离心式压缩机四级振动原因分析

孟令权

(洛阳三隆安装检修有限公司,河南 洛阳 471012)

0 前言

离心式压缩机是石油化工行业的关键设备,是保证工艺系统下游装置长周期稳定安全运行的基础,因此压缩机的正常运行对工艺系统非常重要。在离心式压缩机的实际运行中,影响最大的是振动问题。某生产装置使用空气压缩机机组,四级叶轮出现裂纹,在更换国产四级叶轮后,开机过程多次出现振动高联锁停机无法启动问题,对可能的原因进行分析,避免在叶轮生产中出现同类问题。

某炼厂生产装置空压机组是由德国GHH公司生产,用于装置反应器所需的压缩风,介质为空气,结构为多轴离心压缩机,由电机驱动,并配有膨胀机用作回收废气辅助驱动,为四级压缩两级膨胀。各级齿轮轴振动报警值见表1。

表1 各级齿轮轴振动报警值

设备检修情况：①2015年10月大修,更换Ⅲ-HP级轴,运行正常,四级振动波动,更换联轴器;更换Ⅲ-HP级轴。②2016年5月小修,四级导叶连杆断裂,更换断裂连杆,四级振动间歇性波动。③2017年6月大修,四级叶轮缺陷,各级气封更换,新叶轮更换后振动高联锁,恢复旧叶轮。

1 原因分析

首先核实了机组轴瓦及润滑油系统,轴瓦未见磨损且间隙正常,油温、油压正常,排除了轴瓦及油温、油压异常影响油膜形成不利,进而引起机组振动升高的可能性。经过分析,新四级叶轮无法投用的问题,可能由以下几个方面造成。

1.1 转子不平衡

离心式压缩机转子由于受到材料质量、加工技术以及工艺介质等多方面因素的影响,其质量中心不可避免地会偏移其几何中心,导致转子在旋转中形成周期性的离心力,其作用力就直接作用在轴承上而产生相应的动载荷,进而造成机组的振动。当不平衡量超过允许范围时,机组转子的振动便会加大乃至超过允许值,导致机组停车或者无法越过相应临界转速。

除了设备设计及制造等问题,在设备运行中造成转子不平衡的原因主要有：①叶轮积灰、冲刷腐蚀损失;②转子平衡精度低;③转子某些部件安装尺寸有误或部件松动脱落。结合该设备实际情况判断,其中叶轮积灰和冲刷腐蚀损失是可能造成转子不平衡的主要原因。

该机组对不平衡量的要求非常高,在更换新叶轮后,对该级叶轮及转子都重新进行了动平衡校验,且动平衡精度达到了G0.6等级。根据检验报告的数值,动平衡校验能够满足设备需要,因此在开机过程中便出现振动大的问题,可排除由于叶轮不平衡原因造成。

1.2 叶轮端面齿尺寸精度不够

端面齿结构类似于法兰盘联接,但在端面增加了与轴呈90°配合的齿形结构。在主轴端面和叶轮背面轮毂处,分别附有径向齿轮,叶轮与主轴通过拉杆的轴向拉力装配在一起,两联接部件通过两对端面上的齿牙与齿槽相互啮合来传递扭矩。

正常工况下,拉杆螺栓只受到轴向拉紧力作用,力矩的传递是通过多个交错齿牙来实现。齿牙和齿槽受力非常均匀,避免局部应力集中,同时两个齿面间的啮合也具有自动定心作用,防止两个连接件因同轴度等的偏差带来较大的偏摆。对于高速旋转连接件非常关键,齿与齿的接触面为面接触,没有点、线受力,具有更好的稳定性。

在相同的轴向预紧力和扭矩的作用下,齿面的平均接触应力与端面齿的齿形角、齿数、齿厚、接触长度等都有着密切的关系。因此,端面齿由于制造、设计等原因造成齿形主要参数不同,根据作用力与反作用力原理,则会造成两齿面啮合不良,受力不均匀,进而造成在高速运转下叶轮不平衡引发振动。

对于新加工的叶轮端面齿必须进行端面齿强度及整体叶轮的强度校核,并对叶轮和主轴的端面齿检查其啮合接触情况。因此在叶轮测绘设计加工过程中,新端面齿的加工精度与旧端面齿配合精度达不到要求,在高转速下齿面接触不良是造成该级振动大的原因之一。

1.3 叶轮与拉杆螺栓、锁紧螺母配合精度不够

叶轮与主轴的联接方式采用拉杆联接方式,主要通过拉杆螺栓把叶轮与主轴联接成一个整体,靠拉杆的拉力使叶轮端面与轴端面紧密配合,该联接的可靠程度直接关系到转子运行。而影响其联接可靠性的主要因素有拉杆螺栓的精度及拉伸压力、锁紧螺帽的精度。

1.3.1拉杆螺栓

拉杆螺栓除了要保证拉伸强度,还应保证螺栓与主轴中心线的直线度、螺纹间的配合等尺寸精度。拉杆螺栓的拆卸和安装均有相应的施压技术标准,压力过大则会造成拉杆螺栓损坏,压力不足会造成叶轮锁紧力不够,运行中叶轮松动引起振动。

该机组四级叶轮的拉杆螺栓经过长时间的使用,每次检修时均进行探伤检查,保证螺栓可靠;每次安装前对叶轮根部、主轴螺纹、螺栓进行详细清洗,安装与拆卸严格按照机组说明书要求逐级加压,确保安装压力准备,螺栓预紧力达到设计要求。可排除拉杆螺栓问题。

1.3.2锁紧螺母

锁紧螺母是叶轮与主轴联接的最后直接受力点,同样,除了保证强度要求外,对主要接触及配合尺寸的精度要求也较高。

研究该螺母与叶轮的结构发现：锁紧螺母与叶轮在轴线垂直方向有两个接触面,由这两个面与叶轮接触面的平行度及两个面自身的平行度,来保证作用在叶轮上拉紧力均匀,如果接触面的平行度不够,则会造成叶轮受到的拉紧力不均匀,进而导致端面齿受到偏离轴线的作用力,造成应力集中。

锁紧螺母与叶轮端面凹槽有一处间隙配合,原叶轮与螺母之间的间隙为直径0.18 mm,分析此处的作用,应该是为叶轮的安装在径向方向起到辅助定位作用,而新叶轮在该处配合较旧的直径大0.08 mm,可能造成端面齿在转子转速急剧升高过程中定心误差增大,进而引起转子的不稳定,造成振动。

2 结论及建议

通过分析认为测绘加工叶轮的新旧端面齿啮合不良、新叶轮与锁紧螺帽配合偏差大是叶轮无法投用的主要原因。该机组的四级叶轮存在缺陷,对机组的长周期运行是较大隐患,尽快更换新叶轮迫在眉睫。该分析对新叶轮的再加工有一定的借鉴意义,避免新测绘加工叶轮出现类似问题,确保叶轮更换顺利完成。压缩机作为装置的关键重要设备,对设备配件加工质量和配合精度要求高,尤其是进口机组,对配件的测绘加工制造更需高度重视。