超級石化摘要:現場的旋轉機械故障是復雜的,由于信號的非平穩(wěn)性、故障原因的多樣性、故障征兆與故障之間的不確定性以及故障的混合性等,故障與征兆之間不完全是一一對應的關系,在進行設備振動分析診斷時。應充分掌握各種設備信息,靈活運用振動原理與測量技巧,將經驗與專業(yè)知識有機地融合,才能有效地進行故障診斷及處理。文章以某核心機組的1次較為嚴重的故障為例,詳細介紹了故障的分析及處理過程。該次故障分析在運用振動診斷理論的基礎上,還綜合應用了通過 S8000大型旋轉機械振動監(jiān)測系統(tǒng)提取的各類型振動分析圖譜。這種分析方式可為類似高速撓性透平類旋轉機械的故障診斷、分析及處理提供一定的參考。
關鍵詞:狀態(tài)監(jiān)測 故障診斷 頻譜分析 相位分析 綜合應用
旋轉機械是各種類型機械設備中數量最多、應用最廣泛的一類機械,特別是一些大型旋轉機械,如汽輪機、離心式壓縮機、大型鼓風機等,都是一些重要工業(yè)部門的關鍵設備,由于其價格昂貴,一般情況下沒有備用設備,如果設備出現故障,將導致生產過程不能正常運行或引起鏈式反應導致整個設備遭受損壞【1-2】,造成巨大的經濟損失,旋轉機械的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷分析技術因此受到了普遍的重視。隨著科學技術的發(fā)展,旋轉機械正在向高速、重載和自動化方向發(fā)展,對旋轉機械在速度、容量、效率和安全可靠性等方面也提出了越來越高的要求。
利用計算機對大型機組進行在線監(jiān)測,能及時了解機組的運行參數、當前工作狀態(tài)、報警監(jiān)測和事故追憶,并能高速瞬時保存大量異常信息,便于進行事故分析和研究。采用模糊數學和灰色理論進行故障診斷,對監(jiān)測過程中保存的信息進行分析計算,可判斷機組運行是否正常,若判斷結果顯示存在故障,則明確故障類別、程度、部位及發(fā)展趨勢,從而合理地給出機組的預估使用壽命,以及維修時間的調整、設備設計制造的改進和最佳運行參數設定【3】。
某公司是一家以塑料產品為主的石油化工企業(yè)。該公司核心裝置內有5臺大型旋轉機械,其中1臺核心機組(乙烯制冷壓縮機組)的驅動機(蒸汽透平)自2015年起長期處于振動超標狀態(tài),該公司從長周期運行角度考慮,以低負荷狀態(tài)進行運轉,5年間造成間接損失(以營業(yè)收入計)達2億元。
該公司目前采用阿爾斯通(創(chuàng)維實)公司的S8000在線監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱S8000系統(tǒng))對機組進行運行數據監(jiān)測。該系統(tǒng)能全面、深入地分析機組的狀態(tài)信息,包括振動、轉速、軸位移等振動信息,為機組確定檢修方向、做好預知性檢修提供了可靠依據。本文將以該系統(tǒng)圖譜為依據對故障的分析、處理及總結的經驗進行闡述。
展開全文
1 故障機組基本信息及故障情況
故障機組基本信息如表1所示。機組振動測點分布(S8000系統(tǒng))如圖1所示。
圖1 機組振動測點分布(S8000系統(tǒng))
表1 故障機組基本信息
該公司在2015年9~10月進行了裝置大修,其中對于乙烯制冷壓縮機組主要檢修了蒸汽透平,內容包括聯軸器的檢查、軸承的檢查及清洗、速關閥及調節(jié)汽閥組件的檢修、油動機及電液轉換器的檢修、級間氣封的檢查及更換、備用轉子高速動平衡、更換備用轉子等。自大修以后,該機組蒸汽透平側(VE6103A、VE6104B)振動位移值處于較高且持續(xù)增長的狀態(tài),而在2015年檢修之前,機組的振動狀態(tài)一直良好。2015年6月~2017年6月機組振動趨勢如圖2所示。
圖2 2015年6月~2017年6月機組振動趨勢
從圖2可以看出,在2015年11月檢修前,機組所有測點的振動位移值均較小。
2015年檢修開車后,機組蒸汽透平驅動側振動測點VE6103A、VE6104B在工作轉速11 900~12 000 r/min時的振動值均在35 μm左右,并在2016年4月以后呈現持續(xù)上漲趨勢,VE6104B測點在2016年6月一度接近75 μm的報警值。隨后該公司為保護機組采取了控制負荷、維持較低轉速的運行方案。從長期監(jiān)測的結果來看,采取上述方案后,VE6104B測點振動值可控制在60 μm 以下,但仍有持續(xù)上漲趨勢。
因振動狀態(tài)持續(xù)惡化,該公司在2016年11月安排停機檢修(見圖1),組織對該機組繼續(xù)進行檢修。此次檢修的主要內容是:軸承的檢查、級間氣封的檢查和更換、轉子的更換(此次使用的是2015年檢修更換下來的轉子,上機前進行了高速動平衡校驗),開車后,轉速達到11 800 r/min時,VE6103、VE6104振動值在28~35 μm之間波動。
2 故障機組振動分析
2.1 2015年10月大修以前振動趨勢
機組在該階段運行中,轉速基本維持在12 000 r/min以上的滿負荷狀態(tài)下。該階段所有振動測點的振動位移測量值均在8 μm以下,而機組在11 900 r/min以下的低負荷狀態(tài)運行時,最大振動值反而升高至15 μm左右。2015年6~10月機組振動趨勢如圖3所示。
圖3 2015年6~10月機組振動趨勢
從圖3可以看出,在此階段,僅就振動而言,該設備運行狀態(tài)較好。該機組在12 450 r/min的高轉速下的運行狀態(tài)較12 000 r/min的低轉速下的運行狀態(tài)更好。這一現象可以用轉子動力學中自動定心的原理來解釋,即當機組的轉子組件在超臨界轉速狀態(tài)運行時,隨著轉子轉速的升高,轉子振幅逐漸減小,并向振幅與偏心距相等的趨勢發(fā)展,但方向相反。這意味著偏心離心力方向繞渦動中心點轉過180°,與彈性恢復力方向一致,并把轉子質心拉向渦動的中心。在對這類機組的轉子進行高速動平衡校驗時,一般取正常工作轉速附近作為轉速校驗區(qū)域。
2.2 2015年11月~2016年11月振動趨勢
2015年11月~2016年11月機組振動趨勢如圖4所示。
圖4 2015年11月~2016年11月機組振動趨勢
從圖4中可以看出,2016年11月該公司利用檢修機會對該機組進行了針對性檢修,當轉速穩(wěn)定在12 200 r/min 時,VE6103A振動位移值接近43 μm,超過了API 612中關于工業(yè)透平穩(wěn)定運行的最大允許振動值25.4 μm,設備處于故障狀態(tài)。
2.2.1 頻譜
截取該機組蒸汽透平驅動側測點VE6103A、VE6104B在2016年6月的頻譜,如圖5所示。
圖5 2016年6月機組蒸汽透平驅動側頻譜
從圖5中可以看出,該機組蒸汽透平驅動側的振動頻率集中在工頻上,2倍頻的分量較小,并且沒有其他諧波成分。VE6103A、VE6104B為徑向探頭,因此振動的原因就集中在不平衡、軸彎曲、松動、熱不對中上。
2015年11月的檢修記錄中也顯示機組的對中處于非最佳狀態(tài),但仍處于允許范圍,頻譜的2倍頻分量很低也能從側面證明這一點。2015年大修機組對中數據如圖6所示。
圖6 2015年大修機組對中數據
2.2.2 同側相位
2016年8~9月同側相位如圖7所示。
圖7 2016年8~9月同側相位
從圖7可以看出,兩個方向上的相位差為100°~120°。如果設備是因不對中為主要故障而引發(fā)的的振動,則在互成90°的兩個方向上測得的振動相位差應無限接近180°,從這一點及頻譜的分析結果基本可以排除振動是由不對中引起的。
2.2.3 軸心軌跡
2015年11月透平驅動側軸心軌跡如圖8所示。從圖8可以看出,透平驅動側上下位移范圍為45 μm,左右位移范圍為55 μm,整體曲線較圓滑,沒有突變。說明軸承對轉子的約束性在垂直方向稍強于水平方向,且驅動側軸承的瓦背緊力足夠,未因轉子振動引發(fā)諧振而出現突變,軸承組件不存在松動問題。
圖8 2015年11月透平驅動側軸心軌跡
2015年11月透平非驅動側軸心軌跡如圖9 所示。從圖9可以看出:透平非驅動側上下位移范圍為10 μm,左右位移范圍為20 μm,整體相對圓滑;通頻值峰值周期性變化,軸心軌跡也存在突變。且在這端振動的頻譜成分中除工頻外也出現了1/2倍、2倍及高倍諧振情況。一般這種頻率振動的振幅值較低,轉子測振區(qū)的表面狀況及振動測量設備本身的擾動會對振動幅值的測量造成更多的干擾,也有可能是軸承組件部分部位存在輕微松動現象的表現??傊?透平非驅側總體振動值偏小,且不會對驅動側產生直接影響,因此,也并非是驅動側振動大的原因。
圖9 2015年11月透平非驅動側軸心軌跡
2.2.4 啟停機階段轉子的臨界響應
2015年11月透平啟機Bode如圖10所示。2016年11月透平停機的Bode如圖11所示。
圖10 2015年11月透平啟機Bode
圖11 2016年11月透平停機的Bode
從圖10和圖11可以看出,在設備冷態(tài)的啟機階段及熱態(tài)的停機階段,轉子的振動在通過臨界轉速區(qū)間時變化不大,VE6101A、VE6102B相位基本無變化,VE6103A有近70°的相位變化。因在熱彎曲狀態(tài)下,轉子通過臨界轉速及惰走時的振動幅值較冷態(tài)下會有大幅度上升,因此設備振動較大的原因并非熱彎曲引起。
綜上所述,該設備蒸汽透平振動故障較大的原因應為轉子的動不平衡量較大,但VE6103A在長期服役過程中相位出現變化的原因需要進一步分析。
2.2.5 2016年3~11月振動逐步增大原因分析
該機組蒸汽透平驅動側VE6103A、VE6104B的振動位移值在2016年上半年逐漸增大(3月以后比較明顯),至7月因增長趨勢無法控制,故控制轉速在11 600 r/min以下運行,但在8月下旬到9月上旬之間又出現了突變式的上漲。2016年趨勢變化總體情況詳見圖12。
圖12 2016年3月~2017年2月透平振動趨勢
因2016年8月下旬~9月上旬VE6103A振動位移上漲趨勢比較突然,截取突變時間段前后VE6103A、VE6104B這兩個測點的特征圖譜綜合進行分析。2016年8月31日透平驅動側軸心軌跡如圖13所示。2016年9月7日透平驅動側軸心軌跡如圖14所示。從振動突變前后的軸心軌跡圖(圖13和圖14)可以看出,振型變化較明顯,并且因2個探頭安裝角度的問題,VE6104B的變化較VE6103A明顯得多,說明轉子在垂直方向上的變化明顯。由此可以得出軸承在垂直方向上對轉子的約束變弱的結論。推測由于長期的振動超標,可能導致了軸承間隙變大或者軸承背緊力減弱。
圖13 2016年8月31日透平驅動側軸心軌跡(突變時間段前)
圖14 2016年9月7日機組透平驅動側軸心軌跡(突變時間段后)
2016年9月7日透平VE6103A、VE6104B的頻譜如圖15所示。從圖15中可以看出,頻率依然集中在工頻上,2倍頻率基本無變化,也沒有其他頻率成分,說明轉子振動大的原因仍為動不平衡量較大。
圖15 2016年9月7日透平VE6103A、VE6104B的頻譜(突變時間段后)
透平在突變階段的振動、相位變化趨勢如圖16 所示。從圖16可以看出,2016年8月初~2016年9月底這段運行時間內,在轉速不變的情況下,各個測點的相位值均出現了相位變化,其中透平后側的VE6103A、VE6104B兩個測點的相位變化量接近30°。因轉子系統(tǒng)是在運行期間發(fā)生的變化,因此推測是轉子系統(tǒng)自身出現了因質量分布變化造成轉子驅動側不平衡量逐漸增大的情況,最終導致設備振動逐漸增大。
圖16 透平在突變階段的振動、相位變化趨勢
經拆檢發(fā)現,在轉子非驅側測速法蘭盤連接位置出現了相鄰的3顆螺栓松動情況,如圖17所示。
圖17 轉子非驅側測速法蘭盤結構及松動螺栓位置
這一現象與2.2.4節(jié)中提到的圖10和圖11中VE6103A測點在停機階段相位出現變化的情況有關,但非驅側的變化為何會在另一側引起較為明顯振動變化,原因仍不明確。
2.3 2016年11月之后的振動趨勢
2016年11月~2017年8月機組振動趨勢如圖18所示。該公司在2016年11月檢修完畢開車后,VE6103A、VE6104B兩測點的振動測量值一直維持在30~35 μm,從長期觀測情況來看,機組未再出現明顯的增長趨勢,但振動幅值較大。該公司繼續(xù)按照控制轉速運行的方式保證設備的長期運轉。從圖18可以看出,機組振動相位較穩(wěn)定,說明轉子質量分布未發(fā)生明顯變化。
圖18 2016年11月~2017年8月機組振動趨勢
2017年6月機組頻譜如圖19所示。從圖19 中可以看出,該設備透平驅動側振動的主要成分依然集中在工頻上,且基本不存在其他頻率成分。
圖19 2017年6月機組頻譜
2016年11月7日透平單試啟機Bode如圖20 所示,2016年11月9日機組聯運啟機Bode如圖21所示。從圖20和圖21可以看出,設備經檢修后,在低速及臨界轉速下,啟停機圖譜中并未出現較大的振幅波動,可以排除熱彎曲的因素。振動幅值較大的主要原因應為轉子存在較大的不平衡量。
圖20 2016年11月7日透平單試啟機Bode
圖21 2016年11月9日機組聯運啟機Bode
3 故障處理
考慮該機組轉子的長徑比超過6,轉子對不平衡量的變化極為敏感,故在轉子的平衡校驗時盡量模擬現場的真實承載情況。
該設備在非驅動端設有超速離合器。離合器齒套與轉子法蘭盤連接,質量5 kg。驅動側為膜片聯軸器的輪轂、膜片、半連接及中間筒節(jié),質量6 kg。
目前國內對轉子進行高速平衡校驗都是在平衡機上進行,平衡機與轉子的連接需制作專門的連接工裝。連接工裝本身質量及不平衡量對轉子(尤其是質量較小的高速撓性轉子)本身的平衡性有較大影響。為應對這一問題,近些年來,部分聯軸器廠商在出廠時會制作專門的當量盤來模擬聯軸器質量對轉子的影響。
后續(xù)處理中,進行轉子的高速平衡校驗時,在非驅側附帶了離合器齒套,驅動側只做了筒形連接組件,最大限度減少連接工裝質量對轉子的影響。校驗殘余不平衡值低于0.25 mm/s。在轉子平衡的同時,對聯軸器組件也進行了返廠平衡校驗(低速)工作。
2020年上機安裝后,該設備單試期間,非驅側振動位移值達到28 μm,聯機試運后依然超標。隨后現場進行了在線平衡,處理后,在12 500 r/min 的最高轉速下透平振動低于10 μm。
此后經過近1年的運轉,該設備未再出現振動異常及持續(xù)增大的情況。2020年9月17日~2021年9月16日透平振動趨勢如圖22 所示。
圖22 2020年9月17日~2021年9月16日透平振動趨勢
4 結語
上述分析顯示,該公司乙烯壓縮機驅動透平振動的主要原因是透平轉子的不平衡量較大,其在2016年持續(xù)增長的原因與透平非驅動側部分組件的松動有關,但具體機理需要進一步研究。
在利用振動圖譜進行旋轉機械的故障診斷時,由于信號的復雜性、故障原因的多樣性、征兆與故障之間的不確定性等原因,故障與實際振動原因之間不完全是一一對應的關系,有時圖譜會非常復雜。本文結合該公司乙烯壓縮機振動異常的實例,在研究診斷理論的基礎上,對有關振動信號進行分析,總結出以下經驗:
1) 在利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)診斷機械問題時,要盡可能地搜集有關設備的所有信息,例如設備基礎資料、檢修資料、振動趨勢記錄、各運行階段的譜圖等。實際從事振動分析時,要仔細分析上述資料的信息,結合狀態(tài)分析的專業(yè)知識,尋找相關性,才能實現有效的故障診斷。
2) 在工程實際中,轉子兩端連接部件與轉子的配合往往未引起足夠的重視,在振動分析時應充分考慮。
3) 出現振動突變而同一軸承兩測點未出現一致的振動增長時,往往容易被錯誤地判斷為儀表故障問題。此時,應結合軸心軌跡圖進行合理的振動分析,再對振動值是否為真值進行判斷。
4) 旋轉機械因平衡問題在一側出現振動異常的原因之一是另一側轉子組件出現了質量變化,但其原理需要進一步探究。
利用狀態(tài)信息進行故障診斷是隨現代科學技術的發(fā)展而發(fā)展起來的一個新領域,是系統(tǒng)安全性、可靠性的重要保障技術,可最大限度地避免重大事故的發(fā)生,保證機組的安穩(wěn)、可靠運行,降低設備維護費用,直接關系到社會效益和經濟效益,對生產的持續(xù)及穩(wěn)定具有深遠意義。實際故障診斷中,每個工程師看問題的角度不盡相同,沒有規(guī)律可循,實際故障現象及產生原因千差萬別,如何科學地對其進行歸納總結是亟待解決的問題。
本屆大會初步議程
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石油化工驅動用汽輪機潤滑油以及調速系統(tǒng)維護維修策略以及數字化發(fā)展趨勢
01.孟 劍 中國石化青島煉化公司 教高/煉油設備高級專家
助力“雙碳達標”延長潤滑油壽命,減少設備故障的解決方案與應用
02.昆山威勝達環(huán)保設備有限公司威勝達油品事業(yè)部總監(jiān)
化工企業(yè)設備潤滑數字化管理系統(tǒng)解決方案
03.馬 彥 原中國兵器工業(yè)集團北方華錦集團設備部潤滑油管理中心處長
油液監(jiān)測技術在石化設備管理與維護中的應用
04.北京潤道油液監(jiān)測技術有限公司
油液在線監(jiān)測系統(tǒng)在設備智能運維中的應用
05.廣維中控(天津)有限公司
良好的潤滑管理保障設備運行水平的提升
06.錢廣華 原中國石化天津分公司化工部教高/設備專家
油液過濾設備在石化行業(yè)的應用分享
07.重慶市陸順科技發(fā)展有限公司
細檢修,嚴管理,確保能量回收機組長周期運行
08.魏 巍 中國石化天津分公司煉油部高 工
催化裂化(FCC)催化劑高溫回轉爐系統(tǒng)優(yōu)化改造
09.閆俊杰 中國石化催化劑有限公司長嶺分公司新材聯合車間高工/設備副主任
參會咨詢:超級石化
做好煉化裝置工程設計的安全技術措施,確保煉化企業(yè)過程安全
01.賴文川 中石油華東設計院有限公司自控專業(yè)副總工程師
石油化工過程裝置特閥檢維修流動項目部
02.上海開維喜閥門有限公司
換熱器健康診斷方法
03.上海板換機械設備有限公司
題目待定
04.紐威工程服務(蘇州)有限公司
SCHENCK添加劑秤波動問題攻關技術總結
05.魏興軍 中化泉州石化有限公司正 高
儀表及控制系統(tǒng)預防性維護技術
06.曹德舜 中石化安全工程研究院有限公司專 家
上海紐京—PDS球閥長周期運行解決方案
07.上海紐京閥門有限公司
題目待定
08.中石化廣州工程有限公司
儲運罐區(qū)計量管理和智能裝車系統(tǒng)技術的應用
09.李 莉 中海油氣(泰州)石化有限公司高級工程師,注冊安全工程師
參會咨詢:超級石化
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