郭少鋒，張博，馬翔飛，蘇炤興

(中國石油化工股份有限公司 天然氣榆濟(jì)管道分公司，山東 濟(jì)南 250101)

榆濟(jì)輸氣管道起點(diǎn)為榆林首站，終點(diǎn)為濟(jì)南宣章屯站，全長(zhǎng)約963 km，為管道沿線城市提供天然氣。榆林首站4臺(tái)壓縮機(jī)為GE新比隆電驅(qū)式離心壓縮機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為ABB變頻異步三相電機(jī)。壓縮機(jī)重要技術(shù)參數(shù)見表1所列。

表1 榆林首站壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

隨著榆濟(jì)輸氣管道運(yùn)行負(fù)荷逐年增加，榆林首站壓縮機(jī)接近滿負(fù)荷運(yùn)行，加之上游氣源不穩(wěn)定、水露點(diǎn)和含塵量高等，使壓縮機(jī)前置過濾器脫水能力有限，大量液態(tài)游離水進(jìn)入壓縮機(jī)腔體，造成了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子、內(nèi)部隔板結(jié)垢及迷宮密封梳齒腐蝕等情況發(fā)生，從而造成壓縮機(jī)機(jī)械性能逐步劣化，嚴(yán)重影響了機(jī)組安全運(yùn)行及管道平穩(wěn)供氣。為此，及時(shí)評(píng)估壓縮機(jī)運(yùn)行狀況，深入分析壓縮機(jī)性能，及時(shí)開展壓縮機(jī)故障監(jiān)測(cè)及診斷工作，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行維修，提前處理壓縮機(jī)故障。

1 故障概述

榆林首站壓縮機(jī)機(jī)械故障主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面： 壓縮機(jī)振動(dòng)異常；壓縮機(jī)氣動(dòng)性能下降，造成輸氣能力降低，能耗升高。

1.1 壓縮機(jī)振動(dòng)異常

壓縮機(jī)振動(dòng)劣化導(dǎo)致壓縮機(jī)無法正常運(yùn)行：

1)榆林首站2臺(tái)壓縮機(jī)曾因過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)值異常而無法啟機(jī)，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。

2)較大的振動(dòng)可能造成轉(zhuǎn)子和軸瓦的碰撞而加速磨損；振動(dòng)也可能導(dǎo)致進(jìn)出口管道破裂或連接法蘭松動(dòng)，從而形成安全隱患。

3)振動(dòng)的異常也會(huì)使機(jī)組運(yùn)行能耗增大，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。壓縮機(jī)振動(dòng)異常原因一般有轉(zhuǎn)子不平衡、軸系對(duì)中不良、軸承故障、基礎(chǔ)松動(dòng)、動(dòng)靜摩擦、油膜渦動(dòng)、油膜振蕩等。

1.2 壓縮機(jī)氣動(dòng)性能劣化

機(jī)組輸氣能力下降是壓縮機(jī)氣動(dòng)性能劣化的直接表現(xiàn)。如果依靠提高轉(zhuǎn)速彌補(bǔ)輸氣不足的問題，將造成較大的電能消耗，且電機(jī)電流隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提高而增大，在正常輸氣任務(wù)下主電機(jī)會(huì)在接近甚至超過額定電流下長(zhǎng)期運(yùn)行，將大幅縮短電機(jī)壽命甚至造成電機(jī)燒損，也會(huì)造成電纜的損傷。

氣動(dòng)性能異常主要有兩方面原因： 因壓縮機(jī)內(nèi)部隔板、轉(zhuǎn)子結(jié)垢造成流道堵塞，內(nèi)部級(jí)間密封或葉輪密封磨損或腐蝕嚴(yán)重，密封間隙超過設(shè)計(jì)值，將造成其內(nèi)部氣體的反復(fù)回流壓縮。榆林首站上游氣源質(zhì)量較差，壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)垢及迷宮密封梳齒腐蝕的情況均可能發(fā)生。

2 壓縮機(jī)振動(dòng)分析及解決方案

為了保障壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，滿足管道輸氣需求，針對(duì)機(jī)組存在的問題，有針對(duì)性地開展了狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作。

2.1 壓縮機(jī)振動(dòng)趨勢(shì)分析

對(duì)照振動(dòng)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，觀察壓縮機(jī)軸兩端振動(dòng)值的變化趨勢(shì)，可對(duì)壓縮機(jī)機(jī)械性能做出初步分析，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、輸氣量、進(jìn)出口壓力等參數(shù)的變化也會(huì)對(duì)機(jī)組振動(dòng)有影響。

當(dāng)工藝條件未出現(xiàn)明顯變化，但振動(dòng)值出現(xiàn)上升、波動(dòng)劇烈或漲幅較大的情況，須考慮壓縮機(jī)自身機(jī)械性能異常的可能性。2臺(tái)壓縮機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)異常的過程，如圖1所示，當(dāng)時(shí)工藝條件沒有發(fā)生顯著變化，但A機(jī)組出現(xiàn)大幅波動(dòng)，振幅最高升至35 μm；B機(jī)組振動(dòng)值逐步上升，最高升至42 μm。2臺(tái)機(jī)組機(jī)械性能均有異常，需要進(jìn)一步通過其他技術(shù)手段分析原因。圖1a)中虛線框標(biāo)記處A機(jī)組振動(dòng)下降原因?yàn)闄C(jī)器空載運(yùn)行，轉(zhuǎn)速及負(fù)荷均較小，實(shí)線框標(biāo)記處A機(jī)組振動(dòng)波動(dòng)原因?yàn)檗D(zhuǎn)子結(jié)垢且反復(fù)啟停機(jī)造成垢層部分脫落，轉(zhuǎn)子存在不平衡。

圖1 2臺(tái)壓縮機(jī)振動(dòng)異常趨勢(shì)示意

2.2 壓縮機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析

使用振動(dòng)信號(hào)分析法判斷壓縮機(jī)振動(dòng)是否出現(xiàn)異常點(diǎn)，并根據(jù)異常狀態(tài)確定機(jī)組可能出現(xiàn)的機(jī)械故障，使用測(cè)振儀采集Bently3500緩沖輸出的電渦流傳感器的振動(dòng)信號(hào)，形成時(shí)域、頻域及軸心軌跡圖。同時(shí)，利用測(cè)振儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試壓縮機(jī)兩端基礎(chǔ)振動(dòng)情況。2臺(tái)機(jī)組存在的故障類似，下面重點(diǎn)對(duì)A機(jī)組大修前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2.1時(shí)域分析

時(shí)域分析的主要對(duì)象為振動(dòng)波形圖，波形圖顯現(xiàn)了振動(dòng)的相關(guān)信息，如振幅、頻率、相位、波形及其變化等。具體的波形及其變化形貌，特別是波形在各周期下的重復(fù)性狀況，有助于對(duì)振動(dòng)機(jī)理及干擾信號(hào)的分析、界定。

A機(jī)組大修前及大修后某次狀態(tài)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)時(shí)域圖如圖2，圖3所示。由圖2～圖3中可以看出，大修前驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)峰峰值已達(dá)35 μm左右，振動(dòng)顯著上升，且波形為典型正弦波，無雜波出現(xiàn)，可初步判斷壓縮機(jī)振動(dòng)為轉(zhuǎn)子不平衡所致。大修后驅(qū)動(dòng)端波形近似正弦波，峰峰值23 μm左右，低于API617規(guī)定的優(yōu)良狀態(tài)振動(dòng)幅值，振動(dòng)情況良好。

圖2 A機(jī)組大修前及大修后驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)時(shí)域曲線示意

圖3 A機(jī)組大修前及大修后非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)時(shí)域曲線示意

2.2.2頻域分析

頻域分析對(duì)象為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜圖，頻譜的主要類型有幅值譜、功率譜及對(duì)數(shù)譜三種。在狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作中重點(diǎn)選取幅值譜為研究對(duì)象，幅值譜橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)是各個(gè)頻率成分下所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)峰值。頻域分析主要是分析振動(dòng)信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，確定信號(hào)是由哪些頻率成分所組成，以及這些頻率成分幅值的大小。通過對(duì)“故障特征頻率”及“故障特征頻率幅值”的分析，準(zhǔn)確地診斷壓縮機(jī)機(jī)械故障情況。

榆林首站壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速一般為1.0×104～1.2×104r/min，則基頻f=n/60，約為167～200 Hz。A機(jī)組振動(dòng)異常時(shí)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)頻譜如圖4所示，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速1.062×104r/min，基頻即177 Hz。從圖4中可以看出，振動(dòng)特征為典型的1倍頻占主要成分，其他成分極小。另外，驅(qū)動(dòng)端x和y方向振動(dòng)的1倍頻成分峰值分別為18 μm，16.1 μm，其峰峰值分別為36 μm，32.2 μm，較之前振動(dòng)值20 μm(見圖2)有顯著增加，可判斷為轉(zhuǎn)子不平衡所致。大修后A機(jī)組某次狀態(tài)監(jiān)測(cè)得出的頻譜如圖5所示，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速1.089 4×104r/min，基頻181.56 Hz，1倍頻占主要成分，對(duì)應(yīng)峰峰值分別為22.7 μm，20.7 μm(2倍峰值)，振動(dòng)情況良好。

圖4 A機(jī)組大修前頻譜曲線

圖5 A機(jī)組大修后頻譜曲線示意

2.2.3軸心軌跡分析

軸心軌跡一般作為時(shí)域、頻域分析后的輔助分析點(diǎn)，其鮮明的形狀特點(diǎn)可用于診斷典型的機(jī)械故障。軸心軌跡是利用2個(gè)相互垂直的振動(dòng)探頭檢測(cè)出的振值自動(dòng)計(jì)算軸心位置，將不同時(shí)刻轉(zhuǎn)子在軸承中的位置變化連成1條曲線。根據(jù)軸心軌跡圖可對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械診斷做輔助分析。A機(jī)組振動(dòng)異常時(shí)的軸心軌跡如圖6所示。

圖6 A機(jī)組軸心軌跡示意

壓縮機(jī)非驅(qū)動(dòng)端呈橢圓形，呈現(xiàn)出正常狀態(tài)；驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)近似圓形，圓的面積較大，軸渦動(dòng)偏心較大，結(jié)合上文中1倍頻占主要成分及峰值異?？蛇M(jìn)一步診斷為轉(zhuǎn)子不平衡。

2.2.4轉(zhuǎn)子啟停機(jī)振動(dòng)分析

在啟停機(jī)過程中，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一階臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子的固有振動(dòng)頻率與激勵(lì)頻率達(dá)到共振，振動(dòng)值將出現(xiàn)陡增。AF為臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)峰峰值與運(yùn)行轉(zhuǎn)速下的振值之比，一般控制在2.5以下，AF的增大在一定程度上表征轉(zhuǎn)子性能的異常程度。共振放大系數(shù)是過臨界轉(zhuǎn)速與大于0.707倍臨界振幅所占轉(zhuǎn)速范圍的比值，一般控制在4以下。重點(diǎn)關(guān)注臨界轉(zhuǎn)速、過臨界時(shí)振動(dòng)最大幅值及放大系數(shù)AF、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)阻尼大小、共振放大系數(shù)等。

轉(zhuǎn)子啟停機(jī)振動(dòng)情況可以用伯德圖和極坐標(biāo)圖來進(jìn)行分析。圖7為大修前A機(jī)組轉(zhuǎn)子振動(dòng)伯德圖，圖8為A機(jī)組轉(zhuǎn)子振動(dòng)極坐標(biāo)圖，機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速為6 023～6 370 r/min，過臨界時(shí)機(jī)組驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)最大值為45.6 μm，正常運(yùn)行時(shí)振值為35 μm，計(jì)算AF為1.3，相位角變化幅度較小，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)阻尼相對(duì)較大，共振放大系數(shù)為2.06，小于4，說明系統(tǒng)阻尼較大，這2個(gè)系數(shù)值都表明轉(zhuǎn)子系統(tǒng)較為穩(wěn)定，但是過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)組驅(qū)動(dòng)端振幅較大，也表示轉(zhuǎn)子存在動(dòng)不平衡。

圖7 A機(jī)組轉(zhuǎn)子振動(dòng)伯德圖示意

圖8 A機(jī)組轉(zhuǎn)子振動(dòng)極坐標(biāo)示意

2.2.5其他監(jiān)測(cè)方法

除了根據(jù)壓縮機(jī)軸兩端的徑向振動(dòng)評(píng)定振動(dòng)情況外，還可以測(cè)量軸承座的振動(dòng)情況評(píng)價(jià)壓縮機(jī)的機(jī)械振動(dòng)情況。使用振動(dòng)測(cè)試儀對(duì)A機(jī)組兩端4個(gè)基礎(chǔ)進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，最大振動(dòng)烈度0.43 mm/s，遠(yuǎn)低于ISO 10816-3中規(guī)定的2.3 mm/s，說明機(jī)組基礎(chǔ)穩(wěn)定。

一般狀態(tài)監(jiān)測(cè)的圖譜還包括軸心位置圖、瀑布圖、坎貝爾圖、奈奎斯特圖、全息譜等，軸心位置圖可以通過軸心位置變化來判斷軸頸是否處于正常位置、對(duì)中好壞、軸承標(biāo)高是否正常、軸瓦有無變形、軸承有無磨損等。轉(zhuǎn)子啟停機(jī)振動(dòng)分析也可以采用瀑布圖和坎貝爾圖。

2.3 評(píng)估壓縮機(jī)氣動(dòng)性能

目前沒有較為成熟的壓縮機(jī)氣動(dòng)性能評(píng)估軟件，針對(duì)該情況，筆者開發(fā)了一套基于C#語言的壓縮機(jī)氣動(dòng)性能評(píng)估軟件。依據(jù)壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合廠家提供的性能曲線圖，通過ASME PTC-10規(guī)定的第一類型試驗(yàn)計(jì)算方法獲得機(jī)組實(shí)際性能曲線，性能換算時(shí)限定條件為壓縮機(jī)進(jìn)口與出口比容比保持相等、絕熱指數(shù)不等[3]，可以獲得機(jī)組輸量、轉(zhuǎn)速等主要工作參數(shù)與能耗之間的關(guān)系，并采用最小二乘法，二次擬合離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)范圍內(nèi)性能曲線函數(shù)式，建立壓縮機(jī)組的能耗計(jì)算模型，根據(jù)模型編寫了相應(yīng)的程序。

A機(jī)組氣動(dòng)性能的分析數(shù)據(jù)見表2所列，表2上半部分是大修前A機(jī)組氣動(dòng)性能的分析數(shù)據(jù)，機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速比理論轉(zhuǎn)速高約2.5%，實(shí)際功率較理論功率高出13.9%，說明機(jī)組氣動(dòng)性能下降，可能是轉(zhuǎn)子結(jié)垢或者流道堵塞。表2下半部分是對(duì)大修后A機(jī)組氣動(dòng)性能的分析數(shù)據(jù)，實(shí)際功率較理論功率高出5%，滿足API 617標(biāo)準(zhǔn)。

表2 A機(jī)組氣動(dòng)性能的分析數(shù)據(jù)

2.4 處理壓縮機(jī)故障

通過對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和氣動(dòng)性能分析，判定2臺(tái)機(jī)組均存在轉(zhuǎn)子葉輪結(jié)垢和流道堵塞。在機(jī)組檢修前使用內(nèi)窺鏡檢查了壓縮機(jī)腔內(nèi)的結(jié)垢情況，發(fā)現(xiàn)第一級(jí)葉輪及流道處結(jié)垢嚴(yán)重且不均勻，對(duì)垢層進(jìn)行了化驗(yàn)分析，主要成分為氯化鈉、羅水氯鐵石、鈣芒硝、二氯化鐵。組織專業(yè)隊(duì)伍對(duì)2臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了大修工作，對(duì)轉(zhuǎn)子葉輪和流道隔板進(jìn)行了清洗，更換了腐蝕嚴(yán)重的迷宮密封，并對(duì)機(jī)組做了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡調(diào)整。試機(jī)結(jié)果表明機(jī)組氣動(dòng)性能恢復(fù)正常，且轉(zhuǎn)子振動(dòng)值顯著下降，問題得到了解決。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，壓縮機(jī)沒有再出現(xiàn)振動(dòng)故障，這說明上述分析是正確的。

3 結(jié)束語

通過壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和氣動(dòng)性能分析準(zhǔn)確地判斷出了壓縮機(jī)振動(dòng)故障的原因，并采取了合理維修措施，解決了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡的問題。后期運(yùn)行也采取了相應(yīng)預(yù)防措施，具體包括上游氣田增加了脫水裝置，降低了管道天然氣的含水量；加強(qiáng)了壓縮機(jī)前過濾分離器的管理，做到按時(shí)排污，定期更換濾芯；每次停機(jī)后及時(shí)對(duì)壓縮機(jī)腔體進(jìn)行排污，密切監(jiān)控天然氣的水露點(diǎn)。

對(duì)于離心式壓縮機(jī)，采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)、氣動(dòng)性能分析技術(shù)可有效地判斷機(jī)組故障原因，為機(jī)組預(yù)防性維修提供依據(jù)，縮小檢修范圍，優(yōu)化檢修周期，對(duì)運(yùn)行管理與維修作出比較科學(xué)合理的決策，同時(shí)也能防止機(jī)組事故的發(fā)生，確保了機(jī)組裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低了機(jī)組運(yùn)行成本。