董玉华，王 平，李明日，陈建江

（1.中国石油大庆石化公司，黑龙江大庆 163714；2.北京博华信智科技股份有限公司，北京 100029；3.北京朗夫赛弗技术有限公司，北京 100085）

0 引言

在对运行机组进行现场监测及故障诊断中，发现有很多机组部件强烈振动，通过采集和监测振动数据得出诊断结论，根据诊断结论提出措施进行多次改进而不见效果。例如，有些设备在长达十几天、几十天甚至一年多的时间里，进行了多次的转子动平衡处理、轴系对中处理、机组基础支撑紧固状态处理、管线支撑部分处理、换瓦、调整轴瓦安装间隙等改善手段，得不到预期效果，给企业造成巨大的经济损失和形成环保危害隐患等；问题往往出在故障机理不清楚、仅仅关注表现出振动过大的转子本身，没有把振动过大的转子与整机系统、流程系统、自然环境系统、转子材料微观金相组织作为有机的整体考虑。通过实例，从机组的工艺流程环境系统、自然环境系统，综合分析并解决旋转机械振动过大问题，由此说明，如果对于一些故障原因不明显，仅在机组本体实施改善措施而没有效果的转子强烈振动问题，应全面考虑大范围系统环境因素。

1 转子振动过大的系统环境延伸分析

在旋转机械的状态监测及故障诊断过程中，大部分设备转子振动过大问题，可以通过在线与离线采集和分析振动及相关数据得出故障原因和机理，针对机组本体提出解决方案，实施后会由明显改善；但还有少部分设备的转子振动过大问题，仅分析振动数据无法得出症结所在，在机组本体采取改善措施几乎没有效果，这些设备在企业中又非常关键，而且会产生重大经济效益及社会效益影响，因此必须扩大故障原因和机理的分析范围，不仅要考虑转子的动平衡问题、轴系的对中问题、轴瓦的安装及质量、机组本体的所有常见问题；还要把范围扩大到石油化工系统流程中，扩大到自动控制系统、设备所处的自然环境、转子金属材料的金相组织等，才能彻底解决转子振动过大问题。

2 大气参数造成的转子振动异常

一台汽轮机驱动的轴流与离心式空气压缩机，转速8100 r/min，流量48 000 m3/h 与49 000 m3/h。给油润滑油总管压力0.252 MPa，油温38 ℃（日常状态）。在压缩机入口流量48 000 m3/h 状态下，压缩机入口侧2 测点振动最小振幅位移峰峰值30 μm，每天24 h 中，多数时间振幅超过30 μm，而在下午15:00 到16:30之间，振动呈波动状态，最大超过60 μm，振幅超过60 μm 时，45 Hz 的低频分量幅值超过1 倍频分量幅值，见图1、图2。

图1 低频涡动小时的谱图

图2 低频涡动大时的谱图

气温32 ℃时，振幅最大46 μm。气温26 ℃时，振幅最大37 μm。此时45 Hz 的低频成分幅值较小。根据机组目前振动的特点和分析数据确认：压缩机振动波动主要是由于压缩机2 段之后的流道内发生气流旋转分离所致；依据是：①压缩机入口开度已达99.89%、导叶-9°流量只有49 000 m3/h，说明流道通流截面有减小处；②振动波动大时频谱图中45 Hz 分量幅值＞1 倍频；③在一周时间里测量吸气环境的温度和湿度数据，温度和湿度高时1 段入口体积流量没变，但经计算得出一段后析出20 多千克水、加之冷却，其后进入2 段的体积流量，约比温度和湿度低时每小时体积流量少数百甚至上千立方米。

改善措施：压缩机的入口流量保持在49 000 m3/h 附近运行。调整流量后，振动回复正常。

如果最高气温降到20 ℃以下时，湿度降低后，再适当调整流量范围。从而说明分析诊断这类从大气环境直接吸气的机组故障时，环境温度、湿度也是不可忽视的条件。

3 控制系统问题造成转子振动过大案例

3.1 伺服阀内油中杂质超标

乙烯透平压缩机组的透平蒸汽控制阀出现持续震荡。对此，2011 年12 月开始多次进行现场监测数据采集。分别在透平机体蒸汽控制阀的上座部位、油动缸体、调速油管线等多个测点采集振动信号，提取大型透平压缩机组故障诊断及维修决策辅助系统采集的透平转子相对轴振动位移信号和频谱图，利用便携式分析仪直接从机组（申克）在线振动监测仪表的缓冲器后采集机组的轴振动信号。见图3、图4。

图3 油管线及调速机构测点位置

图4 机组测点位置

根据测得的数据分析，机组相关测点的振幅值不大，调速器系统压力油管线振幅最大73 μm。但采集的数据说明问题的危害性比较明显。分析三种方式采集的数据，发现壳体阀和转子明显存在1.5～3 Hz 的低频成分，且幅值很高。从现象分析，首先经常造成机组的转速波动，造成透平的轴位移波动，波动范围-4.9～-6.9 mil。其次会造成零部件、密封、轴承的磨损加剧，零部件的疲劳等。

根据机组电子液压式调速的结构原理、控制电路特点初步分析，造成透平蒸汽控制阀持续震荡，进而造成机组轴振动、管线振动的原因有2 种可能：①伺服阀内油中杂质超标；②控制、稳定电路故障。后经GE 国内外专家确认，造成透平蒸汽控制阀持续震荡的原因是伺服阀内的油中杂质超标。

该案例说明，振动表现在机组本体上，引起的原因不一定在机组本体的机械部件范围，通过对汽轮机电子调速系统分析改善，问题得到解决。

3.2 控制逻辑问题

某石化80 万吨/年乙烯装置制冷透平压缩机组正常开工数天后，发生振动过大连锁停机（88.9 μm 停机），最多一天3次振动超标自动连锁停机，机组装有BH5000C 在线远程监测诊断系统，远程系统数据分析结论是压缩机喘振引起，并且给企业发出正式诊断报告，但现场仍无法控制振动过大跳车问题。每停机一次直接造成原料费用损失1 千多万元人民币，产值1 亿多人民币。图5 是远程诊断报告中的振动与转速趋势及谱图。

图5 停机前后的振动趋势及谱图

调取BH5000C 系统的振动数据、DCS 数据图表，分析防喘系统的动作过程；凌晨1:30 发现压缩机的防喘控制逻辑不适合该机组的实际情况，上午与3C 公司负责压缩机控制的工程师沟通，下午与主机厂工程师沟通，他们同意修改机组防喘控制逻辑，当天下午实施后，问题得到解决。案例说明，分析出振动过大停机直接原因后，还要找出解决问题的措施，从控制系统防喘控制逻辑入手，改善控制逻辑，使问题得到解决。

4 化工反应过程造成的转子振动过大

煤化工装置的一台透平压缩机组，2010 年至2014 年年底已平稳运行5 年，压缩机两端振动皆为十几微米，运行期间机组都是满负荷工况。2014 年底大修，再开车一段时间后，机组振动开始波动，最终于2015 年4 月17 日振动幅值波动超过机组停车值，压缩机负荷变大振动也变大，最终导致连锁停机。为避免停机，压缩机及装置一直在50%负荷运行，企业运行一年承受1.8 亿元人民币的经济损失，同时还存在巨大的安全环保隐患。机组概貌及测点位置见图6。

4 月27 日进入现场了解情况后，对机组多种工况下对应的振动信号进行监测分析，初步分析结果，振动过大主要由低频涡动类问题引起。低频涡动故障种类包括旋转失速、喘振、密封内气流激振、较严重的松动、碰摩故障、径向轴瓦油膜涡动、径向轴瓦油膜振荡。

透平和压缩机两端轴承振动信号频谱中皆存在同样的低频成分，随着转速变化，低频成分从0.33 倍频逐渐增加到0.46 倍频。油膜涡动特征频率为0.42～0.48 倍频，油膜振荡特征频率为1 倍的临界转速（压缩机横向一临界转速2350 r/min，39 Hz），通常发生在工作转速超过2 倍的第一阶临界转速以上时，另外当压缩机转速在2 倍的第一阶临界转速以上降速时，振幅随流量负荷减小而明显增大，不符合油膜振荡规则，而油膜涡动和振荡对负荷的变化都不敏感。据此可排除这两者的影响。

图6 机组概貌图及测点位置

诊断结论：

（1）通过监测过程中，转速在2 倍临界转速以上时的“升降速验证”，可以排除油膜涡动和油膜振荡问题。

（2）引起振动的主要原因是循环段流量过大，合成段流量过小产生旋转分离。

改进措施：

（1）运行中尽量保证合成段流量在额定工况。例如：转速在4700 r/min 时，质量流量保证在300 t/h 左右（视组分轻重及工况优化运行）。

（2）循环段流量保证在额定工况范围。

（3）合成塔温度提高10 ℃。

采取改进措施后，压缩机负荷提高到95%以上，每年节省费用1.8 亿元人民币，同时消除了安全环保事故隐患。

该案列没有在压缩机本体上采取任何检维修工作，而是将解决问题的“系统”范围延伸到距离压缩机很远的合成塔。还有很多类似案例，如三一重工生产的离心压缩机轴系不平衡问题，企业没花一分钱问题得以解决；山东京博石化的富气压缩透平压缩机组强烈振动，每天数次振动超过100 μm 停机值，经常达到130～150 μm，从大“系统”范围分析故障机理，以极低成本解决了问题。

5 结束语

随着设备监测诊断技术应用的深入和推广，对于单一的轴系不对中、转子不平衡、轴承磨损、断叶片、油膜涡动及振荡、旋转分离及喘振等故障，利用在线或离线监测系统的数据，可及时分析出结论；而长时间困扰现场的、造成重大经济损失的棘手故障，多数是类似上述案例类型的故障，引起这类故障的根本原因往往不在设备主机，可能要延伸到系统较大范围的环境中，如：转速控制系统、保护控制系统、材料的微观金相组织、大气环境温度和湿度、化工工艺系统等。因此采取头疼医头、脚疼医脚的方式分析机组故障原因，可能会造成很大的经济损失，因此在发生疑难故障时，要将分析的范围扩大。