半贫砜胺液泵驱动透平轴承振动故障分析

杨林，林万洲，刘拴仪，孙雷，甘春荣

（中国石油西南油气田川东北作业分公司，成都 610021）

某高含硫项目净化厂共3 列天然气净化处理装置，每列装置设计安装有半贫砜胺液泵2 台，分别采用电机和蒸汽透平驱动，用于将尾气处理单元SCOT 吸收塔来的半贫液输送至脱硫单元的吸收塔。项目作业权移交之前，由于透平调试故障较多，一直未能有效投用，长期运行电机驱动半贫砜胺液泵。项目作业权移交之后 ，针对透平驱动半贫砜胺液泵无法投用，一旦电机泵发生故障，装置面临停车风险，对驱动透平进行了重新调试。透平调试正常后，在联泵投用过程中，第2 列半贫砜胺液泵（透平驱动）始终存在透平驱动端振动高导致联锁跳停问题。拟利用专业的振动监测仪现场采集数据，振动分析软件进行数据分析，找出引起透平驱动端振动联锁的根本原因，解决设备故障，保证装置的稳定运行。

1 半贫砜胺液泵及驱动透平简介

半贫砜胺液泵和透平的主要参数见表1。驱动透平是单级汽轮机（如图1 所示），由一个蒸汽进气阀控制，所使用转子盘通过键连接和热缩方式固定到转子轴上，转子总成上采用两个单独的直边盘，每个转子盘包含一排动叶片，一个轴套密封、转子定位轴承、超速跳车机构。驱动透平径向轴承采用滑动轴承，内衬巴氏合金，水平剖分，透平轴承振动报警值为64 μm，联锁停机值为100 μm。

表1 半贫液透平驱动泵参数Table 1 Parameters of semi lean liquid turbine driven pump

2 问题描述

净化厂第2 列装置半贫砜胺液泵P-070902-2B 在启机升速至1 800 ～ 2 000 r/min 区间时，始终存在透平驱动端振动高导致联锁跳停问题，通过多次修改透平PLC 控制柜参数改变透平启动升速速度，但始终未解决该问题。现场利用专业的振动监测仪采集振动数据显示：透平驱动端振动在临近1 800 r/min 时急剧攀升，如图1 所示。同时，对泵体轴承箱进行了振动监测，未发现异常现象。

图1 蒸汽透平结构简图Fig.1 Structural diagram of steam turbine

3 透平驱动端轴承振动高原因查找

现场采集半贫砜胺液泵P-070902-2B 驱动透平升速过程的振动数据，并与第1、2 列半贫砜胺液泵透平启机过程的振动数据进行对比分析，发现透平启机升速临近1 800 r/min 时均存在频率约3 120 Hz 的轴承振动增大现象（如图3 所示），但第1、2 列透平轴承振动未达到联锁值。初步判断透平叶轮可能存在约3 120 Hz 的固有频率，当转速升至1 500 ～ 1 800 r/ min时，蒸汽喷射叶片产生的气流激振频率与该透平转子存在的固有频率重合，产生共振现象，导致轴承振动被放大。考虑高温蒸汽以一定角度喷射叶轮叶片的工作方式，气流激振力直接作用在叶轮圆盘面上，在激振频率接近圆盘固有频率时激起圆盘共振模态的可能性较大，决定通过核实透平转子固有频率和气流激振频率进一步验证判断[1-5]。

图2 透平驱动端轴承振动加速度有效值-升速曲线（1 830 r·min-1 时跳停）Fig.2 Effective value of bearing vibration acceleration at turbine drive end - speed rise curve （skip stop at 1 830 r·min-1）

图3 3 列透平驱动端振动加速度频谱（3 000 ～ 3 200 Hz）Fig.3 Vibration acceleration spectrum of turbine drive end of 3 trains（3 000 ～ 3 200 Hz）

3.1 透平转子固有频率

该透平一阶临界转速为8 850 r/min，对应频率仅为147.5 Hz，远低于实测的某固有频率3 120 Hz，说明该频率不是转子系统一阶固有频率。通过对库房存放的转子圆盘进行敲击测试，可见叶轮圆盘模态丰富，其中一处约3 000 Hz 的固有频率较突出，如图4所示。

图4 透平叶轮圆盘面敲击测试响应谱Fig.4 Response spectrum of turbine impeller disk surface knocking test

3.2 激振频率

3.2.1 叶片通过频率

该透平小叶轮叶片数为166，大叶轮叶片数为158，叶片通过频率为叶片数与转频乘积，通过计算可知叶片通过频率与3 120 Hz 相差甚远。

3.2.2 激振频率属非同步频率

随着转速的升高，振动频谱中可见叶片通过频率正比例增长，但该激振频率仅出现微小的增长（如图5 所示），与转频无固定数值关系。

图5 不同转速下透平驱动端垂直方向振动加速度频谱/波形Fig.5 Spectrum / waveform of vertical vibration acceleration at turbine driving end at different speeds

通过分析透平1 500 ～ 1 800 r/min 转速范围内的振动加速度频谱可知，当该气流激振频率约3 120 Hz时振动幅值最高。振动频谱主要频率成分均为该气流激振频率，且数值稳定在3 120 Hz 附近，能量占比最大，是导致透平在1 800 r/min 附近振动联锁跳机的直接原因，如图6 所示。

图6 升速过程透平驱动端垂直方向振动加速度频谱瀑布图Fig.6 Spectrum waterfall diagram of vertical vibration acceleration at turbine driving end during speed increase

3.3 透平单试

透平调试时，因透平汽封碳环要进行多次磨合，做超速机械脱扣试验等，透平进行了长时间单独运行，运转过程中，各项运行参数符合设计要求，透平轴承振动在线监测数值较小，且在升速过程中也未发现有轴承振动数值有明显增大，未用振动监测仪进行振动数据采集和分析。

因第2 列半贫砜胺液泵透平联机启动超过振动联锁值，触发在线振动位移探头联锁，决定对P-070902-2B 脱开联轴器单试透平，采集振动数据进行深入分析。通过对振动监测仪采集的振动数据进行专业软件分析，透平驱动端振动频谱可见转频及其1 ～ 5 倍基频成分，振动波形中转子旋转松动振动冲击特征突出，如图7 所示，综合判断透平驱动端存在旋转松动。

图7 P-070902-2B 透平单试驱动端振动速度频谱/波形Fig.7 P-070902-2B vibration velocity spectrum / waveform of turbine single test drive end

4 分析结论

（1）透平转子部件存在约3 120 Hz 的固有频率。

（2）当透平带负荷升速至约1 500 ～ 1 800 r/min区间时激振频率为高温蒸汽通过调速阀阀瓣或喷射叶片产生的气流激振频率约3 120 Hz，该转速区间以外则不存在该频率。

（3）当脱开联轴器单试透平时，在0 ～ 2 980 r/min 全转速范围均未出现该气流激振频率。说明该气流激振频率的产生与蒸汽流量直接相关，仅在带载1 500 ～ 1 800 r/min 工况下才能形成，而且该激振频率范围包含透平转子叶轮固有频率。

（4）该共振现象均表现在透平驱动端，而非驱动端几乎不受影响，分析可能是非驱动端存在推力轴承，关支承刚度较大。

综上分析，可判断驱动端支承刚度偏低，透平驱动端轴瓦可能存在间隙超标等问题，是P-070902-2B 透平启机阶段（1 800 r/min 左右）共振幅值被显著放大导致联锁跳停的主因[6-9]。

5 处理措施

拆检P-070902-2B 透平驱动端轴承箱，检查发现轴瓦下瓦巴氏合金轻微剥落，瓦背腐蚀发黑（如图8 所示），测量检查发现透平驱动端轴瓦间隙过大（0.35 mm），超出标准0.18 ～ 0.25 mm 的上限0.10 mm，对轴瓦进行了更换。

图8 P-070902-2B 透平驱动端轴瓦Fig.8 P-070902-2B turbine drive end bearing bush

P-070902-2B 透平驱动端轴瓦更换后，透平与泵安装联轴器并进行热对中。具备启动条件后，透平带负荷启动成功。

6 结论

通过专业的振动数据采集和分析设备，对3 台透平启机过程的振动进行采样分析，查明透平存在共振区，在升速过程中振动增大原因，给设备检维修提供指导意见。也充分说明设备振动监测分析作为动设备预知性维护的有效工具，合理地掌握运用，就能不断提高设备管理维护水平。