文冰

（中国石油四川石化有限责任公司，四川 成都 611930）

1 前言

透平式压缩机是一种高速旋转机械，结构紧凑、尺寸小、重量轻，应用范围较广，并且在诸多应用场合下具有无法替代的地位。作为一种工业装备，它广泛应用于石油精炼、化工、冶炼、天然气运输、制冷和矿山通风等诸多重要部门；作为燃气涡轮发动机的基本组成元件，在航空、水、陆交通运输和发电等领域随处可见；作为增压器，已成为当代内燃机不可缺少的组成部件。在诸如大型化肥、大型乙烯等工艺装置中，它所需投资可观，耗能比重大，其性能的高低直接影响装置经济效益，安全运行与整个装置的可靠性紧密相关，因而成为备受关注的心脏设备。

透平压缩机运行过程中由于动静结构部件运动干涉导致碰磨是较为常见的故障，主要发生在机组动静叶片密封、转子轴封以及滑动轴承等处。这种动静碰磨状态早期容易造成机组内的密封磨损和失效，导致机组振动升高或者级间泄露损失，碰磨后期长期的冲击力甚至有可能导致机组叶片突然断裂，严重情况下，断裂叶片和其他叶片碰撞引发二次叶片断裂事故，迫使机组非计划停机检修，严重影响生产，造成重大的经济损失以及安全事故。

为了保障设备运行平稳，防止突发事故，避免设备事故带来的危害以及经济效益损失，实施基于状态监测系统的预防维修已经成为现代化设备管理的重要方向。

2 状态监测与故障诊断技术

状态监测是指用人工或专用的仪器工具，对规定的监测点进行间断或连续的(周期)监测，掌握设备运行所处于的状态，判定设备是处于正常状态还是异常状态的一种方法。可监测的设备动态参数有压力、流量、温度、振动、油液与噪声等。状态检测的目的在于掌握设备发生故障之前的异常征兆与劣化信息，对设备运行状态进行评估，判定其处于正常或非正常状态，以便事前采取针对性措施，控制和防止故障的发生。故障诊断依托专业的技术人员对设备状态监测数据进行精密分析，精准锁定设备潜在的故障位置，故障类型和严重程度，提出故障治理措施和方案，为操作人员和检修人员指明正确的方向，避免盲目处理。

基于状态监测与故障诊断技术进行设备管理可以有效指导设备检修，提高设备管理水平，防患于未然，将事故消灭在萌芽，获得潜在的巨大经济和社会效益，推行状态监测与故障诊断技术，有助于降低设备维护成本，延长设备使用寿命，最大限度提高以生产经济性为目标的管理。

3 动静碰磨故障特征

3.1 物理特征

设备运行过程中转动部件与静止部件之间发生干涉称为动静碰磨。转子动平衡较差、转轴弯曲度过大、对中不良以及热膨胀不均造成的间隙不足等都有可能引起动静部件发生干涉碰磨。

离心压缩机转子碰磨故障包含三种物理现象：碰撞、摩擦和轴系刚度的改变。

碰撞产生的效应体现在如下几个方面：①改变转子的振动形态。碰撞相当于给转子及静子一个脉冲，能将转子和静子的固有频率激发起来。因此，转子的实际振动是由旋转产生的强迫振动和冲击产生的自由振动的叠加而成的，从而使振动频谱中的高频分量增加。②碰磨点限制了转子的运动，使转子的振动波形发生畸变，产生削波现象。

摩擦产生的效应为：①动静部分摩擦，使机组的零部件磨损，影响机组的运行状态，使机组的效率下降。②使转子和静子局部过热，从而使转子产生热态弯曲。③产生切向摩擦力，使转子从正向涡动转向反向涡动。

轴系刚度不仅与转子的材料有关，而且与轴系的边界条件有关，动静碰磨时，边界条件改变了，若其刚度变化，则固有频率变化，轴系将不稳定，可能发生自激振动。

基于状态监测系统，采集转子轴振动信号，转子发生动静碰磨时振动信号特征如下：

3.2 振动特征

转子在正常状态下的自转频率为ω0，当机械设备发生碰磨故障时，转子受到外力冲击。在力的作用下，转子发生弯扭耦合振动[61]，转子异常扭振信息会体现在弯曲振动信号的相位中[62]，在横振信号中则体现为调频信息，转子故障状态下的实际频率ωi的表达式为：

式中：ω0为自转频率/rad·s-1；ωm为调制频率/rad·s-1；Am为调制信号幅值；φm 为调制信号相位/°；ωi为实际频率/rad·s-1。

转子转过的角度即为ωi随时间的积分，表达式如下：

碰磨故障信号的一般表达式为：

综上可得碰磨故障的信号表现形式：

其特征为：

（1）时域波形出现削波现象，波形的波峰或者波谷被削去一部分，削去的量由碰磨严重程度决定。削波现象从信号合成原理上看，是叠加了其他高倍谐波成分的结果；

（2）频谱成分比较丰富，会出现转频、2 倍、3 倍等高次谐波频率成分，有时也会出现1/2、1/3 等分数倍频率成分；

（3）轴心轨迹比较紊乱而且形状多样，当发生局部碰磨时，轴心轨迹会出现尖点、呈现“8”字形，故障严重时会出现花瓣形；

（4）二维全息谱中高倍椭圆增多、幅值增大，全息椭圆的偏心率较大，转频椭圆会出现反进动。

4 某透平压缩机机组碰磨故障案例分析

4.1 机组信息

某石化蜡油装置一台关键机组循环氢透平压缩机机组信息如下：

汽轮机型号：NG32/25/0，输送介质：蒸汽，类型：背压式，额定转速：12100r/min，额定功率：2848KW，额定进气压力：4.0MPa，额定进气温度：420 ℃，额定排气压力：1.32MPa。

压缩机型号：BCL409/B，工作介质：循环氢，类型：离心式，压缩机轴功率：2815kW，额定转速：12100r/min，最大连续转速：12705r/min，第一临界转速：4369r/min，第二临界转速：17139r/min，额定入口压力：15.79MPa（A），额定进口温度：56.67℃，密封型式：干气密封。

汽轮机和压缩机采用联合底座，使用润滑油站供油。机组布置如图4-1 所示。该机组安装了在线监测系统，能够实时监测汽轮机，压缩机的各项运行参数，如径向轴振动，轴向轴位移，轴瓦温度，机组转速等。

图4 -1 透平压缩机布置图

4.2 运行概况

图4 -2 汽轮机振动趋势

图4 -3 2017-7-18 透平振动趋势

图4 -4 2017-7-18 汽轮机1 倍频振动趋势

该机组配备了实时状态监测系统，从2016 年8 月25 日开始，该机组透平振动开始出现振动报警的情况，随着时间的推移，报警频率从2017 年6 月10 日开始逐渐升高，该机组汽轮机振动趋势如图4-2 所示。

经过初步分析，透平每次发生振动波动时，趋势都是先缓慢上升，然后再缓慢下降，但波动幅度不同，以2017 年7月18 日汽轮机振动为例，波动趋势如图4-3 所示。

4.3 振动数据分析

通过状态监测系统对机组振动数据进行精密分析，以2017 年7 月18 日振动数据为例，透平振动报警时一倍频振动幅值及相位趋势如图4-4 所示，同图4-3 透平通频振动趋势对比发现，当通频振动幅值变化时，一倍频幅值及相位都同步发生改变。振动瀑布图如图4-5 所示，振动波动的时候主要是一倍频幅值波动，振动平稳时轴心轨迹如图4-5 所示，振动波动至最高点时轴心轨迹如图4-6 所示，通过对比分析，发现振动波动时，透平两端的轴向轨迹形状发生变化，驱动端进动方向也由正进动变为反进动。

图4 -5 振动平稳时透平轴心轨迹（左：驱动端，右：非驱端）

图4 -5 振动平稳时透平轴心轨迹（左：驱动端，右：非驱端）

图4 -6 振动波动至高点时透平轴心轨迹（左：驱动端，右：非驱端）

4.4 结语及验证

4.4.1 结语

结合现场检查发现，振动升高期间，汽轮机驱动端右侧猫爪下垫片松动，初步推测汽轮机气缸整体受到外力被顶起。再根据以上状态监测系统振动数据分析可以得出：

（1）汽轮机振动波动是由于一倍频振动幅值及相位发生波动，引起一倍频幅值和相位变化的原因主要是转子动不平衡量在一定的时间内发生了缓慢变化，波动结束后又恢复原状态，因此，推断该汽轮机转子发生轻度碰磨，碰磨过程中转子局部过热，引起了转子临时性轴弯曲，导致一倍频幅值和相位发生变化；

（2）导致转子汽轮机动静碰磨的二次原因为：环境、介质温度变化或管道应力引起的汽轮机壳体热变形、轴承座标高变化，或高密度流体冲击引起的转子振动扰动等因素引起汽轮机定子与转子间隙减小，从而导致汽轮机动静碰磨。

4.4.2 建议

根据2017 年机组振动趋势，继续重点监测运行，并保证蒸汽参数达标和稳定。建议大修期间，按计划检查：汽轮机管道支撑及管口应力情况；转子及叶片冲蚀状况；检查和调整轴瓦间隙及瓦背紧力；检查汽封部位磨碰情况。

4.4.3 检修反馈

2018 年4 月28 日，对机组进行检修，发现问题如下：

（1）通过测量气封间隙，发现汽轮机壳体向南发生了偏移，导致南侧气封间隙较北侧明显大，南北两侧气封与转子间隙差值最大达0.25mm。

（2）动、静气封多处出现明显磨损。如图4-7 所示。

（3）设计院对汽轮机入口管道进行检查、计算后，发现汽轮机南侧入口管道处弹簧支架的弹性失效，蒸汽管道膨胀对汽轮机壳体产生作用力，造成汽轮机壳体位移、变形。

5 结语

状态监测及故障诊断能够对设备实行“健康”状况连续监测，便于专业技术人员及时准确地对设备进行健康评估，锁定潜在故障，为操作人员和检修人员提供有力的技术支持，及时处理故障，确保监测机组运行的可靠性、安全性和稳定性，提高经济效益。

图4 -7 气封磨损情况

本文针对动静碰磨机理进行简要分析，并且基于状态监测系统针对一起透平压缩机轴瓦碰磨故障进行了分析诊断，指导检维修，避免盲目解体检查，从而得以及时处理故障，保障机组运行成功，配合全场装置开工生产。