大型透平空压机轴振动故障分析与排除

2020-06-15高永春兰荣海

冶金动力 2020年5期

高永春，凌波，兰荣海

（广西钢铁集团有限公司气体厂，广西防城港 538001）

引言

GT123L3K1 型空压机是广西柳州钢铁集团有限公司气体公司十二五规划重点项目2#40000 m3/h制氧机组配套的关键单体设备，于2012 年引进，由Atlas Copco 公司生产，为制氧机组提供原料压缩空气[1]。设计加工空气量为212000 m3/h，额定功率为20000 kW。该空压机为三级离心式压缩机，主电机通过联轴器带动增速箱大齿轮轴，由大齿轮轴带动两根小齿轮轴，其中一根小齿轮轴上装有一个闭式叶轮，为三级叶轮；另一根小齿轮轴作为过渡轴带动另一根小齿轮轴，该齿轮轴上装有一个半开式叶轮和一个闭式叶轮，分别为一级叶轮和二级叶轮。详见结构示意图1。

图1 空压机主机结构示意图

级间共设2 个冷却器，采用外置式。该空压机投产运行以来，各级振动值正常稳定。2018年2月，该空压机二级轴振动值突然上升，并超过报警值，利用临时检修时机，查找故障原因，利用有限条件采取紧急处理措施复产，并确定彻底消除故障隐患的方案待条件允许时实施，保证空压机安全稳定运行。

1 存在问题

该空压机自2012年投产运行以来，各级振动值稳定正常。2018 年2 月某日，该空压机二级X 向轴振动VXIAS1004 点由16.4 μm 上升至52 μm 左右超过报警值，二级其它3 个轴振动点（VYIAS1001、VXIAS1002、VYIAS1003）在原值基础上分别上升6～9 μm，一级轴振动4 个轴振动点在原值基础上分别上升1～2 μm；位移测点无明显变化；齿轮箱各轴承温度测点无明显变化。整个变化过程约5 min，之后各参数保持稳定，空压机现场无明显异响，振动变化不明显，暂时注意观察。数日后，该空压机二级X 向轴振动VXIAS1004 点由52.7 μm 上升至74 μm 左右，接近停车值，二级其它3 个轴振动点在原值上分别上升4～7 μm（二级各振动点波动情况详见表1），一级轴振动4 个轴振动点在原值的础上分别上升1～2μm；位移测点无明显变化；齿轮箱各轴承温度测点无明显变化。整个变化过程约5 min，之后各参数保持稳定，空压机现场无明显异响，空压机东侧平台振动明显增加，该位置离VXIAS1004 振动点较近。空压机参数变化及现场实际情况说明该空压机运行存在较大隐患，设备状况不断劣化，严重影响设备安全，决定临时停机检查。

表1 空压机二级各振动点波动情况一览表 μm

由于空压机二级振动点异常情况最为明显。首先，检查各级测振探头尤其是二级测振探头安装情况。测振探头紧固件安装到位，信号线连接正常；将各级测振探头拆下后进行动态校验，结果显示各探头测量准确稳定，无异常。其次，检查二级叶轮运行情况。拆除二级进口管，发现二级进口导叶上挂有1 根橡胶条、2 根金属条；透过进口导叶观察二级叶轮，发现在二级叶轮入口端同一叶片位置挂有2根金属条，见图2。

图2 金属条位置及实物图

通过查阅资料，发现该橡胶条及金属条为中级冷却器的密封部件。最后，检查一级中冷的出口侧，发现位于中冷中部、顶部的位置有约800mm 的Y 型密封条及压条消失，并在中冷底部发现脱落的Y 型密封条及长约50mm 的压条。经现场比对，发现的金属条基本与缺口处缺少的压条长度相当，确定故障位置。

2 故障原因分析

通过查阅设备图纸、结合现场检查情况并查找类似压缩机故障文献资料，基本确定故障发生的全过程，即中冷Y 型密封条的压条损坏脱落，造成Y型密封条部分脱落，脱落的压条及Y 型密封条进入二级进口管，分别挂在二级进口导叶和二级叶轮上，导致二级轴振动异常。分析此故障的原因主要有以下几个方面：

2.1 直接原因：二级转子动平衡破坏

转子动平衡是否良好对空压机的振动影响很大，而且在引发各类机械振动故障的原因中也占有较高的比例[2]。该空压机的异常最早反应在二级轴振动的变化。对于二级转子，金属条挂在二级叶轮入口端的叶片上，随着二级转子高速转动，直接破坏了二级转子的动平衡，导致二级轴振动升高。二级轴振动值的异常变化经历了两个突变，其原因极有可能是在机组变工况时导致位于叶片上的压条发生形态变化或者压条所处位置的不稳定性造成的。

2.2 间接原因：中间冷却塔的密封损坏

中冷的顶部密封结构如图3，由Y 型密封条、压条、紧固螺栓组成。检查发现的橡胶条即为损坏的Y 型密封条，金属条即为损坏的压条。分析压条和Y型密封条的损坏原因：

图3 中冷顶部密封结构示意图

（1）压条选用的材质为LF21。LF21 是一种铝合金，耐腐蚀好，焊接性良好，但可切削性能不良，冷作硬化时塑性低，强度低，用于气体介质中工作的低载荷零件。

（2）密封结构，压条宽24 mm，厚2.5 mm，为分段结构，非整根压条，采用M8×35 mm 的不锈钢螺栓紧固，压条上的通孔直径为Φ10 mm。每段压条的接缝处无紧固措施。

（3）Y 型密封条是中冷典型的密封材料，满足中冷密封要求。

（4）由于密封结构的特殊性，每根压条的接缝处、压条的开孔处是薄弱点。

由于Y 型密封条的密封特性，部分位置存在轻微泄露，导致压条两头的受力模型为悬臂梁结构，在距离压条两头最近的固定螺栓处负荷最大，且此负荷为交变负荷，同时，该处的密封条开有Φ10 mm的通孔，压条截面长度最小处仅为14 mm。由于压条材质塑性低、强度低，则会在螺栓紧固处疲劳断裂。Y 型密封条在没有压条的预紧力后迅速损坏，而断裂的压条和损坏的Y型密封条随着气流进入二级进口管，挂在了二级进口导叶和二级叶轮上，导致故障现象最初表现在二级轴振动的变化。

3 处理措施及效果

通过以上分析，基本确定故障的根本原因，为保证第一时间复产，采取临时处理措施修复设备，同时，制定彻底消除故障隐患的方案，待条件允许时实施，具体处理措施如下：

（1）检查中冷内部其余压条、Y 型密封条及固定螺栓，除少量Y型密封条密封效果较差外均无异常。临时修复部分损坏的Y 型密封条，在顶部隔板两侧利用5#不锈钢角钢对夹封堵，每侧角钢的一端与中冷芯子的顶板分段焊接固定，另一端对夹在中冷顶部的隔板上，尽量减少空气短路的面积，保证中冷的冷却效果。由于角钢的一端与隔板可以滑动，可以有效补偿各零部件因温度变化的形变。由于临时修复措施只能在短期内防止故障劣化，中冷的其它位置未损坏的密封依然存在类似故障隐患，后期待时机需对中冷密封改进，主要从更换中冷所有Y型密封条、重新选用整条强度更高的压条（如304不锈钢）等方面入手。

（2）确认振动对二级转子的影响。拆除二级入口导叶及进口扩压器，对二级叶轮及叶轮密封全面检查。经外观检查确认，二级叶轮无明显异常，叶轮表面有少量积灰结垢；二级叶轮密封良好，无损坏。叶轮清理干净后回装。

（3）确认振动对增速箱的影响。拆开增速箱箱检查人孔，检查齿轮箱内齿轮啮合及磨损情况，并检查转子在运转时是否有剐蹭的情况。经盘车检查后，齿轮箱内齿轮啮合情况良好，齿面无磨损，各级转子运行情况良好，无剐蹭现象。停止盘车后，从齿轮箱的检查人孔进入齿轮箱内，对各级轴承压盖预紧螺栓检查，各预紧螺栓紧固无松动。

（4）确认地脚螺栓紧固合理。该空压机主机安装于油箱上，油箱与基础通过地脚螺栓紧固。检查空压机与油箱的连接螺栓，无松动；检查油箱的地脚螺栓，东西布置2 排，共8 颗。该空压机地脚最东侧、最西侧共4颗地脚螺栓为滑动螺栓，螺帽与油箱底板间隙约为0.5 mm，用于消除齿轮箱的热变形；中间4颗地脚螺栓为固定螺栓，按要求的预紧力紧固。现场检查满足设备安装要求。

（5）空压机各零部件回装，经各专业口检查确认，具备试车条件。

空压机开机后，二级X 向轴振动VXIAS1004 点下降至16 μm，其它各级振动基本恢复至故障前的数值，故障排除。由于空压机中冷修复采取临时修复措施，长期运行依然存在故障隐患，如冷却效率较低、采用的角钢可能对其它零部件造成磨损等。为了彻底消除故障隐患，必须对该中冷彻底修复，抽出中冷的芯子，更换整根Y型密封条，并更换压条的材质，比如选用不锈钢304 等性能更好的材料。由于修复时间较长，必须提前计划、备料，利用合适的时机及时实施。