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离心式压缩机机械故障分析与解决

   在引进的大型化肥、乙烯生产装置和国内的大型炼油厂中,离心式压缩机已是生产中的关键设备。它不仅在动力消耗和投资上占的比例很大,而且设备的故障对正常生产的威胁也较大。典型的压缩机机械事故有离心式压缩机叶片断裂、机组振动等。压缩机零部件的损坏同样可酿成破坏性事故,有时还会毁坏整个压缩机站、厂房和建筑物,甚至造成人员伤亡。
 
  1、离心式压缩机转子磨损与损坏
 
  这里重点介绍离心式压缩机、风机转子与静止元件磨损、损坏甚至轴断裂事故的主要原因与预防措施。
 
  主要原因:
 
  (1)因设计、装配、操作等原因致使转子在气缸内的轴向位置不正确,转子对中不好引起转子轴向窜动超差或产生较大的振动;
 
  (2)因高压缸内缸与外缸套高压侧的O形环和背环被冲掉,高压气体窜入低压缸,使轴向推力大大增加,引起止推轴承磨损或烧坏,使转子轴向窜动,轴向位移失去控制;
 
  (3)缸内级间气封及叶轮口环气封的密封齿空腔内存在很多油污或催化物质(如触媒粉),级间气封严重损坏,气封齿在圆周方向成锯齿状,因气封间隙增大,级间泄漏量随之增大,造成轴向力大大超过设计值而使止推轴承烧坏;
 
  (4)因转子的热膨胀、机组倒转或操作时塔回流量加大,致使各级压力上升而造成转子瞬时窜动或轴向位移;
 
  (5)泵联轴节橡胶块被切断,致使离心式压缩机流量突然下降,吸入温度超高,引起转子与止推轴承损坏;
 
  (6)因轴承质量低劣,发现问题未及时停车,致使前轴承盖、轴、叶轮、密封圈等受到不同程度的损坏;
 
  (7)因转子强烈振动,致使转子与密封部位接触而造成磨损。
 
  (8)在变工况运行中,产生旋涡、旋转失速等不稳定气流或发生喘振,致使转子运行不稳定而发生磨损、损坏。
 
  (9)转子有裂纹等制造缺陷,抗扭能力降低,致使转子在运行中断裂;
 
  (10)气体中的某些成分与存在的催化物在一定温度下形成固体或沉淀,致使中间级迷宫密封和平衡活塞的间隙堵塞,引起末端推力不能平衡,推力轴承、轴严重磨损或损坏;
 
  (11)管路堵塞或压缩机内吸入异物,致使转子等部件磨损;
 
  (12)探头间隙和接近器输出电压不成线性关系,接近器劣化失效,致使误动作,产生较大的轴向位移;
 
  (13)转子各密封部位的间隙安装不良及部件松动。
 
  预防措施:
 
  (1)合理设计、安装,正确操作。为实现准确的对中,应保证基础尺寸合适,具有足够的强度;底板刚性好、砂浆材料适宜,并在良好条件下灌浆;管子应很好地固定并具有足够的挠性;挠性联轴器应采用过渡配合安装;正确确定对中允差;
 
  (2)检查、修复级间密封,并使用轴向位移仪监控轴的轴向位移,以防止高推力负荷发生;
 
  (3)采取必要的防气蚀、腐蚀措施;
 
  (4)严格按照操作规程运行;
 
  (5)发生吸入温度稍稍超过设计指标时,如果压缩机转速还有潜力,可适当提高转速以避免喘振发生;
 
  (6)确保轴承质量,发现问题及时修复或更换;
 
  (7)及时停机检查振动的原因并予以排除;
 
  (8)在变工况运行时,注意操作时必须遵循“升压时先升速,降速时先降压”的原则,防止转速过低,出口压力升得过高。通过控制仪表调节喘振循环阀;
 
  (9)保证转子制造质量,运行前必须认真检查,发现问题不可投入运行,应立即修复、更换;
 
  (10)在压缩机吸人口处采用高效袋滤器,在每一中间冷却器管束部分设置分离器,除去油污和催化物;
 
  (11)彻底进行系统检查,除去管路和压缩机内的异物、铁锈;
 
  (12)对轴向位移仪等安全保护装置要定期检查,确保其测试精度与可靠性;
 
  (13)安装时,确保密封元件的间隙,紧固松动部件,加设防松部件。
 
  2、离心式压缩机、风机叶片断裂
 
  叶轮是离心式压缩机、风机惟一做功的心脏部件,而高转速、大流量、高压力比、大功率和变工况等苛刻工作条件对叶轮的设计、制造技术、加工精度及维护提出了更高的要求。一旦发生叶轮损坏、叶片断裂甚至解体破坏事故,不仅损坏转子,而且随转速增加将引起剧烈的振动,使其无法操作,严重威胁压缩机、风机连续、安全稳定运行,将造成巨大的经济损失。
 
  离心式压缩机叶轮多采用焊接和铆接的结构形式。叶轮损坏多发生在离心力最大的叶轮外缘和应力较高的轮盖进口侧以及铆钉的松动或断裂部位,也有的叶轮前盘连同叶片从与后盘焊接处发生断裂。通过大量事故分析表明,叶轮破裂的断面无明显的塑性变形,几乎全部是宏观脆断。因此,叶轮破坏大部分属于应力腐蚀,其次是疲劳腐蚀。
 
  应力腐蚀是指叶轮材料在受到应力和腐蚀的双重作用下产生应力腐蚀裂纹而导致的脆性断裂。应力腐蚀裂纹一是由于局部腐蚀引起的,二是在腐蚀环境中,材料因腐蚀反应生成氢气从而产生裂纹并扩展,后一种属于氢脆断裂。
 
  疲劳腐蚀是指叶轮在处于振动的状态下,受到交变应力和叶轮与轴的复合振动应力的双重作用,在其薄弱部位产生局部变形,以致超过材料的疲劳极限而产生裂纹。随叶轮的连续不断地振动,裂纹逐渐扩展,最后导致叶轮疲劳断裂。
 
  通过大量的事故统计分析可知,设计制造缺陷、安装和检验不合理、气体与酸泥腐蚀、转子动不平衡引起的共振以及频繁地在喘振区运行等,是导致离心式压缩机、风机叶片断裂的主要原因。
 
  下面具体介绍事故原因与预防措施:
 
  (1)设计制造缺陷
 
  叶轮结构设计不合理,叶轮材料中存在若非金属夹杂物,使其机械性能降低,特别是在仅有几个毫米厚的轮盖边缘上含有夹杂物,使叶轮产生局部应力集中源,从而大大降低疲劳强度;制造缺陷是指焊缝本身和热影响区缺陷以及叶轮加工表面粗糙,如叶片与轮盖之间没有全焊、未焊透、存在气孔、咬边等,若非金属夹杂物刚好在此区域,就更加剧了裂纹的产生和扩展;叶轮与轮盖焊接后使轮盖热影响区内组织发生变化,该区的强度、硬度相对原组织降低,若非金属夹杂物正好处在变化前后组织的交界处,就进一步促使应力集中源的形成,进而促使应力腐蚀裂纹产生,以致发生叶片断裂。
 
  预防措施:
 
  发生上述故障时,应立即停车,组织有关人员对损坏部件进行检查与事故分析;改进叶型设计,避开共振,改变传统离心式压缩机、风机叶轮设计方法,一可采用安全寿命设计,即在有效寿命期间,叶轮不得产生裂纹,二也可采用可靠性设计,即在叶轮存在缺陷或有损伤的条件下,应用断裂力学理论预测出断裂寿命,采取有效的预防措施;选用耐腐蚀、高强度的叶轮材料,确保叶轮加工质量,采用高形状精度和高表面粗糙度加工;在叶轮轮盘外缘两叶片之间部位可磨削圆弧;采用超声波无损探伤,从各个方向对焊缝和热影响区进行严格检查,及时发现焊缝和材质内部缺陷;叶片与轮盖之间应全部焊透,焊后必须进行消除内应力处理;消除过大的振动源,调整共振频率,使叶轮振动控制在允许范围内;修复后的转子应严格进行动平衡、无损探伤和超透试验。
 
  (2)气体与酸泥腐蚀
 
  石油化工用离心压缩机输送的介质大多具有较强的腐蚀性,例如CO2、NH3、CO和H2,它们在一定条件下生成氨基甲酸铵(NH2COOONH4)等,即使是空气压缩机、风机,由于空气和工业烟气中含有SO3、SO3等酸性气体,湿度大时将形成亚硫酸、硫酸,它们对叶轮都有不同程度的腐蚀作用。裸露的叶片长期受气体和酸泥的腐蚀,在没有进行定期检查或段间冷却器、分离器液面指示失真、报警失灵情况下,使下一段入口气体带有酸性,在焊接叶片的焊接缩孔、气孔处形成腐蚀坑,同时伴有部分氢渗现象,易形成疲劳源,致使叶片在受到高应力和腐蚀时发生脆性断裂。
 
  预防措施:
 
  采用耐腐蚀高强度的不锈钢焊接叶轮,焊后进行热处理,其表面进行防腐涂层保护;尽可能降低工艺气中CO、CO2的含量,并控制其合成气出口温度不能过低,一般≥38℃,以防止氨基甲酸铵的生成;定期排出中间冷却器内所生成的含有亚硫酸、硫酸的冷凝水,使其导出机外;安装高效的吸气过滤器(如脉冲式袋滤器),以降低压缩机、风机进口的流速,减少空气中所含的雾状水滴与粉尘;严格检查叶轮的腐蚀情况,并及时清除叶轮内部和表面的沉积物。
 
  (3)转子的严重振动
 
  由于叶轮设计欠佳,使危险振型没有避开共振;叶片制造缺陷,在施工或检修现场进行了不适当的调整、调换,造成驱动机与压缩机主轴对中发生了偏离;叶轮安装不够紧密,或因磨损、腐蚀的不均匀,灰尘在叶轮上积聚,个别叶片折断等,使叶轮不平衡,将引起较大的振动。特别是叶轮的自振频率与扩压器、回流器或气体管道的自振频率相吻合时,将产生共振,这对叶轮的安全运转威胁很大。
 
  预防措施:
 
  消除过大的振动源,调整机组的共振频率,使叶轮振动控制在允许范围内;精心安装,确保转子对中良好;发现转子不平衡时,应查明原因并加以消除,必要时可在高转速动平衡机上进行试验;在变工况运行时,要避免发生负荷突变,严格控制调速范围,严防转速过低使叶片振动频率落入共振区;采用轴振动频谱分析的方法,及早发现主轴的异常振动;严格控制进油温度,适当增加油的黏度;从压缩机顶上垂直下来的进口管道不应直接压在压缩机上,必须由管道挂钩或支架来承担其重量,以防止机壳在管道重量下产生变形而使振动加剧;安装高效过滤器,及时清除叶轮上的积尘、结焦和盐垢;当发现离心式压缩机、风机机组发出异声且伴有剧烈振动时,应立即停车检查;严格按照操作规程进行操作,防止喘振、旋转失速等不稳定气流发生;密切注视压力、真空度、进气量的波动及机组的异常响声,及时发现,及早处理。
 
  3、离心式压缩机机组振动
 
  离心式压缩机机组常见的振动原因及预防措施如下:
 
  (1)转子不平衡
 
  由于转子不平衡产生的离心力与转速的平方成正比,因此,机器启动后很快就会振动,而且随着转速的提高和负荷的增加,振动将加剧。特别是挠性轴,当通过第一阶临界转速时振动相当激烈,振动频率始终与转速同步,径向振幅很大。引起转子不平衡的原因如下。
 
  ①运输或安装不当,转子被碰撞或停放时间过长而保养又不得法,转子平衡精度差;
 
  ②转子发生弯曲变形;
 
  ③机组运行中,因某些部件过盈量太小,高速旋转时致使螺钉松动或脱落;
 
  ④叶轮上堆积沉积物,如积灰、结焦、结盐垢;叶轮被腐蚀、冲刷磨损以及铆钉松动、脱落;叶轮局部破碎;
 
  ⑤动叶片、围带、拉筋、铆钉松动或飞脱;
 
  ⑥齿轮联轴节加工或安装不当。
 
  预防措施:
 
  ①精心运输、保养,保证安装质量,重新做动平衡试验。如有必要可在高转速动平衡机上进行试验;
 
  ②控制转子热胀冷缩,使其均匀或校直;
 
  ③紧固松动的零部件,增设防松装置;
 
  ④清除叶轮上的污垢,修复或更换叶轮;
 
  ⑤检查动叶片表面冲蚀、腐蚀或损伤情况,检查围带铆钉孔处有无裂纹;铆钉的严密程度;围带是否松动,铆钉有无剥落或裂纹;检查拉筋有无脱焊、断开、冲蚀或腐蚀的情况。检查中如发现有上述缺陷时,应及时处理或更换;
 
  ⑥保证齿轮联轴节的加工质量,使其啮合良好,重新组装找正。机组安装找正不仅要求单台机座位置水平和对中,还要求汽轮机、离心式压缩机、齿轮箱机座之间在连接后仍能维持稳定运行。在机组安装找正时,应充分考虑轴系在运转中由于转子自重而产生的挠度、热膨胀和转子工作时干扰力的影响。
 
  (2)半速涡动与油膜振荡
 
  半速涡动是离心式压缩机径向轴承在流体动力润滑条件下,轴颈位置发生振荡的一种形式。换句话说,就是在外载荷与油膜力的作用下,轴颈沿偏移的中心位置方向移动。发生半速涡动时,一般振幅较小,涡动轨迹通常为一椭圆;振幅较大时,轨迹形状更为复杂。半速涡动是指振动角频率为轴转动角速度的一半或少于一半。发生油膜振动时,有时因轴承干摩擦而出现吼叫声。
 
  产生半速涡动与油膜振荡的原因如下:
 
  ①转子制造精度差或动平衡差;
 
  ②轴承动力特性参数选择不当;
 
  预防措施:
 
  ①确保转子制造质量,重新做动平衡试验,配衡修正;
 
  ②正确选择轴承动力特性参数,改进轴承结构,可采用多油楔轴承或多油叶轴承或可倾瓦轴承;将轴承间隙增大;提高润滑油油温;调整轴承高度等措施可以提高稳定性。
 
  (3)基础不坚或下沉及共振
 
  在离心式压缩机运行时,基础振动振幅一般不大,而在停车时由于其他振源引起基础表面的振幅值增大,振频与转速同步,尤其是转子稍不平衡将会引起强烈振动。
 
  产生这种振动的原因如下:
 
  ①机器与底架固定不牢,地脚螺栓松动;
 
  ②基础与底座间填充物脱离;
 
  ③基础不坚;
 
  ④基础自振频率接近工作转速或油膜共振频率。
 
  预防措施:
 
  ①重新紧固;
 
  ②注入环氧树脂等填充物;
 
  ③修补基础;
 
  ④应使基础的自振频率至少避开机器工作转速的±20%,且避开“油膜共振频率”。此时基础的自振频率应避开机器工作转速的40%~50%;
 
  ⑤因为电机的谐波激磁和磁场反作用,其自振频率为两倍的工作转速,故基础的自振频率应避开机器两倍工作转速的±15%;
 
  ⑥因为附近地段其他机器通过管道和地基传播振动频率,根据所设计基础的隔振情况和振动的严重程度,避开工作转速的±(10~20)%;
 
  ⑦尽可能避开转子临界转速的±10%。
 
  (4)临界转速下共振
 
  ①临界转速计算不精确,误差较大,或由于其他原因,使离心式压缩机工作转速与临界转速接近;
 
  ②汽轮机调速机构失灵;
 
  ③轴承在运转或拆装过程中,油温及轴承间隙的变化,不仅会影响转子的稳定运行,而且还会使转子轴系的临界转速发生变化。
 
  预防措施:
 
  ①可暂时提高或降低机器的工作转速,以避开临界转速。
 
  ②可对转子做高精度的动平衡试验,从而保证机组在共振转速区也可稳定地运行。
 
  ③设计时,应使临界转速至少高于或低于工作转速的20%,工作转速n通常规定为:
 
  刚性转子n≤0.7n k 1(n k 1为一阶临界转速)、挠性转子(1.3~1.4)n k 1≤n ≤0.7n k 1(n k 1为二阶临界转速)
 
  (5)结构共振
 
  结构共振是指机器某些部件或组装机器本身发生共振。
 
  ①机器本身各部件之间的振动频率吻合,如叶轮与扩压器、回流器叶片数的关系引起的共振;
 
  ②外界振动频率恰好与机器的涡动频率相吻合,如管道的脉动引起的共振,它将引起转子或轴承处的共振涡流;
 
  ③外来激振力作用所产生的频率,与机器本身某部件振动频率吻合。
 
  预防措施:
 
  改变部件的设计,改变部件的自振频率,设法避开共振频率。
 
  (6)部件松动
 
  部件运行中松紧程度不同,其振幅是不相同的。通常,振动的频率两倍于工作转速,尤其是机组运转方式发生改变时,振动将会加剧。
 
  如离心式压缩机支撑瓦紧力不够,引起调节块松动,造成振动偏大,调节垫片因经常受脉冲应力冲击而破坏,从而引起轴中心下移,造成更为严重的振动,使机组停车。
 
  一般采取的措施是紧固松动部件,或增设防松装置。
 
  转子与固定元件或密封件之间的摩擦测得的振动图像无规律,振动的频率与机器的工作转速同步,而且频率从低到高,波动范围比较宽,启动或停车时能听到金属弦声。发现此种形式振动时,可采取卸拆检查、重新组装的方法予以消除。
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