离心压缩机转子与密封碰磨的故障诊断及特征研究

钟 钰 吴 菘 哈玉梅

（沈阳鼓风机集团安装检修配件有限公司，辽宁 沈阳110000）

1 振动特征及故障原因分析

为了寻找离心压缩机转子的故障原因，需要对该机组进行振动频谱分析，利用该机组所安装的转子振动位移测量涡流传感器采集振动信号[2]，将频谱分析仪接入本特利3500 的缓存输出口，采集原始电压信号，对原始电压信号的波形进行傅立叶变换，对构成的波形频谱图进行分析，判断故障原因。

1.1 振动特征

对启动过程以及运行过程中的轴振进行分析，得到下列特征：

第一，达到工作转速之后的转子振动特征：在转子转速达到工作转速之后的十三分钟，振动的频谱见图1，振动的成分只包括工频。而在轴振爬升发生七分钟之后，振动成分依然只包括工频。

图1 达到工作转速后轴振的频谱图

第二，轴振趋势特征：电机的启动速度较快，因此转子转速达到工作转速的时间也较少[3]。观察图2，能够发现在加速的过程中，转子在经过临界转速的时候，轴振较为明显，但是在短时间内又恢复至正常值。在转子转速达到工作转速的十三分钟之后，轴振处于正常状态；接着轴振爬升，爬升六分钟之后，离心压缩机驱动端的轴振大于100μm，最终机组振动达到连锁停机值，机组停车。

图2 转子出气口轴振趋势图

第三，加速过程的振动特征：转子转速在达到临界转速之前轴振的时域及频谱见图3，在转子转速经过临界转速之前，主要的振动成为工频，占通频的百分之九十五左右，存在少部分的二倍频。观察轴振的视域，发现其存在轻微的削波状况。当转子转速即将到达临界转速的时候，转子振动显著增大，工频是主要的振动成分，振动为简单的谐波[4]。在转子转速过临界转速之后，转子振动明显减小，工频是主要的振动成分，存在较为明显的二倍频，此时轴振波峰出现明显波动。

图3 机组启动时轴振时域及频谱图

1.2 故障原因初步分析

在转子达到工作转速之后，工频为主要的振动成分，说明振动极有可能是质量平衡性不足而导致的，经初步分析，造成质量平衡性不足的原因包括:第一，运行时转子出现热弯曲[5]；第二，原始质量平衡性不足；第三，原始轴弯曲。观察振动的趋势，发现转子在一开始的时候并无太大振动，说明原始轴弯曲以及原始质量平衡性不足不是轴振的原因，通过对机组进行检查，也并未发现轴弯曲，工作人员也采取了低速动平衡措施，但是振动故障仍存在，表示原始轴弯曲以及原始质量平衡性不足并非振动爬升的原因。为了确定轴振与工况的关系，在制定测试方案的时候，选择将进气阀关闭[6]，测试结果显示，在启动过程中以及试运转过程中，工况无变化，所以将工况原因排除。最终认为转子和密封摩擦所造成的热弯曲与轴振有密切关系，因为热弯曲只是一个短期过程，因此在机组停机之后，转子又会恢复至正常状态。

1.3 转子密封碰磨故障的认定

在产生动静摩擦的过程中，圆周各个点上所进行的摩擦程度也各有差异，摩擦情况较轻的一端的温度会比摩擦情况为严重的一端更低，从而造成转子径向截面之上分布的温度不够均匀，继而导致转子出现热弯曲。接着热弯曲会引发一个不平衡力，在此不平衡力作用到转子上的时候，就会和原始存在的不平衡共同引发转子的振动，这即是转子碰磨热弯曲效应。在转子的工作转速比临界转速更小的时候，转子的振动对于出现的摩擦现象极为敏感，这时候，因为转子的工作转速比临界转速更小，且振动的滞后角＜90°，振动越高的点就是摩擦越严重的点，致使该处的温度比对侧更高，在热弯曲的作用下，出现了一个热不平衡量，原始的机械不平衡和此热不平衡之间的夹角＜90°，在此热不平衡和原始不平衡合成一个新的不平衡，此新不平衡比原始不平衡更大，从而加剧动静摩擦，随着转子摩擦愈来愈严重，所产生的热弯曲也随之愈来愈大，最终形成恶性循环。在转子的工作转速超过临界转速的时候，振动滞后角将会＞90°，此时，在振动的高点，依然会出现一个热不平衡量，在这个时候，原始机械不平衡与热不平衡之间存在的夹角＞90°，所以，热不平衡和原始不平衡合成一个新的不平衡，此新不平衡比原不平衡小，从而造成振动幅度愈来愈小的情况，而不是摩擦愈严重振动愈严重。在转子的工作转速达到每分钟5400转之后，第一阶的临界转速大约为每分钟2300 转，第二阶的临界转速大约为每分钟8700 转，该转子的工作转速比第二阶临界转速更低，但是比第一阶临界转速更高。观察该离心压缩机的转子与密封，发现在第二阶不平衡区段比较容易出现密封碰磨。因此，认为摩擦能够激发第二阶的不平衡分量，在转子达到工作转速时，第二阶的不平衡和其所造成的振动之间存在的滞后角＜90°，从而导致随着转子摩擦程度愈加严重，热弯曲也会随之增大，从而造成转子的振动出现持续性的增加，直接导致转子的振动达到停机标准值，最终造成机组停机。

2 故障验证及其处理措施

2.1 故障原因的实验验证

通过分析在试运转时轴振的频谱以及时域，按照相关转子碰磨理论以及现场调研结果，判断转子与密封的碰磨是导致转子出现振动故障的主要因素。为了对此结论进行验证，将各级轮盖密封、1、2 级密封级间密封、3、4 级级间密封以及段间密封去掉，开展试运行。试运行时间为100 分钟，在试运行结束后，观察机组在无密封试运行时的轴振趋势，发现在出气方轴承周围的轴振均＜25 微米；观察在加速时的轴振频谱，发现工频是主要的振动成分，且存在较为明显的三倍频以及二倍频。在转子转速达到工作转速之后的轴振频谱中，工频是主要的振动成分。在试运行期间，转子无振动爬升现象。由此确定了转子与密封的碰磨是导致转子出现故障的主要因素，在热效应的作用下，激发了第二阶的不平衡分量，从而造成热弯曲振动。出现碰磨是因为在不平衡的作用之下，此离心压缩机的转子会出现一定程度的动挠度，最终导致转子与密封出现摩擦，从而引发热不平衡以及转子热弯曲失去稳定性。

2.2 第一种故障处理措施

因为不能改变转子，因此选择调整转子的径向间隙，一级以及三级叶轮和轮盖密封之间的原始动静间隙为0.25 毫米至0.35 毫米，将其调整为0.35 毫米至0.50 毫米；二级以及四级叶轮和轮盖密封之间的原始动静间隙为0.25 毫米至0.35 毫米，将其调整为0.4 毫米至0.55 毫米。而一级、二级的级间密封、三级、四级的级间密封以及段间密封的动静密封间隙调整至0.25 毫米至0.32 毫米。在修复密封之后，观察机组在试运行时的轴振趋势，发现在出气口轴承周围的轴承＜20 微米，观察加速时的轴承频谱，发现工频为主要的振动成分，且存在较为明显的二倍频。在转子转速达到工作转速之后，观察轴振频谱，发现工频是主要的振动成分。在试运行之后，转子无振动爬升现象，表示振动故障判断正确，且处理效果较为良好。

2.3 第二种故障处理措施

为了对故障原因判断哪的正确性进行验证，将机组低压缸解体，开展检查工作，发现密封和转子之间存在较为较为明显的摩擦，密封的牙尖位置出现密封碎屑，且磨损程度较为严重，在密封和转子的接触部位，出现摩擦所致的“亮条”。将密封更换，测量转子和密封之间的间隙，同时对间隙数值进行调整，使其符合设计标准就要求。在将机组重组完毕之后，再次开车，此时低压缸的1V1X 振动值为22μ,1V2Y 振动值为22μ,1Y3X 振动值为14μ，1V4Y 为15μ，压力升高至满负荷，四个点的振动值没有出现显著变化，观察图4 可发现，1V4Y 点振动的主要是工频，且振动数值较为稳定，无低次谐波。

图4 机组满负荷运行状态下的频谱图

3 结论

测试某工厂的离心压缩机转子振动故障，通过分析在不同时刻以及不同转速下的振动频谱特征、时域特征以及启动时以及在工作转速之下的轴振变化趋势，发现转子与密封之间的碰磨是导致转子故障的主要因素。把转子退出隔板密封之后，运行无异常，且效果较为灵活，说明转子故障原因判断正确，因此积极对密封间隙进行了调整，有效消除转子的振动故障，机组的整体运行效果良好且无异常。