二重催K101烟机轴振动分析

        大庆石油化工分公司炼油厂二重油催化K101烟气轮机(1999年兰州炼油化工机械厂生产)是重催装置能量回收三机组配置之一，此三机组为大庆石油化工分公司关键性特护机组。烟气轮机型号YLⅡ-10000K，冲动式双级，转速5800r/min,功率11054KW，介质为烟气，入口温度650℃，出口温度471℃，入口压力0.20MPa，出口压力0.106MPa，流量142200m3/h。烟气轮机在线Bently3500仪表轴振动值(峰—峰值)一直在30-50μm之间。
       1.振值升高和诊断分析
        2002年6月12日，K101烟机两侧轴振动值逐渐上升至80μm(低报警为80μm，高报警为100μm)，而主风机轴振动值无上升。仪表专业对Bently在线仪表及其线路进行校验，确定无问题。利用(IRD  FAST TRACK)数据采集器/频谱分析仪对烟机两侧轴振动信号进行频谱分析，两侧1/2工频成分占3/8，一倍工频成分占5/8(图1)，轴向振动比较微弱。对烟机地脚和基础进行振动测量，并未发现地脚松动。

图1 烟机轴振动频谱

        由于轴承壳体配合松动会产生1/2倍或2倍工频振动；而轴承间隙太大，即使是一种很小的激励力（如不平衡力），也会引起很明显的轴承振动，像K101烟机这种高速转子，过大的轴承间隙会改变轴承的动力特性，会引起类似轴承壳体配合松动问题，从而使转子运转不稳定。
        再由于，轴承油膜振荡和叶轮中的气体激振力及转子与定子之间发生局部摩擦均可激起半频振动。于是对该烟机润滑油的温度、压力和负荷等进行几次调整，振动状况仍无改善，初步诊断为转子平衡精度变差和转子与定子之间发生局部摩擦。经石化分公司和炼油厂有关人员商议决定，于2002年6月13日对K101烟机进行临时解体检修。
        2.烟机解体情况
        对烟机解体检查，发现转子叶片上粘积有大量烟气携带的催化剂粉尘垢层，并有局部垢层脱落的，从而造成烟机转子平衡精度变差；同时检查发现转子二级一叶片因锁片变形而后窜，与过度环的气封发生90°圆周左右的局部碰摩，使动叶根磨损较严重并出现微裂纹，从而进一步加剧烟机转子平衡精度变差。
        3.转子与定子摩擦的特征
        在高速涡轮机械中为了提高机器效率，往往把密封间隙、叶轮顶隙做得较小，以减小气体泄漏。但是，小间隙除了会引起流体动力激振之外，还容易发生转子与定子部件的摩擦。这种摩擦有时是不严重的，并不引起明显故障，但有时却因摩擦碰撞产生很大的振动，机器未停车拆检之前常常找不出振动原因。因此，必须了解干摩擦激振的故障特征，以便及时作出诊断，防止更大事故发生。
        发生局部碰摩时，接触力和转子运动之间为非线性关系，使转子产生次谐波和高次谐波振动响应。在次谐波响应中，对称型的非线性振动产生奇次谐波响应；不对称型的非线性振动产生偶次谐波响应。局部碰摩一般是不对称的非线性振动，因此多数情况下是产生转速频率的1/2次谐波响应。
        但是，转子实际碰摩情况比较复杂，既有对称型又有不对称型的非线性振动，因此在转子的振动响应中，既有转速为n的频率成分f和2f，3f，…一些高次谐波成分，又有f/i的低次谐波成分（i=2,3,4…）。重摩擦时，i=2；而轻摩擦时，随着转速升高，会出现i=2,3,4,5…各个低次谐波。很显然，从图1的频谱特征可看出，此次二重油催化K101烟机转子与过度环的摩擦属于重摩擦。
        4.转子动不平衡的特征及分析
        转子的质量不平衡所产生的离心力始终作用在转子上，转子每旋转一周，就在转子或轴承的某一测点处产生一次振动响应。因此它的振动频率就是转子的转速频率，即：f=1/60×n，
        转速频率也称为工频（即工作频率），这种频率成分很容易在频谱图上观察到。转子不平衡故障的特征是：
        (1)在转子径向测点的频谱图上，转速频率成分具有突出的峰值，如图1中的最大峰值；
        (2)转速频率的高次谐波幅值很低，因此反映在时域上的波形很接近于一个正弦波；
        (3)除了悬臂转子之外，对于普通两端支承的转子，轴向测点上的振值一般并不明显；
        (4)实际转子轴承并非完全线性振动系统，因而会出现一些高倍频成分的谐波响应。
        像二重油催化K101烟机，因烟气携带的催化剂粉尘在叶轮叶片上沉积，如果在叶片上沉积的比较均匀，所表现的振动现象不太明显，一旦沉积层局部脱落或沉积不均匀，就会引起转子不平衡而产生振动现象，往往是振幅逐渐加大，严重时可能产生转子与定子之间的摩擦与磨损。
        此外，由于转子二级一叶片后窜与过度环的气封发生碰摩磨损，也会使转子的动平衡精度变差，从而加剧转子的轴振动。
        5.解决措施及效果
        (1)用高压水彻底清洗烟机转子和隔板的表面和流道；
        (2)更换烟机转子二级一后窜而磨损的叶片；
        (3)全面检查两级转子叶片的锁片完好；
        (4)烟机转子作低速动平衡合格；
        (5)调整两侧轴瓦径向间隙：前侧0.26mm、后侧0.25mm；
        (6)轴瓦与轴承座过盈量为0.03mm；
        (7)转子找正：烟机转子水平高于轴流主风机转子0.42mm，水平方向偏0.09mm，两轴上张口0.03mm；
        (8)推力瓦轴向窜量为0.58mm。
        2002年6月21日，二重油催化K101烟机临时检修完毕，机组开车成功，投入系统运行状态良好。
        由于蜡油催化和一重油催化烟机以往运行中，曾经多次出现过因转子叶片上粘积有烟气携带的催化剂粉尘垢层，使烟机转子平衡精度变差，引起轴振动值增大。但再继续运行一段时间，或因转子不同相位叶片局部粉尘垢层的脱落，又使转子平衡精度变好，轴振动值又减小，并创下了烟气轮机连续累计运行629天的记录。
        而此次二重油催化的K101烟机轴振动值超高，已初步判断为转子与定子碰摩和转子动平衡精度变差。特别是动静的碰摩与转子叶片积垢不同，随时会恶变，造成设备损坏，所以决策者依据上述判断果断下令停机，并在解体检修中使问题得到验证和解决。因此，当运行机组发生问题时，要从多方面综合地进行推理和排除，并快速作出准确的初步判断，以确保大机组的安全运行。