蒸汽透平异常振动分析及对策

2012-10-21中国石化中原石油化工有限责任公司王志强

中国设备工程 2012年1期

中国石化中原石油化工有限责任公司王志强

蒸汽透平在运行中反复出现振动波动现象，利用在线状态监测系统，结合工艺条件和机组实际运行状况，分析判断故障成因，制定相应对策，通过检修对故障原因进行验证。

一、概述

中国石化中原石油化工有限责任公司的裂解气压缩机组由蒸汽透平（GT201）驱动，机组和测点布置见图1。透平制造商为意大利FANCANTIERI公司，型号60CEX，其运行参数为：进汽温度：510℃；进气压力：11.9MPa；排气压力：13kPa；排气温度：150℃；功率：11000kW；额定转速：7300r/m。

二、故障现象

机组从1996年投用以来，运转较为稳定，透平振动幅值在10μm左右，从2010年4月开始，透平前后轴承的振动值突然出现较大幅度的波动，且四个测点显示同步波动（见图2），幅度为10～40μm，然后回落，变化的过程是一个渐变的过程，没有急剧的跳跃性的变化，波动持续时间一般为几十分钟或几小时不等，振值波动后可以回到原来的正常值。波动反复出现，有时1天几次，有时几天一次，没有规律，压缩机侧的低、中、高压缸的振值基本稳定。

图1 机组测点布置图

三、故障原因分析

图2 振动趋势图

透平振动频谱特征比较简单，正常运行时的振动频率成分主要是工频（图3），其他倍频幅值极小，而在振动波动时，幅值变化是由工频幅值变化引起的（图5、7），其他频率的振动幅值基本不变，振值变化时工频相位也相应地持续旋转变化（图9），振值恢复正常时相位也基本恢复原位，同时变化过程中轴心轨迹同步放大，重复性较好（图4、6、8）。

图3 正常时的全谱图

图4 正常时的轴心轨迹

图5 波动初始的全谱图

图6 波动初始的轴心轨迹

初步来看，此故障是一种类似于转子不平衡的工频类故障，并且还有一个显著特点：间歇式、可逆，即故障是不连续的且能自我恢复。机组在运行期间发生此类故障的可能原因如下。

1.蒸汽品质

蒸汽品质的影响主要是因过热度不够，蒸汽中夹带的凝液对转子产生冲击，影响平衡，随着蒸汽流动，凝液被带出机体，转子又恢复原状；当凝液又累积到一定程度时，对转子再次产生影响，波动也再次出现，如此反复。

该透平驱动蒸汽是由裂解炉汽包产生的12MPa、325℃的饱和蒸汽，经裂解炉对流段过热器加热到520℃，成为过热蒸汽，进入管网输送到透平。对管网保温进行检测，对管线导淋进行排放检查，均未见异常；在透平入口主气阀处加装现场温度表，监测到的温度为510℃，同时对比振动波动出现前后蒸汽系统的操作调整和各种参数，均没有明显变化，所以，从生产实际情况来看，蒸汽带液应该不存在。

图7 振值最大时全谱图

图8 振值最大时轴心轨迹

图9 工频及相位变化趋势

2.异物进入

异物进入系统，对转子的影响与蒸汽带液接近，并且异物应该是微小的颗粒或柔软细小的物体，尚未对转子造成损伤。

但是由于故障是在正常运行期间发生的，蒸汽系统处于封闭的状态，异物进入的可能性也不大，而且异物能反复进入的可能性就更小了。

3.结垢

因蒸汽中的钙、镁等离子控制不好，在转子表面结垢，在运行过程中，垢类分布不均匀或随机性脱落，产生不平衡振动。

结垢是个渐进的过程，垢物的随机脱落会引起振幅的突然变化，符合间歇式的特征，但是，即便是均匀的结垢，在这个过程中振动也是不可能恢复原值，而是逐步增长的，故不具备可逆的特征。因此可以排除结垢的可能性，

4.转子带电

透平中的高温蒸汽在做功过程中，随着温度的降低会发生正负电荷分离，同时水蒸气粒子对转子叶片的碰撞和摩擦将使转子产生静电效应而带电，当电位积聚高到一定值（30～100V）时，就有可能将轴承上电阻最低处的油膜击穿而产生电火花放电，这种能量的释放会导致油膜刚度变化，从而引起振动波动，其特征频谱与动平衡变化的特征频谱相似。

针对转子带电的这种可能，对机组原有的静电接地点进行检查确认，并在机体上增加了两组静电接地点，但是振动波动状况未见改善。

5.临时性轴弯曲

转子在运行期间，因热负荷突变，或者局部摩擦等原因，转子发生弯曲产生振动，其现象与动平衡破坏的现象相似。

查波动发生前后透平的工艺参数，未见异常，可以排除热负荷突变造成临时性热弯曲的可能。另一种可能的情形是：转子局部径向动静摩擦，摩擦产生的热效应会使转轴出现径向不对称温差，进而发生转子热弯曲，振动的增大将使相互接触的部位磨损，动静间隙增大，摩擦消失后径向不对称温差也很快消失，转子逐步恢复原状，振动回到原始状态。从振动幅值及相位随时间连续变化的特点来看，转轴发生了摩擦的可能性极大，图5显示的截头波、图6显示的毛刺也符合摩擦特征。虽然未出现较大幅值的倍频成分，未出现反进动现象，但这些并不能否认摩擦的存在，只能表明摩擦尚不十分严重，而且摩擦发生的部位很可能是靠近轴承的油封、轴封等部位与轴颈之间，而非叶轮等部位。

四、应对措施

通过以上的分析、排查，认为波动是由摩擦导致转子临时性弯曲而引起的，但在运行期间无法彻底处理此故障。由于该机组在生产流程中地位极其重要，停机处理会对公司总体生产经营产生重大影响。根据机组目前状况，认为虽然波动反复出现，但总是能自行恢复正常，并且最大振值在40μm左右，因此机组本质上并未有永久性损伤，波动的能量也不大，机组是可以坚持运行的。故将振动的联锁值适当提高，并制定了相应的应急预案后，机组在监控下继续运行。

五、检修检查

2011年5月，利用装置大检修机会，对透平进行解体检查，发现：（1）轴承箱隔热挡板碎掉，油封沟槽内严重积炭，轴上有摩擦划痕。（2）径向轴瓦表面有摩擦损伤。（3）透平的末两级动叶片上有薄薄的一层水垢。（4）检查透平导电碳刷，未见异常。

从检修情况来看，验证了此前的判断：由于隔热挡板损坏，油封处的润滑油受高温影响而碳化，积炭在沟槽内逐步积累，与轴发生碰摩，导致转子局部热不平衡，引起转子弯曲，当积炭磨碎掉后，转子逐步恢复原状，振值恢复原值，当积炭又累积碰到转子后，振值又开始波动，如此反复。而轴瓦的损伤应是振动波动产生的后果，同时，如前分析，结垢不会产生此种状况的振动，从停机前机组运行状态来看，虽叶片上有结垢，但尚未对机组运行产生影响。

在检修中，对转子进行了全面检查，从形位尺寸、无损检测、动平衡校验等方面看，转子状况均较好，对挡板和瓦块进行更换，清理油封内积炭，同时，利用轴承座上的空间，在油封内开孔接管引入适量氮气，以期改善此处的高温环境。机组再次开车后振动间歇性波动消失。