天然气管道离心压缩机振动高故障的诊断分析

高晞光，江志农，王辉，苏建峰

（1.中国石油管道分公司，河北廊坊065000；2.北京化工大学，北京100029；3.中国石油西部管道兰州输气分公司，甘肃兰州730030）

天然气管道离心压缩机振动高故障的诊断分析

高晞光1，江志农2，王辉3，苏建峰1

（1.中国石油管道分公司，河北廊坊065000；2.北京化工大学，北京100029；3.中国石油西部管道兰州输气分公司，甘肃兰州730030）

某压缩机站刚投产的离心压缩机振动高不能正常启机，使用振动监测诊断系统采集了启机全过程的振动信号，分析发现振动信号表现出同频分量占主导、轴心轨迹近似椭圆形、随转速升高逐步增大等特征，判断故障原因是转子不平衡。对压缩机进行了解体，发现有异物进入压缩机内部产生了转子不平衡量，验证了信号分析的结果。

振动信号分析；离心压缩机；故障诊断

1　引言

在旋转设备的日常维护和安装调试过程中，经常会遇到因振动过大无法正常运行的情况，产生振动高的原因错综复杂，仅依靠耳听、手摸等原始方式，很难进行准确全面的分析和判断。各类检测分析设备和技术是人为经验的很好补充，旋转设备的大部分故障都会在振动信号中有所反映，如不平衡、不对中、油膜涡动、热弯曲及轴承松动、偏心等，通过对振动信号进行幅域、频谱、轴心轨迹分析，可以准确的判断出故障的原因，从而缩短检修时间。

2　故障原因

某天然气长输管道压缩机站因为管道增输需要，于10月份新投产一台进口离心压缩机组。该压缩机组的驱动设备为美国索拉公司生产的大力神Titan 130燃气轮机，从动设备为德国曼透平公司生产的RV050/04四级离心压缩机，压缩机最大转速为8715 r/min，第一临界转速为4650 r/min。该压缩机径向振动的报警值为48 μm，停机值为62 μm。

在该机组刚投产运行时，压缩机的振动值一直处于较低的水平，离报警值较远。但是在投产2个月后，机组停机再次启动后驱动端径向X方向振动值开始变大，接近甚至有时会超过报警值48 μm。

运行人员对压缩机振动值突然增高的原因进行了分析，认为发生这种问题的可能原因有如下几种：

（1）冬季用气量在一天24 h内有较大的波动，因此机组负荷较大，且随着下游用气量的变化而频繁变动，该压缩机组又是新投产机组，还处在磨合期，所以极有可能是以上原因导致机组对中度发生了变化，致使振动值较高；

（2）该压缩机站处于西部干旱地区，压缩机进口管线设计过长，现场昼夜温差过大，管线热胀冷缩引起压缩机的移动，从而导致机组对中不良，引发压缩机振动过高；

（3）压缩机非驱动端轴承间隙不合适，导致振动过高；

（4）压缩机内部问题导致振动过高。

公司联系施工单位和设备生产厂商对机组进行了对中，结果当压缩机组再启动时，转速达到最高转速的62%，就因为压缩机非驱动端X方向振动值过高而停机（振动值超过62 μm），无法正常启机。

随后又对机组的进出口管线进行了固定处理，并重新对中，再次启机带载的过程中，依然由于压缩机非驱动端X方向振动过高，而造成启机失败。

3　振动信号分析

在压缩机组再次启机的过程中，通过便携式振动监测诊断系统采集了启机全过程中压缩机的振动信号，并进行了测试和分析，发现其振动信号特征主要表现为：

（1）同频分量占主导，低频分量所占的比例非常小，随着振动的增大略微出现倍频分量；

（2）在驱动端和非驱动端，水平（X）和垂直（Y）2个方向的传感器测得的信号相位差约等于90°；

（3）根据轴心轨迹，其轨迹近似于椭圆形；

（4）振动随着转速的升高逐步增大，工频振动的相位逐步减小。

根据以上的振动信号特征，判断认为造成压缩机振动高不能启机故障的主要原因为转子不平衡，可能是以下情况导致转子不平衡：

（1）转子在运转过程中产生了新的不平衡量，导致振动过大；

（2）轴瓦间隙过大，使得压缩机转子对不平衡量比较敏感。

主要的分析内容如下：从图1可知，在驱动端，X和Y方向的振动幅值接近，相位相差90°；非驱动端振动在1000 r/min以下X和Y方向的振动较接近，超过1000 r/min后振动的幅值快速增大。随着转速的升高，振动的相位缓慢降低，这主要是由于不平衡响应相对于不平衡激振力的滞后角逐步增大的原因。

图1　500～3400 r/min下振动随转速的变化曲线

从图2可见，当转速超过4400 r/min时，非驱动端X方向的振动快速增大，其他各传感器处的振动也有不同程度的增大。相位同样随着转速的升高而降低；各传感器振动之间的相位差基本保持恒定。

图3所示为压缩机从4400 r/min升速，到达5500 r/min非驱动端X方向的振动达到最大值62 μm时跳车直至停车的过程曲线。从图可以看出，非驱动端的X向振动要远高于其它3个传感器部位的振动。在整个过程中，相位随转速的变化一直很均匀。

图2　4400～5500 r/min下振动随转速的变化曲线

图3　4300～5500～200 r/min跳车过程中振动随转速的变化曲线

图4和图5所示为在5100 r/min时驱动端和非驱动端转子的轴心轨迹，从该轨迹可以看出，在2个测振平面上，轴心轨迹近似为圆形；图6和图7所示为跳车前的转子2个测振平面的轴心轨迹。图7所示的轨迹出现了较大的不规则现象，主要是由于非驱动端转子的过大的振动，产生了高频分量的原因。

图4　5100r/min时驱动端转子振动轴心轨迹

图5　5100r/min时非驱动端转子振动轴心轨迹

图6　驱动端转子跳车前轴心轨迹

图7　非驱动端转子跳车前轴心轨迹

图8～11分别为非驱动端Y方向、X方向、驱动端Y方向、X方向的振动三维瀑布图。从图可以看出，在转速变化的过程中，频谱成分没有发生变化，一倍频占绝对主导，伴随有少量的2、3倍频分量，主要是由于油膜的非线性因素导致的。

图8　驱动端转子Y方向振动三维瀑布图

图9　驱动端转子X方向振动三维瀑布图

图10　非驱动端转子Y方向振动三维瀑布图

经过上述的振动信号分析，判断出压缩机振动高不能正常启机故障的根本原因应该由于转子存在不平衡力，压缩机生产厂家对于振动信号分析的过程和结果表示认同。在厂家的指导下，将压缩机进行了解体检查，发现有异物进入压缩机内部，卡在了转子的第一级叶轮上，从而产生了新的不平衡量，导致压缩机振动高不能正常启机。在更换转子对压缩机重新组装后，机组运转正常，振动值一直处于较低的水平。

图11　非驱动端转子X向振动三维瀑布图

4　结论

振动信号分析技术对于旋转机械的故障诊断起着很好的辅助作用，对天然气压缩机组等大型旋转机械的振动信号等参数进行状态监测和分析，可以尽早的识别较小的故障，并监视故障的发展，以便在机组发生较大破坏之前，及时实施补救措施或有准备地停机；另一方面，可以更有效地指导机组的维修管理，将事后维修和定期预防性维修方式发展为视情维修，可以让设备在有限的使用寿命期内创造更大的价值。随着振动监测与诊断技术的更加广泛应用，将在设备管理中发挥越来越重要的作用。

［1］屈梁生，何正嘉.机械故障诊断学［M］.上海：上海科学技术出版社，1986.

［2］杨国安.机械设备故障诊断实用技术［M］.北京：中国石化出版社，2007.

［3］陈大禧，朱铁光.大型回转机械诊断现场实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［4］徐敏.设备故障诊断手册［M］.西安：西安交通大学出版社，1998.

Fault Diagnosis and Analysis for Serious Vibration of Centrifugal Compressor Used in Natural Gas Transportation Pipeline

GAO Xi-guang1，JIANG Zhi-nong2，WANG Hui3，SU Jian-feng1
（1.PetroChina Pipeline Company，Langfang 065000，China；2.Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China；3.Lanzhou Gas Transport Subcompany，PetroChina West Pipeline Company，Lanzhou 730030，China）

A centrifugal compressor which was just put into operation could not properly start up because of Serious vibration.The vibration signals of the whole starting up process were collected using vibration monitoring and diagnosis system.The analysis of vibration signals showed that the co-frequency components dominates，orbit of shaft center approximate ellipse，vibration increases with the increase of rotational speed，determined that the cause of the malfunction was the rotor unbalance.The compressor was disintegrated，a foreign body was found in the compressor which caused the rotor unbalance，verified the signal analysis results.

vibration signal analysis；centrifugal compressor；fault diagnosis

TH452

B

1006-2971（2015）01-0055-04

高晞光（1981-），男，河北邯郸人，研究生，工程师，2006年毕业于西安交通大学动力工程及工程热物理专业，现主要从事输油气管道设备管理工作。E-mail：xggao@petrochina.com.cn

2014-07-05