火炬气回收螺杆式压缩机振动异常原因分析

刘宜鑫

（中国石油四川石化有限责任公司，四川成都 611930）

1 压缩机结构特点及技术参数

炼油装置火炬气回收单元螺杆式压缩机461-K002 为LG72/0.9 喷油式双螺杆压缩机。螺杆压缩机具有2 个旋转转子（阳转子与阴转子），水平且平行地配置在气缸体内，支于进排气座的轴承上（图1）。在阴、阳螺杆转子上的排气端外侧装有止推轴承，承受由吸入和排出压力差产生的轴向推力。在吸入侧和排出侧的轴承与螺杆转子之间设有轴封装置，在轴封装置靠近螺杆转子端充入氮气以防止轴承的润滑油漏入气缸和气缸内气体向外泄漏。阴、阳螺杆转子在吸气端外侧均设置有同步齿轮，同步齿轮的速比与螺杆转子的速比相等。阴、阳螺杆转子靠轴承支撑和同步齿轮厚薄片的调整来保证阴、阳转子之间、转子外圆与气缸体之间以及转子端面与气缸端面之间均保持极小的间隙，工作时互不接触，不会摩擦也不需要润滑。

图1 螺杆式压缩机

压缩机额定功率470 kW，转速3300 r/min，螺杆型线为SRM-D 型线，外径Φ321 mm，长径比1.65，扭角3000 rad 左右，阳螺杆有4 个凸齿，阴螺杆有6 个与之相啮合的凹槽，在吸气与排气之间形成3 个压缩腔。径向与止推轴承型式为滑动轴承，轴封形式为迷宫密封+机械密封，壳体材料HT300，转子材料2Cr13，同步齿轮材料42CrMo。

2 压缩机检修处理及原因分析

2.1 机组振动高的可能原因

（1）介质组分变化大，组分中存在大量易气化的制冷剂液体等介质。

（2）压缩机对中误差大、错位偏心，或压缩机与减速箱联轴器变形、传动芯子磨损等因素，导致转动系统产生偏重而破坏静平衡。

（3）压缩机地脚螺栓松动。

（4）阴阳转子运转存在不平衡力，啮合间隙不均。

（5）进出口管道存在应力。

2.2 压缩机检修振动处理

2.2.1 现场检修排查

自2020 年6 月1 日，螺杆机461-K002 驱动端垂直振动逐渐由2.6 mm/s 升高至6.7 mm/s，并存在异响。针对机组振动情况进行了离线检测（图2）。通过压缩机振动波形频谱图显示，压缩机阳螺杆联轴器方向水平振动值6.067 mm/s、振动加速度17 m/s2，阴螺杆联轴器方向垂直振动值6.448 mm/s，螺杆虚拟啮合频率占主要成分，有少量转频及螺杆虚拟啮合频率谐波。阴螺杆联轴器方向水平振动值5.581 mm/s，螺杆虚拟啮合频率及其少量谐波占主要成分。阴、阳螺杆非联轴器方向水平振动加速度值均为4.199 mm/s，频谱中压缩机螺杆虚拟啮合频率及其谐波占主要成分。

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图2 阳螺杆联轴器方向水平振动速度波形频谱

通过离线振动检测仪进行离线数据采集分析，从压缩机振动速度谱和加速度谱中可以看出：

（1）速度谱反映：振动以螺杆啮合频率幅值主导，说明压缩机螺杆啮合不良，可能是由于同步齿轮啮合不良、轴瓦间隙较差、转子轴向定位较差、负荷波动、异物进入等因素引起。

（2）加速度谱反映：波形中存在间隙性异常冲击信号，可能是螺杆与螺杆、螺杆与缸体发生接触，可能是异响产生的原因。

2020 年6 月4 日对机体进行拆解检修，检修具体内容为更换新的同步齿轮、支承瓦以及机封，拆机检查压缩机缸体及阴阳转子无摩擦痕迹，各点间隙均在指标内。更换同步齿轮重新找正啮合间隙。检修前驱动端垂直振动达到8.4 mm/s，6 月6 日检修完成后开机运行振动降至5.2 mm/s。运行48 h 后振动再次逐渐升高至7.5 mm/s。6 月11 日再次停机解体检查，调整转子啮合间隙、复查轴承间隙、轴向串量、压缩机基础及对中数据、消除进出口管道应力，开机后振动无明显变化。

2.2.2 返厂检修

考虑到现场工器具受限，对转子的啮合间隙调整可能存在不精确的情况，返厂利用专用转子啮合间隙调整仪器，设备再次解体进行全面检修。拆机后发现：①转子型线磨损，磨损处打磨修复；②复检阴、阳转子各个尺寸，阳转子不合格尺寸较多；③阴、阳转子密封筋损伤较严重，转子变形无法修复，更换新的阴阳转子，并重新做转子动平衡检测。整机回装前，将所有轴上旋转零件与转子装配，并与转子紧固。重新上啮合仪复测转子及齿轮啮合间隙。

2.2.3 现场排查

返厂检修后按照现场实际数据模拟工况试验运行，振动值最大2.7 mm/s；现场安装开机后垂直振动5.8 mm/s、水平振动7.2 mm/s，运行10 d 后垂直振动最高9.6 mm/s、水平振动最高8.3 mm/s（表1，表2）。检查地脚螺栓、螺母无松动，焊接角钢支撑以增加基座强度。机组运行过程中，通过扩大振动检测范围，发现振动源来自进出口管道膨胀节，波纹管越高处振动越高，初步判断进出口膨胀节失效。本次处理措施为取消进出口管道膨胀节，改为短节连接，开机后振动合格（图3）。

表1 压缩机工况试验数据

表2 压缩机振动试验数据

图3 火炬回收压缩机461-K002

3 检修后机组运行情况

3.1 振动数据

通过近期加固基础、更换压缩机入口短接（波纹膨胀节）后，压缩机非驱动端轴承箱振动大幅降低，其中垂直方向8V 测点从7.9 mm/s 下降至1.9 mm/s、9V测点从7.6 mm/s 下降至3.8 mm/s，同时水平方向8H测点从7.3 mm/s 下降至4.8 mm/s（图4）。振动数据已远低于GB/T 7777—2003《容积式压缩机机械振动测量与评价》6.4 规定“驱动功率大于90 kW 回转压缩机振动烈度应不大于11.2 mm/s”的要求，也低于API 619—2010《石油、石化和天然气工业用旋转式容积式压缩机》5.7.3.6 规定“滑动轴承的喷油螺杆压缩机小于8.0 mm/s”的要求。

图4 压缩机振动监控界面

3.2 频谱特征

主导频率220 Hz 为螺杆啮合频率，该分量振动幅值明显减小，如9V 测点从7.3 mm/s 分量降低至1.74 mm/s（图5）。其他测点频谱特征变化情况一致。

图5 阴螺杆非驱动端垂直方向9V 测点

4 振动原因分析

4.1 振动响应与激振力大小呈正比、与支撑刚性呈反比

（1）啮合频率激振力：①容积式压缩机固有属性，与分子量、负荷、温度、压力不均匀度有关；②螺杆间啮合不良，发生接触所致。

（2）支撑刚性：①地脚螺丝连接刚度；②基础筋板及基础灌浆情况；③与设备连接的管道连接刚性；④激振力频率与结构固有频率接近，发生共振。

4.2 检修前后振动出现不同程度变化的原因

（1）机组内部动静间隙变化，改变了压缩腔体的容积，使得气流脉动激振力发生变化，或是产生另一种状态下的动静接触。

（2）地脚、管线、对中等连接部位的位置及刚性发生了变化。

4.3 加固基础、更换压缩机入口短接，振动大幅减少的原因

（1）波纹管膨胀节失效，消除了膨胀节共振源。膨胀节拆卸后，做敲击试验发现膨胀节二阶固有频率为213 Hz，与脉动频率220 Hz 接近（图6）。

图6 阴螺杆非驱动端垂直方向1H 测点

（2）增加了压缩机整体的支撑刚性和质量，尤其是非驱动端垂直方向振动变化最为显著。

5 改进措施及建议

（1）阳螺杆驱动端地脚振动较大，基本大于4.0 mm/s，较另外3 处地脚振动大。还需持续加强关注，进一步排查振动原因。

（2）可适当减少柴油喷油量，减小机组负荷，观察振动变化情况。

（3）可监测分子量变化，来比对振动变化情况。定期分析分液罐柴油组分情况，视情况更换柴油，避免组分变化引起机组振动变化。

（4）鉴于该机组的重要性和振动的复杂性，建议安装在线监测系统，实时监测掌控机组状态。