石化施工中转动设备振动故障分析及预防对策！

石化装置转动设备振动故障是一种常见的设备故障。文章从现场施工角度,对转动设备振动故障的种类及导致故障的原因进行了分析。施工过程中,可基于设备振动故障波形及波谱测量结果,对导致设备振动故障的直接原因进行科学分析及判断,并针对性地采用现阶段已有的熔覆焊修复工艺、轴瓦装配工艺、激光对中设备、防松螺栓、内密封安装方法等措施进行振动故障预防及消除,实现在一个设备中修周期内振动故障发生率低于0.5%的目标。

关键词：石化装置 转动设备 振动 故障

随着石化装置建设规模不断扩大与生产工艺要求的不断提高,转动设备的安装精度要求也越来越高。在石化装置中,烟机、主风机、气压机、压缩机等主要转动设备因其转速高、功率大的特点,在生产中占据了主导地位。在该类设备施工过程中,若安装精度不高,则可能直接造成设备运行振动过大,严重的还会造成设备部件损坏,影响装置正常生产,因此严格管控转动设备施工质量及安装精度,是极其有必要的。

本文对转动设备常见的几类振动故障进行分析,并结合某化工装置离心压缩机机组的安装实践,从转子不平衡、不对中、支承结构松动以及干摩擦等方面,提出了施工过程中减少振动故障的预防措施,可为施工阶段预防及消除振动故障提供借鉴经验。

1 振动故障产生的原因及分析

转动设备在生产运行过程中, 不可避免地会产生振动, 这是转动设备的共性。若振动测量数据在允许范围内, 则称之为正常振动, 一般来说,设备制造厂家会结合自身生产水平及设备使用要求进行振动的允许范围界定。若振动超出允许范围, 则称之为非正常振动, 也就是振动故障【1】。

振动形式主要由振幅、频率、相位三要素表示【2】。正常状态的振动,振幅小,频率及相位基本一致,呈周期性变化;出现振动故障的设备,振幅较高,频率及相位不一致,也无周期性变化。因此,可以通过分析振动故障产生的不同振幅、频率、相位来判断振动产生的原因。

1.1 振动故障产生的原因

振动故障产生的主要原因有转子不平衡、转子不对中、松动、摩擦等。转子不平衡的原因包括加工产生的误差,铸件中的气孔,材料密度不均,运输或使用过程中的腐蚀、破损、变形等;转子不对中的原因主要是轴对中不精确等;松动的原因有地脚螺栓松动、轴承松动等;摩擦的原因主要是组装间隙不正确。

1.2 振动故障的分析

振幅、频率、相位不同,产生的故障振动信号特征也不同。对振动信号进行收集、辨别、分析,有助于判断石化装置转动设备振动故障产生的原因,并根据分析结果采取不同措施。

1.2.1 根据类型判断

从基本、简单方面开始,对石化装置转动设备的振动故障进行科学有效的分析,比如根据振动故障产生的声音判断故障产生的部位及原因。

1.2.2 掌握转动设备的特性及使用要求,进行故障分析

了解转动设备的规格型号、运行原理,查找转动设备正常生产运行时的特征,重点是转动设备以往正常运行时的振动情况,然后根据故障振动产生的与设备正常运行时不同的振动特征,来查找振动故障产生的原因。

1.2.3 观察变化,进行振动故障分析

先观察转动设备在启动和停止时非正常工段的振动情况;然后观察振动频谱中某些波形的改变或消失【3】,剃除一些可能性极小的故障因素;再观察设备转轴的运动轨迹,汇总信息并进行科学分析,找出导致故障发生的原因并提出有效的解决办法。

2 转动设备运行过程中的振动故障分类

2.1 转子不平衡

转动设备运行过程中整个转子一直保持旋转,特别是在高速旋转中,即便是存在很小的偏心,也会产生极大的偏心力,该偏心力作用会传递到起支撑作用的轴承上,轴承也随之发生振动。但是转子在加工过程中无法实现完美的轴线对称结构【4】, 并且转动设备运行期间叶轮会出现不均匀的磨损或腐蚀, 叶轮表面也可能黏附不均匀的积灰或附着物, 这些问题最终会导致转子的不平衡。

不平衡振动故障产生的波谱频率单一而明显。对于刚度较大的转子而言,其振幅与转速的平方基本成正比例,径向振动量大于轴向振动量;相位保持恒定不变,与转速同步。

2.2 转子不对中

石化装置的转动设备,驱动机的驱动轴与转动设备的转子需要精对中后联接。轴对中精度不足、机组中分面的水平度或挠度偏差过大、转子安装间隙过大或过小等,都会导致转子轴线不对中。转子不对中的情况主要有3种典型类型,即平行方向的不对中、角度方向的不对中以及组合方向的不对中。

不对中引起的振动振幅值一般随负荷的增加成正比例增加。平行不对中主要激起2倍转速,径向振动比较大,径向振动相位差为180°。角度不对中表现为同频振动,轴向振动约占径向振动的50%,轴向振动相位差为180°【5】。

2.3 支承松动

石化装置中最常见的设备基础是混凝土基础,所以绝大多数转动设备的基座是通过地脚螺栓与基础固定在一起的,转动设备的轴承支座也是通过螺栓与设备壳体连为一体的。螺栓紧固不牢或者转动设备长时间运行,都易导致连接螺栓松动。轴承瓦背若与轴承支座接触不良,在长时间运转下也会产生松动。松动产生的振动是冲击性的,且伴有冲撞摩擦现象,同时会产生强烈的振动杂音。

地脚螺栓松动导致的故障,方向特征非常明显,表现为垂直方向的振动明显且强烈,奇数倍振幅峰值突出【6】,振动振幅值一般随负荷的增加而增大,相位与转速一致。

2.4 干摩擦

石化装置转动设备最常见的转子与密封的摩擦故障有两种,即转子与密封大弧度摩擦和转子与密封部分位置撞击摩擦【7】。以上摩擦被称为干摩擦,以区别于有润滑油作用的普通摩擦。

转子与密封摩擦碰撞时,转子会受到很大的冲击,导致转动设备产生异常振动。摩擦振动频带范围较宽,在幅值上的变化呈现非稳定状态,在波形上常常表现为削波状态【8】。

3 施工过程中振动故障的预防对策

3.1 转子不平衡的预防措施

在检修施工中,当转子吊出后需要仔细检查是否存在磨损、裂纹,叶轮表面是否黏附杂物等问题。对于黏附的杂物要吹洗干净,露出原金属光泽,并仔细检查是否存在表面缺陷。针对浅层划痕、气孔、磨损,只需研磨处理即可。若出现深层划痕及磨损,则需进行修复。

转轴组件现场修复可以采用激光熔覆焊或等离子熔覆焊,这是目前比较先进的修复工艺。激光熔覆焊(见图1)熔铸区域小、过渡区域小、收缩量小,材料在收缩过程中所产生的收缩力不足以使整个机体变形,所以激光熔覆修复转轴不会产生变形【9】。等离子熔覆焊的材料适用范围广、操作简单、熔融较深、排渣排气彻底、可形成平稳的整体熔覆层,其成本低、效益好,因此在大面积、大伤痕熔覆方面有着显著优势。修复过程中,可根据受损部件的种类及损坏程度合理选择适用的熔覆焊工艺。

图1 激光熔覆焊工艺应用

3.2 转子不对中的预防措施

转子的支撑最终通过轴承落到机组下壳体,因此施工中必须保证机组水平度或挠度偏差在允许范围内。施工时须保证有足够的垫铁或顶丝来支撑壳体重量,并对壳体进行找平找正。采用框式水平仪在设备中分面上进行水平度测量,采用激光测量仪进行轴承座同心找正,同时进行以上两种测量调整,确保找平找正精度均满足要求,合格后需在24 h内进行二次灌浆。

大型机组通常2个转轴之间的间距比较大,传统的百分表对中测量数值不准确。目前大型或重要机组已经采用激光对中仪进行轴对中测量(见图2)。从激光发生器射出的光束无散射,沿直线传播,能量损失少。激光对中仪一般采用 635～670 nm 波长半导体红色激光,光波波长单一,不易受到外界光线的干扰,且容易被接受器接收并识别【10】。激光对中仪就是充分运用了激光的两大特点,所以其在轴对中操作中可以做到高精准度,并且使用灵活方便,节省时间。

图2 激光对中设备应用

大型转动设备,特别是高转速设备,其轴承一般是滑动轴承。石化装置中离心式压缩机通常采用剖分式轴承,其安装和测量简单。安装过程要确保轴瓦背部与轴承孔座、轴瓦内部与转轴接触良好,若接触不良,要以上、下两部分轴瓦中厚度大的轴瓦所在的轴承座内孔为基准对轴瓦背部进行刮研;剖分式轴瓦按照安装程序通常是先对下轴瓦进行刮研,然后再对上轴瓦进行刮研;轴瓦刮研完毕,测量接触面符合要求后,将轴承盖紧固,此时轴能轻松地转动且无误差间隙(见图3)。

图3 下轴瓦刮研合格后安装

3.3 支承松动的预防措施

转动设备运行过程中,连接设备基座与设备基础的地脚螺栓在转子高速旋转产生的周期性不间断振动作用下会造成螺母松动。机器正常振动是其固有特性,无法避免,故只能采取螺栓防松动措施,来避免松动产生。紧固地脚螺栓专用的防松螺母称为多级顶推联接紧固器,简称超级螺母。超级螺母将巨大的预紧力沿轴向分解为若干个小的分力,利用螺纹增益原理,逐颗对称拧紧顶紧螺钉,对被连接部件施加巨大的轴向预紧力,其预紧力精度可达90%～95%。

在机壳内部固定轴承座的螺栓由于处在隐蔽空间,日常巡检及在线检测均难以发现是否松动,为此必须考虑体积小且防松性能可靠的螺母。目前偏心螺母(对不同尺寸和材质有不同的对应偏心量)被验证在剧烈长时间振动下仍能保持不松动。这种螺母一般分为凹状螺母和凸状螺母,两种螺母配套使用,安装时要先安装凸状螺母,再把凹状螺母安装在其上方。

3.4 干摩擦的预防措施

干摩擦的预防措施就是采取措施保障转子与密封之间的安装间隙满足要求。首先要保持下端壳体除了地脚螺栓的预紧力外,不再受其他约束力,确保壳体及后续安装在壳体内部的密封及隔板不变形。之后,壳体内部的转子及密封要按照以下步骤进行安装:使用专用工具组装下半隔板,下半隔板放入机壳后,在垂直方向应有0.05～0.15 mm的热胀间隙,同时隔板与转子应同心;叶轮间隙及密封间隙的测量数据应符合厂家技术要求;将主机下半壳体内安装定子所用螺栓、螺母逐个紧固;回装转轴,转轴径向位置取决于叶轮与隔板间隙,一般应使进气间隙略大一些; 密封间隙(见图4)应测量同一径向圆面之内的水平和垂直方向4个点位, 垂直方向可以用压铅法进行测量,水平方向可以用塞尺进行检查。若测量发现转子与密封间隙偏大或偏小,要尽量保持转子不动,采取打磨或修复密封(或隔板)的方法进行间隙处理。

图4 内密封间隙测量合格

3.5 有效避免振动故障的其他预防措施

润滑油系统的干净通畅是保障轴承润滑充足、减少转子与轴承摩擦振动的关键,同时还能起到有效的降温作用,减少热膨胀造成的转子不对中情况。因此在机组初次安装或检修后投用前,一定要做好油冲洗,确保油质清洁无杂质。

转动设备停用期间,需根据当地环境,采用定期将氮气或干燥空气注入机壳内部的措施,防止外界潮湿或腐蚀性气体腐蚀内部部件。

考虑转子本身质量较大,若长期处于静止状态,转子刚性不足,可能会产生一定的弯曲变形,所以需要认真按照说明书要求的时间进行盘车并做好记录。

通过分析机组振动故障产生的不同原因,根据多年施工经验并结合新技术、新工艺,制定有效的故障处理措施,能够促进转动设备安装工效和安装质量的提升,保障机组平稳运行。

4 结语

结合某石化装置离心压缩机机组的安装实践对转动设备产生振动故障的原因进行分析,找出转子不平衡、转子不对中、支承松动、干摩擦是造成设备振动故障的直接原因,施工中采取合适的熔覆焊工艺、激光对中技术、螺栓防松动等措施,可有效避免振动故障的发生。上述分析结论及预防措施值得在各施工项目中推广应用。