上,转子与静子发生碰撞的振动特性较为复杂,从机理上分析,转子发生碰磨时存在见图4的几种力:

  (1)N为正压力,此力决定摩擦力的大小;

  (2)P为反弹力,由于静力的弹性变形而施加在转子上的反作用力;

  (3)K为附加弹性力,由于碰磨时转子刚度变化而作用在转子上的力;

  (4)F为摩擦力。

  如果转子不旋转,仅由涡动角速度引起的转子与静子直接接触力是不大的,但是在转子高速旋转时发生碰磨,作用在转子上的反弹力P和摩擦力F均很大,而且反弹力和切向摩擦力的大小,主要受转子不平衡质量的影响。在转子碰磨瞬间转子表现为横向自由振动,振动频率为一阶或多阶自振频率。

  当转子与静止件发生接触的瞬间,转子刚度增大;当被静止件反弹脱离接触,转子刚度则减小,发生横向自由振动(多数按一阶自振频率振动)。因此,转子刚度在接触与非接触之间变化时,变化频率就是转子涡动频率,转子横向自由振动与强迫旋转运动涡动叠加在一起,就会产生一些特有的、复杂的振动响应频率[3]

  因此,局部碰磨所引起的振动频率中既包含有不平衡力引起的转速频率,又含有由于碰磨振动引发的2ω 3ω,…及一些高频谐波及次谐波振动。如图1振动频谱图所示,图中以转速频率为主,并含少量次谐波分量。

3  振动原因与对策分析

3.1  振动原因

  明确了异常振动的故障类型,一方面消除了操作人员的恐慌,另一方面要求尽快找出其产生的原因,以便尽早消除。

  由于当时工艺系统不允许停机解体检查排除故障,因此需要从机组操作系统入手进行分析检查。在对机组进行全面检查时发现汽轮机密封蒸汽线上压力表PI显示近似为零,而正常显示应为70kPa ~100kPa,密封蒸汽线流程见图5。

 

  检查结果:机组V4阀(密封蒸汽控制阀)控制失效,处于全开位置,使得密封蒸汽全部通过V4阀返回冷凝器,未起到防止空气进入梳齿密封腔的作用。

  由上述分析可以看到:汽轮机梳齿密封从外界抽入空气,由于密封蒸汽压力不足,未起到隔离空气的作用,使得密封梳齿长时间处于高温潮湿的空气环境中,导致部分密封梳齿发生腐蚀,在转子高速运动中产生松动脱离。松动梳齿与转子间的间隙变小,甚至接触,随着转子的高速旋转,加大了径向摩擦,导致正压力变大,摩擦力相应加大,则作用在转子上的反弹力增大,使得转子与静止件(密封梳齿)发生碰磨振动。但是由于密封梳齿是部分松动脱离,当脱离部分与转子发生接触摩擦时,间隙经磨损后增大而脱离接触,密封间隙不再减小,此时转轴在不平衡力自动校直热弯曲的调节下,振动将在波动后逐渐减小直至恢复正常。在以后运行中又将出现梳齿脱离部分与转子接触,当转子与密封梳齿间的间隙消失,振动又将再次发生,直到间隙磨大,碰磨振动消失。

  由于低压端压力较低抽入空气量较多,故低压端转子发生碰磨几率高于高压端,与实际监测到的情况正好吻合。虽然转轴与密封梳齿长时间碰磨接触,但是由于磨损速度较低而不能迅速脱离碰磨,因此,造成该机组发生的碰磨振动特别顽固,持续时间较长。

3.2 对策分析

  为尽早消除碰磨振动,采取了如下措施:

  (1)调整密封蒸汽压力,控制在70kPa ~100kPa间。该方法一方面通过密封蒸汽隔绝空气,防止梳齿腐蚀;另一方面可减少转子与静子间压力分布的不均匀性,减小摩擦力。 

  (2)对已经腐蚀的梳齿,由于装置正常生产不允许采取机组停机或大幅度升降速来尽快消除,故采取加强监护的自然消除法,发现异常及时调整处理,以保证机组正常运行。

4  结论

  机组汽轮机异常振动产生的原因是由于密封蒸汽未正常投用,导致密封梳齿腐蚀松动脱落与转子发生接触摩擦而引发的工作转速下转轴碰磨振动。实践表明:调整密封蒸汽压力的措施减缓了转轴碰磨振动的发展速度,保证了机组的安全运行。

  对大型机组在今后的运行操作中应注意:

  (1)应加强对机组的日常检查,发现异常及时处理。

  (2)积极利用先进的监测仪器和监测手段对机组进行状态监测,是机组安全运行的保证。

   


参考文献 

[1] 施维新.汽轮发电机组振动及事故[M].中国电力出版社,北京.1999.

[2] 沈庆根.化工机器故障诊断技术[M].浙江大学出版社,杭州.1994.

[3] 徐敏等.设备故障诊断手册——机械设备状态监测和故障诊断[M].西安交通大学出版社,1998.10.

 

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  评论人:钢格栅板   打分:0 分  发表时间:2015-6-17 21:39:28
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  评论人:lglgbvspzs   打分:0 分  发表时间:2013-11-25 2:33:13
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