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大型透平壓縮機(jī)組葉輪裂紋故障的監(jiān)測分析與診斷

逯梅钘

中石油北京天燃?xì)夤艿烙邢薰?/p>

在總結(jié)前人理論實(shí)踐的基礎(chǔ)上，依托設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合壓縮機(jī)故障振動(dòng)機(jī)理和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)原理，應(yīng)用故障正向推理的方法，精準(zhǔn)判斷機(jī)組異常振動(dòng)由罕見的葉輪輪轂裂紋故障所致。鑒于目前學(xué)術(shù)界對葉輪周向運(yùn)動(dòng)的機(jī)理研究很少，本文主要闡述該故障現(xiàn)象及征兆，深入分析故障發(fā)生、發(fā)展過程，研究探討故障機(jī)理與機(jī)組振動(dòng)的作用關(guān)系，期望對透平壓縮機(jī)組類似故障的監(jiān)測分析起到一定的參考作用。

透平壓縮機(jī)；紋故障；監(jiān)測與診斷

為提高機(jī)組的使用安全性，目前大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測己經(jīng)普遍被采用，隨著設(shè)備的定期維護(hù)向設(shè)備的視情況維修的發(fā)展過程中，設(shè)備的故障診斷技術(shù)受到了普遍的重視，并不斷的發(fā)展。隨著通訊與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們不再滿足單機(jī)的診斷技術(shù)，希望診斷技術(shù)能夠共享，以解決更多的機(jī)組故障，因此聯(lián)網(wǎng)成為診斷技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

1 透平壓縮機(jī)組

異構(gòu)化循環(huán)氫壓縮機(jī)的主要作用是為裝置輸送異構(gòu)化反應(yīng)所需的含氫氣體，攜入及帶出反應(yīng)熱量，維持床層溫度，抑制催化劑結(jié)焦。

該壓縮機(jī)由沈陽某公司制造，型號為BCL906，采用為垂直剖分鍛鋼殼體筒型結(jié)構(gòu)，支撐軸承采用5塊可傾瓦液壓滑動(dòng)軸承，推力軸承布置于壓縮機(jī)吸入口非驅(qū)動(dòng)端，采用KINGSBURY型軸承，整個(gè)壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊﹑維護(hù)方便等特點(diǎn)；原動(dòng)機(jī)采用背壓式汽輪機(jī)，由杭州汽輪機(jī)股份有限公司制造。循環(huán)氫氣體經(jīng)6級串聯(lián)壓縮后，從入口0.745MPa(A)增大到出口0.970MPa(A)。壓縮機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2 故障監(jiān)測和診斷分析

2.1 機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)與方法

振動(dòng)測量儀器與系統(tǒng)通常是由測振傳感器﹑測量放大器和信號處理裝置等組成，測振傳感器的作用是把被測對象的機(jī)械振動(dòng)量位移﹑速度或加速度在要求的范圍內(nèi)正確地接受下來，并將此機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電信號輸出或顯示出來。測振傳感器的種類很多，主要有三大類①位移式傳感器②速度式傳感器③加速度傳感器。對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測，最常用的傳感器是相對位移的電渦流傳感器，對一般通用機(jī)器的狀態(tài)監(jiān)測，大多采用測量絕對振動(dòng)的壓電晶體加速度傳感器。

2.2 轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障診斷

由引起轉(zhuǎn)子產(chǎn)生振動(dòng)的激振力可分為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)轉(zhuǎn)子強(qiáng)迫振動(dòng)的激振力有轉(zhuǎn)子不平衡離心力和氣體激振力等，轉(zhuǎn)子自激振動(dòng)的激振力有油膜對軸產(chǎn)生的作用力﹑密封產(chǎn)生的氣動(dòng)力等。強(qiáng)迫振動(dòng)的激振力和自激振動(dòng)的激振力的區(qū)別在于，強(qiáng)迫振動(dòng)的激振力的大小與軸的位移無關(guān)，例如不平衡離心力的大小僅與轉(zhuǎn)子的重心偏移和轉(zhuǎn)速有關(guān)而自激振動(dòng)的激振力的大小與位移有關(guān)并構(gòu)成函數(shù)關(guān)系，位移越大，這種自激力也越大。

2.3 大型透平壓縮機(jī)組故障診斷及維修決策輔助系統(tǒng)研究

1)故障診斷及維修決策輔助系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的關(guān)鍵部件均采用高可靠性的進(jìn)口部件，通訊網(wǎng)絡(luò)采用高速光纖網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)布線嚴(yán)格按工程規(guī)范實(shí)施。軟件系統(tǒng)的開發(fā)依照軟件工程思想，采用國際流行的組件技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行嚴(yán)格測試。操作系統(tǒng)要運(yùn)行穩(wěn)定。為了防止網(wǎng)絡(luò)病毒侵入系統(tǒng)，影響系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)中所有采集站﹑分析站和服務(wù)器都安裝了防火墻和殺毒軟件，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線升級。

2)故障診斷及維修決策輔助系統(tǒng)裝置介紹

網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由分站﹑總站構(gòu)成，各分站采用有線局部網(wǎng)絡(luò)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用802.3的以太網(wǎng)協(xié)議，分站與總站之間采用光纖連接。

配置。該軟件由總站的系統(tǒng)組態(tài)軟件﹑監(jiān)測和診斷軟件﹑分站的系統(tǒng)組態(tài)軟件﹑監(jiān)測顯示和分析診斷軟件﹑采集工作站的采集﹑采集控制與數(shù)據(jù)管理軟件等組成，其相應(yīng)部分分別安裝在振動(dòng)信號采集工作站﹑監(jiān)測工作站﹑分析工作站上。在分廠系統(tǒng)內(nèi)各工作站之間的數(shù)據(jù)交換是在WINDOWS95平臺下，以WORKGROUP方式進(jìn)行；在總站與分廠系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換是通過總廠的FDDI光纖網(wǎng)上進(jìn)行。

數(shù)據(jù)管理。由于在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)是一天24小時(shí)不間斷地對所有機(jī)組和測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測的，必然有大量的數(shù)據(jù)被采集和傳送過來，為了便于今后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行回顧和檢索，從而研究機(jī)組運(yùn)行的趨勢，必須對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的管理。數(shù)據(jù)管理軟件是將前期采集的數(shù)據(jù)分門別類的進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。主要包括：長期數(shù)據(jù)管理：由組態(tài)文件設(shè)定，每間隔1小時(shí)或2小時(shí)或6小時(shí)，存儲(chǔ)一組數(shù)據(jù)文件。日常數(shù)據(jù)管理：由組態(tài)文件設(shè)定，每間隔10分鐘或20分鐘或30分鐘，存儲(chǔ)一組數(shù)據(jù)文件。短期數(shù)據(jù)管理：由組態(tài)文件設(shè)定，每間隔1分鐘或2分鐘或5分鐘，存儲(chǔ)一組數(shù)據(jù)文件。啟停機(jī)數(shù)據(jù)管理：在升/降速階段，按照傳統(tǒng)，每間隔20rpm，存儲(chǔ)一組數(shù)據(jù)文件；在盤車暖機(jī)階段，每間隔10分鐘，存儲(chǔ)一組數(shù)據(jù)文件。

3)故障查找。揭缸檢查發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)第5級葉輪輪轂出現(xiàn)1mm寬的裂縫，多處梳齒密封均磨損，證實(shí)之前分析結(jié)論。壓縮機(jī)軸瓦均完好無損﹑葉輪未發(fā)生沖蝕和無嚴(yán)重積垢現(xiàn)象﹑除第5級葉輪外轉(zhuǎn)子組件未出現(xiàn)松動(dòng)跡象，測量轉(zhuǎn)子上各部位的徑向跳動(dòng)均為正常，也證明了本文分析推理的準(zhǔn)確性。打磨梳齒密封﹑更換葉輪后，壓縮機(jī)順利通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)至今。

綜上所述，依據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障機(jī)理和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)原理，采用正向推理分析狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，逐項(xiàng)排查異常振動(dòng)的誘導(dǎo)因素，最終確定壓縮機(jī)異常振動(dòng)是由葉輪輪轂開裂導(dǎo)致過盈轉(zhuǎn)動(dòng)失效，迫使葉輪在負(fù)荷變動(dòng)時(shí)相對轉(zhuǎn)軸發(fā)生周向運(yùn)動(dòng)。借助狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)分析故障原因，避免了一次盲目開車帶來的嚴(yán)重安全事故。

[1] 羅傳武.狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)在大型化工機(jī)組上的應(yīng)用[D].大連理工大學(xué)，2013.

[2] 肖慶來.大型透平壓縮機(jī)組故障診斷及維修決策輔助系統(tǒng)[D].大慶石油學(xué)院，2005.