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作者：文罡，莫政辉，陆弘。 第一作者简介：文罡，男，1973年8月出生，大专学历，高级技师，2000年毕业于重庆电力职工大学热能动力设备专业，现在重庆建峰化工股份有限公司运行一部从事压缩工艺管理工作。 摘要：合成气压缩机振动波动，波动频率主要是77.5Hz、0.42X频，符合油膜涡动的特征，判断浮环故障是造成油膜涡动的主要原因，而轴承轴电流损伤使振动波动进一步加剧，结合浮环密封的结构原理和油膜涡动故障机理，采取针对性调整措施，有效改善了油膜涡动的发生。 关键词：合成气压缩机 振动波动 油膜涡动 1概述 重庆建峰化工股份有限公司一化合成氨装置是设计年产30万吨合成氨、52万吨尿素的大型化肥装置，以天然气为原料，采用节能型美国布朗深冷净化工艺。合成气压缩机是由意大利新比隆公司设计、沈阳鼓风机集团股份有限公司制造的离心式压缩机，压缩机由高压缸和低压缸组成，轴端采用浮环密封形式。机组使用北京博华信智科技股份有限公司的BH5000C离心压缩机状态监测系统对运行过程中的状态进行监控。 2022年4月下旬合成气压缩机高压缸振动出现突发性波动，波动发生时机组各运行参数稳定，后未做任何调整振动波动情况消除。2022年6月波动再次出现，波动频率明显增加。9月振动波动情况加剧，高压缸驱动端振动波动幅度达50μm，振动最高值超过90μm，已达到报警值（正常值20μm以下），严重威胁机组的安全运行。 2振动波动原因分析 通过对机组振动的频谱分析发现，导致振动波动的频率主要是77.5Hz，0.42X频，与高压缸转子一阶临界转频（4600r／min、76.7Hz）接近，该频率的出现和消失存在突然性，波动时轴心轨迹紊乱，符合油膜涡动、振荡特征。油膜振荡发生在油润滑滑动轴承的旋转设备中，它的故障机理是在转子正常工作时，转子轴颈在作高速旋转的同时，还环绕轴颈某一平衡中心作公转运动，轴颈中心和轴承中心并不重合，而是存在一个偏心距e，当载荷不变、油膜稳定时，偏心距e保持不变，机组运行稳定，轴颈上的载荷W与油膜压力保持平衡，若外界给轴颈一扰动力，使轴心O1位置产生一位移Δe而达到新位置，这时油膜压力由P变为P'，不再与此时的载荷W'（W'-W）平衡，两者的合力为F，其分力F1将推动轴颈回到起初的平衡位置O1，而在分力F2的作用下，轴颈除了以角速度ω作自转外，还将绕O1涡动（涡动方向与转动方向相同），其涡动速度约为角速度的一半，故有时也称之为“半速涡动”，涡动频率通常略低于转速频率的1／2[1]。轴颈的受力分析见图1。
合成气压缩机径向轴承为平面自调式可倾瓦轴承，这种轴承的特点是轴瓦由多块活动瓦块组成，每块瓦均有一个使瓦自由摆动的支点，瓦块按载荷方向自动调整，使瓦块上的油膜力通过轴颈中心。当转子受到外界激励因素干扰时，轴颈暂时偏离原来位置，各瓦块可按轴颈偏移后的载荷方向自动调整到与外载相平衡，这样就不存在加剧转子涡动的切向油膜力，理论上产生油膜涡动的可能性较小。 2.1浮环密封故障 进一步分析机组振动波动故障的规律，通过对机组各运行参数的全面排查，发现振动波动发生时，合成气压缩机高压缸密封油液位控制阀阀位有3%左右的上涨，也就是说振动波动时浮环的工作状态发生了改变。观察机组振动首次波动时，密封油高位槽液位调节阀阀位与振动的趋势，可以发现振动上涨时，密封油高位槽液位调节阀阀位明显开大，说明浮环漏油量增大。浮环密封是离心式压缩机密封的一种，浮环由内浮环、外浮环、弹簧、密封圈、销等组成。浮环密封又称浮环油膜密封，属于流阻型非接触式动密封，是依靠密封间隙内的流体阻力效应而达到阻漏目的，浮环密封结构见图2。
浮环密封的工作原理是靠高压气体侧的内浮环，与靠低压侧的外浮环，这些环可以自由径向浮动，但有防转销限制不能转动。密封油以比参比气高0.05MPa（密封油高位槽至浮环中心点的静压差）压力注入密封室，一路经内浮环与轴之间流向高压侧，在间隙中形成油膜将工艺气体封住，另一路经外浮环与轴之间流向低压侧，然后排至轴承箱内。根据浮环密封的工作原理，正常工作时浮环密封油的流动状态处于稳定的层流状态，漏油量较为稳定，浮环漏油量Q的改变只与密封油高位槽液位和浮环与轴的相对偏心率有关，计算公式如下[2]：
式中：d0—密封浮环内径，m； Δp—浮环两侧的压力差，MPa； c—浮环与轴之间的密封半径间隙，c=δ／2，m； ε—浮环与主轴的相对偏心率； μ—密封油的绝对黏度系数，Pa·s／m2； L—浮环密封节流长度，m。 查看振动波动时密封油高位槽液位没有改变即Δp没变，也就是说是振动波动时，轴与浮环偏心率发生了改变。浮环密封和滑动轴承一样，本身具有质量、刚度和阻尼的转子动力学特性。浮环内油膜密封的动力学特性与滑动轴承中油膜的相似，都有承载能力和对转子的动力作用。浮环密封的浮环在油腔中不断浮动，轴是相对不动的。当油膜支撑转动因某种原因偏离正常工作姿态而产生不稳定性，因偏心（浮环不能正常浮动造成的）的存在，就会在旋转方向的切线方向产生不稳定力，导致油膜涡动的发生。观察发现波动频率成分的出现和消失存在突然性特征，与浮环密封中浮环卡涩引起的低频涡动现象更为符合。因此，判断该机组高压缸在发生振动波动时，很可能出现了浮环密封卡涩，浮环失去浮动作用，导致浮环密封内出现了油膜涡动或振荡。浮环薄油膜支撑的转动见图3。
浮环密封动环的浮动性能变化，不仅使转子的临界转速与理论计算差别很大，而且也可能极大地改了转子的振动特性。当浮动环密封和滑动轴承组装在一起后，轴承油膜中的半速涡动可能与转子的一阶临界转速相重合，产生亚异步振动，造成严重的后果。2022年装置大修对合成气压缩机浮环密封进行检查，发现低压缸非驱动端端外浮环两个防转销均被剪切，剪切后的防转销卡在外浮环的泄油口处。当浮环防转销被剪切后，浮动环会在转轴带动下时而发生强制性转动，时而被卡住不动。当卡住不动时，动环不能随轴的振动而浮动，相当于在轴上增加了一个圆柱轴承，转子产生了类似于轴承油膜涡动的振动频率。当浮动环在高速转子的摩擦力矩带动下，被强制转动至某一位置上出现了松动，浮动环又恢复了浮动，此时转子的振动下降，工作正常。浮动环发生间歇性卡涩，在转子振动上就表现出明显的波动现象。低压缸非驱动端外浮环防转销剪切情况见图4。
2.2轴电流损伤 2022年6月振动波动再次出现后，发现频谱中波形图有波形跳变情况，怀疑存在轴电流放电现象。在线对汽轮机驱动端除静电碳棒进行检查，发现碳棒不能取出也无法推进，判断碳棒在安装套管中卡涩没有与轴接触，失去导电功能。机组转子在旋转过程中摩擦会产生静电，而转子与静子部分彼此隔开，即整个转子在高速旋转时与轴承之间由油膜绝缘。只要转子部分对地存在着电阻，转子一旦带电就能建立起对地电压。当电压升高到某一数值，就在电阻最小的区域击穿绝缘通路，发生电火花放电。 为了避免该情况的发生，一般在汽轮机前端安装有静电消除装置，通过碳棒与转子的接触及时将摩擦产生的静电导出。轴承上的电火花放电对设备危害极大，对于径向滑动轴承，会在轴承瓦块上形成电流凹坑，随着其发展，轴承瓦块表面的巴氏合金层（包括锡基轴承合金和铅基轴承合金，具有减摩特性的锡基和铅基轴承合金，适合相对于低硬度轴转动材料，具有更好的适应性和压入性）受到严重的剥蚀，这不仅增大了轴承原有间隙，而且表面光洁度的下降将会出现轴承表面的擦伤、擦痕、局部高温和烧伤。对于高速轻载轴承，巴氏合金表面的磨耗，使一部分轴承瓦块失去对转子轴颈的预负荷作用，转子在旋转时容易诱发油膜涡动，造成转子系统的不稳定，不稳定的油膜反过来又会引起轴承油膜电阻的急剧下降，使更多的轴承电流通过该区域，加剧电火花作用，彼此相互加强，最终导致轴承或转子系统的损坏[3]。 查看轴承间隙电压的历史趋势，发现压缩机低压缸非驱动端通道间隙电压从2022年7月开始出现快速下降，显然是由于油膜涡动降低了该处轴承油膜电阻，使轴承电流损伤很快发展，已对低压缸非驱动端支持轴承造成了严重的磨损。合成气压缩机轴承间隙复查数据见表1。
由表1可见，2022年装置大修对合成气压缩机轴承间隙复查，机组各支持轴承间隙均出现了不同程度的增大。低压缸非驱动端支撑轴承腐蚀情况尤为严重，瓦块上有明显擦痕，巴氏合金已经出现剥落。高压缸非驱动端轴径也出现了典型的静电腐蚀特征。合成气压缩机支撑轴承、轴颈静电腐蚀情况见图5。
综上所述，合成气压缩机低压缸非驱动端浮环防转销剪切，使浮环间歇性卡涩引起油膜涡动。油膜涡动的发生，降低了轴承油膜电阻，而机组除静电装置故障，又使得转子产生的静电不能及时导出，静电在发生油膜涡动电阻较低的支撑轴承油膜处释放，强烈的电火花侵蚀使支撑轴承瓦块表面巴氏合金剥落，轴承间隙增大、约束力下降，又加剧了油膜涡动是造成机组振动波动的主要原因。 3油膜涡动的调整及处理措施 判断合成气压缩机高压缸振动波动的原因是油膜涡动后，针对油膜涡动的特性和故障机理，采取相应的调整措施。 3.1调整润滑油温度 轴承进油温度对油膜振荡有很大的影响，当其他条件不变时，油温高则油的黏度低，最小油膜厚度变小，轴承的工作点、油膜刚度和阻尼系数都将发生变化。一般情况下，油温高，最小油膜厚度小，偏心率大，轴承不易产生油膜振荡，有利于轴颈稳定。而对于一个已经不稳定的转子，降低油温，增加油膜对转子涡动的阻尼作用，对降低转子振幅有利。上述理论在实践调整过程中也得到了较好的验证，提高润滑油温度可以改善油膜涡动情况，有效减小振动的波动幅度。但是随着润滑油温度的提高和黏度降低，会导致油膜刚度下降，转子的振动幅值出现上涨。通过反复试验和摸索，最终确定将润滑油温度控制在43.0~43.5℃，可以较好的平衡油膜涡动与振幅上涨的矛盾，实现机组的安全运行。 3.2调整润滑油压力 提高润滑油压力可以增加油膜厚度，提高轴承液膜刚度，能够有效抑制油膜涡动情况。油膜涡动发生后，第一时间对润滑油压力进行了调整，将润滑油压力由280kPa提高至300kPa。2022年9月10日，油膜涡动加剧，再次将润滑油压力提高至310kPa，油膜涡动情况有明显好转。 3.3改变浮环密封的工作状态 判断可能因浮环卡涩，造成油膜涡动引起机组振动波动后，如何使浮动环摆脱卡死位置，重新恢复自由浮动是解决振动波动的关键。前面提到当振动波动发生时，合成气压缩机高压缸密封油液位控制阀阀位有3%左右的上涨，说明浮动环卡涩时偏心距的改变，造成了密封油泄油量的变化。基于上述发现，如果在油膜涡动发生后（浮动环卡涩时），主动改变密封油的进油量，是否也可以促使浮动环脱离卡死位置，重新回到自由浮动的稳定状态。针对上述理论在机组振动波动发生时，通过反复调整高压缸密封油高位槽液位，对油膜涡动进行干预，重新寻找一个稳定工况。实践证明改变密封油高位槽的液位，对油膜涡动有较好的干预作用，可以使转子摆脱涡动状态。为保证浮环密封的可靠性，密封油高位槽液位的调整范围控制45%~60%。 3.4转子静电消除 针对静电腐蚀的情况，设计加工了一个简易的外加导电装置（图6），通过导电试验能够满足静电消除的需要，有效避免静电腐蚀的发生。
3.5机组大修处理情况 2022年12月，利用装置大修机会，对机组浮环密封进行了检查，对损坏部件进行了更换，并对各轴承间隙和腐蚀情况进行了全面检查，更换了间隙不符合技术要求和瓦块腐蚀的轴承。为避免电流腐蚀的发生，还在汽轮机非驱动端增设了一套导电装置，提高了轴电流导出的可靠性。装置开车后机组振动正常，油膜涡动现象得到彻底解决。 4结束语 合成气压缩机浮环密封卡涩引起油膜涡动，而机组除静电装置故障，使得油膜涡动时在支撑轴承处产生强烈的电火花侵蚀，导致轴承瓦块表面巴氏合金剥落，间隙增大、约束力下降，加剧油膜涡动的发生，造成机组振动大幅波动，严重威胁机组的安全运行。在此情况下通过对浮环的工作状态进行干预，使其脱离卡死位置，消除油膜涡动，同时外加导电装置导出静电，避免电流腐蚀的加剧，使油膜涡动造成的振动波动现象得到较好的抑制。 参考文献 [1] 盛兆顺，尹琦岭. 设备状态监测与故障诊断技术及应用[M]. 北京：化学工业出版社，2003：150-151. [2] 黄钟品，王晓放. 透平式压缩机[M]. 北京：化学工业出版社，2004：134-135. [3] 沈庆根. 化工机器故障诊断技术[M]. 杭州：浙江大学出版社，1994：145. VIBRATION FLUCTUATION ANALYSIS OF SYNTHETIC GAS COMPRESSOR AND TREATMENT MEASURES Wen Gang，Mo Zhenghui，Lu Hong （Chongqing Jianfeng Chemical Industry Co.，Ltd.，Chongqing 408017） Abstract：The vibration fluctuation of syngas compressor with the main frequency of 77.5Hz and 0.42X is consistent with the characteristics of oil whirl. According to the judgement，the failure of floating ring is the main reason causing oil whirl，and the shaft current loss in the bearing makes the fluctuation severe. Studying the structure of floating ring seal and the failure mechanism of oil whirl，the pertinent measures were taken to effectively prevent the oil whirl from happening. Key words：synthetic gas compressor；vibration fluctuation；oil whirl 该篇文章发表于《大氮肥》2023年第六期。 |
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