二重催K101煙機軸振動分析

        大慶石油化工分公司煉油廠二重油催化K101煙氣輪機(1999年蘭州煉油化工機械廠生產)是重催裝置能量回收三機組配置之一，此三機組為大慶石油化工分公司關鍵性特護機組。煙氣輪機型號YLⅡ-10000K，沖動式雙級，轉速5800r/min,功率11054KW，介質為煙氣，入口溫度650℃，出口溫度471℃，入口壓力0.20MPa，出口壓力0.106MPa，流量142200m3/h。煙氣輪機在線Bently3500儀表軸振動值(峰—峰值)一直在30-50μm之間。
       1.振值升高和診斷分析
        2002年6月12日，K101煙機兩側軸振動值逐漸上升至80μm(低報警為80μm，高報警為100μm)，而主風機軸振動值無上升。儀表專業對Bently在線儀表及其線路進行校驗，確定無問題。利用(IRD  FAST TRACK)數據采集器/頻譜分析儀對煙機兩側軸振動信號進行頻譜分析，兩側1/2工頻成分占3/8，一倍工頻成分占5/8(圖1)，軸向振動比較微弱。對煙機地腳和基礎進行振動測量，并未發現地腳松動。

圖1 煙機軸振動頻譜

        由于軸承殼體配合松動會產生1/2倍或2倍工頻振動；而軸承間隙太大，即使是一種很小的激勵力（如不平衡力），也會引起很明顯的軸承振動，像K101煙機這種高速轉子，過大的軸承間隙會改變軸承的動力特性，會引起類似軸承殼體配合松動問題，從而使轉子運轉不穩定。
        再由于，軸承油膜振蕩和葉輪中的氣體激振力及轉子與定子之間發生局部摩擦均可激起半頻振動。于是對該煙機潤滑油的溫度、壓力和負荷等進行幾次調整，振動狀況仍無改善，初步診斷為轉子平衡精度變差和轉子與定子之間發生局部摩擦。經石化分公司和煉油廠有關人員商議決定，于2002年6月13日對K101煙機進行臨時解體檢修。
        2.煙機解體情況
        對煙機解體檢查，發現轉子葉片上粘積有大量煙氣攜帶的催化劑粉塵垢層，并有局部垢層脫落的，從而造成煙機轉子平衡精度變差；同時檢查發現轉子二級一葉片因鎖片變形而后竄，與過度環的氣封發生90°圓周左右的局部碰摩，使動葉根磨損較嚴重并出現微裂紋，從而進一步加劇煙機轉子平衡精度變差。
        3.轉子與定子摩擦的特征
        在高速渦輪機械中為了提高機器效率，往往把密封間隙、葉輪頂隙做得較小，以減小氣體泄漏。但是，小間隙除了會引起流體動力激振之外，還容易發生轉子與定子部件的摩擦。這種摩擦有時是不嚴重的，并不引起明顯故障，但有時卻因摩擦碰撞產生很大的振動，機器未停車拆檢之前常常找不出振動原因。因此，必須了解干摩擦激振的故障特征，以便及時作出診斷，防止更大事故發生。
        發生局部碰摩時，接觸力和轉子運動之間為非線性關系，使轉子產生次諧波和高次諧波振動響應。在次諧波響應中，對稱型的非線性振動產生奇次諧波響應；不對稱型的非線性振動產生偶次諧波響應。局部碰摩一般是不對稱的非線性振動，因此多數情況下是產生轉速頻率的1/2次諧波響應。
        但是，轉子實際碰摩情況比較復雜，既有對稱型又有不對稱型的非線性振動，因此在轉子的振動響應中，既有轉速為n的頻率成分f和2f，3f，…一些高次諧波成分，又有f/i的低次諧波成分（i=2,3,4…）。重摩擦時，i=2；而輕摩擦時，隨著轉速升高，會出現i=2,3,4,5…各個低次諧波。很顯然，從圖1的頻譜特征可看出，此次二重油催化K101煙機轉子與過度環的摩擦屬于重摩擦。
        4.轉子動不平衡的特征及分析
        轉子的質量不平衡所產生的離心力始終作用在轉子上，轉子每旋轉一周，就在轉子或軸承的某一測點處產生一次振動響應。因此它的振動頻率就是轉子的轉速頻率，即：f=1/60×n，
        轉速頻率也稱為工頻（即工作頻率），這種頻率成分很容易在頻譜圖上觀察到。轉子不平衡故障的特征是：
        (1)在轉子徑向測點的頻譜圖上，轉速頻率成分具有突出的峰值，如圖1中的最大峰值；
        (2)轉速頻率的高次諧波幅值很低，因此反映在時域上的波形很接近于一個正弦波；
        (3)除了懸臂轉子之外，對于普通兩端支承的轉子，軸向測點上的振值一般并不明顯；
        (4)實際轉子軸承并非完全線性振動系統，因而會出現一些高倍頻成分的諧波響應。
        像二重油催化K101煙機，因煙氣攜帶的催化劑粉塵在葉輪葉片上沉積，如果在葉片上沉積的比較均勻，所表現的振動現象不太明顯，一旦沉積層局部脫落或沉積不均勻，就會引起轉子不平衡而產生振動現象，往往是振幅逐漸加大，嚴重時可能產生轉子與定子之間的摩擦與磨損。
        此外，由于轉子二級一葉片后竄與過度環的氣封發生碰摩磨損，也會使轉子的動平衡精度變差，從而加劇轉子的軸振動。
        5.解決措施及效果
        (1)用高壓水徹底清洗煙機轉子和隔板的表面和流道；
        (2)更換煙機轉子二級一后竄而磨損的葉片；
        (3)全面檢查兩級轉子葉片的鎖片完好；
        (4)煙機轉子作低速動平衡合格；
        (5)調整兩側軸瓦徑向間隙：前側0.26mm、后側0.25mm；
        (6)軸瓦與軸承座過盈量為0.03mm；
        (7)轉子找正：煙機轉子水平高于軸流主風機轉子0.42mm，水平方向偏0.09mm，兩軸上張口0.03mm；
        (8)推力瓦軸向竄量為0.58mm。
        2002年6月21日，二重油催化K101煙機臨時檢修完畢，機組開車成功，投入系統運行狀態良好。
        由于蠟油催化和一重油催化煙機以往運行中，曾經多次出現過因轉子葉片上粘積有煙氣攜帶的催化劑粉塵垢層，使煙機轉子平衡精度變差，引起軸振動值增大。但再繼續運行一段時間，或因轉子不同相位葉片局部粉塵垢層的脫落，又使轉子平衡精度變好，軸振動值又減小，并創下了煙氣輪機連續累計運行629天的記錄。
        而此次二重油催化的K101煙機軸振動值超高，已初步判斷為轉子與定子碰摩和轉子動平衡精度變差。特別是動靜的碰摩與轉子葉片積垢不同，隨時會惡變，造成設備損壞，所以決策者依據上述判斷果斷下令停機，并在解體檢修中使問題得到驗證和解決。因此，當運行機組發生問題時，要從多方面綜合地進行推理和排除，并快速作出準確的初步判斷，以確保大機組的安全運行。