丁基装置压缩机故障分析
叶晓明
北京燕山石化集团公司
机械动力处
高级工程师
燕化公司橡胶事业部丁基装置K-101压缩机组是一套乙烯制冷机组。该机组是由汽轮机直接带动压缩机，其简图见下图。汽轮机的操作参数：功率：4167KW；进汽压力：3MPa；进汽温度：410℃；额定转速：9770rpm；轴振动一级报警值：60μm；联锁停车值：80μm。压缩机的一阶临界转速3520rpm。
二、测试背景
1. 机组于2000年12月底在正常运行时突然因汽轮机振动联锁停机，停机过程中由于机组发生反转导致压缩机干气密封损坏，检修单位对压缩机干气密封进行了更换，同时将汽机解体检修。
2. 汽机检修完成后进行单机试运转，但试运过程中，汽机因振动高联锁停机。由于缺乏足够数据，未能对振动升高的原因作出准确的判断。
三、测试过程
1. 汽机1月18日再次试运过程中，采用本特利公司208DAIU数据采集器对开机过程进行了连续的监测，但机组振动一直稳定在很低的水平上。在机组工作转速下连续运行10个小时后手动停机，并决定安装联轴器后进行机组试运。
2. 1月21日上午机组开车，在升速到接近4500RPM时振动突然升高并联锁停机。
3. 经过讨论,大家对造成振动升高的原因有了初步的结论，并决定下午再启动一次。开机过程中,检修单位对汽机的缸体膨胀进行了监测，同时操作人员注意对负荷控制。机组升速过程一直很平稳，傍晚机组升速到9300RPM左右并稳定在这个转速下。但在机组进一步加负荷前，振动突然升高导致联锁停机。
四、数据分析
1. 尽管从制造厂的资料中来看，汽机转子为刚性转子，一阶临界转速在工作转速之上，但从汽机单试的数据可以看到，当转速接近5000RPM时振动出现峰值，并且1X的相位也有大约90度的变化，说明转子在这个转速下存在一个共振频率。参见图1汽机停机过程极坐标图
2. 1月21日上午试车时，从开机到通过压缩机一阶临界转速，机组运行一直非常平稳。但机组升速到4480RPM时，压缩机防喘振阀打开，机组负荷开始升高，几乎与此同时，汽机前后四个测点的振动同时增大，机组联锁停机。从机组开停机过程的BODE图（图2）看四个测点的1X幅值几乎同时急剧升高，并且从4500RPM到3600RPM一直维持在较高的水平，然后随转速下降振动幅值逐渐下降。四个测点1X的相位在振幅升高的同时均发生较大的变化。
3. 从机组开停机过程的轴心轨迹图（图3）上可以看到,当振动突然升高时，轴心轨迹的形状发生了很大的变化,此时的轴心轨迹几乎变成了一个三角形，随着停机后转速下降，轴心轨迹逐渐变得圆滑，最终恢复到原始形状。
4. 从整个开停机过程的全瀑布图（图4）上，我们可以看到汽机各测点振动的主要频率成分为1X，并且在振动升高之前均为正进动成分，但当振动升高后开始出现较大的反进动成分，随着转速下降振动降低，反进动成分也随之消失。
5. 从上午开停机过程幅值相位的变化，轴心轨迹形状的变化以及振动频率的变化，我们基本可以确定振动升高是由于汽机内部发生动静部件摩擦引起的。在下午的开车过程中，操作人员注意了对机组负荷的控制，并且现场打表监视汽机的汽缸膨胀。由于采取了这些措施机组成功地升速到9000RPM以上，但在9000多转运行一段时间后，汽机振动再次突然升高并联锁停机。
6. 从下午开停机过程中振动升高前后的趋势图上（图5）可以看到，四个测点的1X相位随振动升高和回落均有大幅度的变化，与上午相比具有同样的特征。
7. 与上午的情形相同，在振动升高时各测点的1X频率成分开始出现较大的反进动成分，并随着转速和振动回落逐渐消失。并且在振动升高时，出现了0.5倍频成分，从这时的全频谱图上（图6）可以看到0.5倍频有较大的反进动成分，这是摩擦故障典型的频率特征。在这个转速下，0.5倍频的频率为4600RPM左右，这与前面说明的汽机转子一阶响应频率相吻合。从理论来说，只有当转速高于两倍的一阶响应频率时，碰磨才能产生0.5倍频的成分，这也是上午没有出现0.5倍频成分的原因。
五、结论
1. 从振动幅值和相位的变化、轴心轨迹形状、频率成分的变化，我们可以确定汽机的振动是由于汽机内部动静部件发生摩擦导致的。
2. 下午开车过程中，检修单位对汽缸膨胀打表检查发现汽缸膨胀不均匀，检查猫爪时发现汽缸向上抬起导致猫爪卡死，不能自由膨胀。
六、处理措施
进一步检查汽机进出口管线应力发现：汽机出口管线（如K-101机组简图所示）上的弹簧吊架在冷态下就已被拉到底并被顶死，因此制约了管线在热态时向下方的受热膨胀，从而导致管线受热向上方膨胀，将汽机壳体抬起。
请设计单位重新核算管线应力，重新安排管线弹簧吊架的设置，消除管线应力。
七、处理结果
2月10日重新开车，汽机各点轴振动下降到20μm以下，一切恢复正常。
贾亦斌
美国本特利内华达公司
北京办事处
机械故障诊断工程师
图1
图2
图3
图4
图5
图6