信然离心压缩机转子不平衡故障分析与处理

摘   要: 引起压缩机故障停机的原因主要有机械故障、辅助系统故障、外部供电系统故障以及自控通信系统故障等。其中转子不平衡导致的机械振动故障是常见的机械故障类型，通过分析转子不平衡产生的原因，找出可行的应对策略，对于确保压缩机稳定运行具有重要意义。 

关键词: 压缩机; 离心压缩机; 不平衡; 故障诊断; 长输管道

天然气长输管道承担着输送天然气的重要任务。随着经济社会发展和环境保护意识的逐渐增强，天然气消费量逐年增长，确保天然气的安全稳定输送十分重要。压缩机是天然气长输管道的关键核心设备，压缩机一旦发生故障将对天然气输送和下游市场天然气的稳定供应产生重大影响。做好压缩机运行管理对于保障长输管道运行意义重大。作为连续运转的大型旋转机械，压缩机故障时有发生，特别是运行辅助设备和运行参数异常是造成长输管道压缩机组故障的主要原因。压缩机故障往往具有突发性，故障处理需要很高的时效性，如果处置不及时可能会带来重大损失。随着大型旋转机械状态监测和故障诊断技术的发展，故障分析的手段逐渐丰富，通过分析故障产生的原因，提出合理的运行和维修建议。把旋转体质量沿旋转中心线的不均匀分布叫做不平衡，由此引起的机器振动或运行时产生的其他问题称为不平衡故障。转子不平衡引起的压缩机运行参数异常进而导致机组停运是较为常见的故障类型。针对某增压站压缩机运行参数异常，及时开展故障诊断及处理，分析不平衡产生的原因，为同类故障处置提供参考。 

1  故障现象 

某天然气增压站安装有 XR355 型电驱离心式压缩机 4 台，日常运行2用2备。压缩机本体为垂直剖分结构，包含 5 级叶轮。增压站接收上游来气，经过站内过滤分离、增压后输往下游场站。1号压缩机组在正常运行过程中驱动端振动值突然增大，如图 1 所示。

图1 故障机组振动趋势图

 从图1 中看出，该机组在正常运行过程中，在转速不变的情况下驱动端 X 方向、Y 方向振动值同时突然增大，从25μm增长到45μm，停机联锁值为64μm。随后为查明振动增大原因，确保机组运行安全，机组停车检查。再次启动机组，虽然能够顺利跨越一阶临界转速，但振动值依然较高，存在运行风险，为避免对转子、轴承和密封造成更严重损伤，需停机进一步查找原因。 

2  故障诊断

大型旋转机械发生各种故障，及时开展故障诊断，防止事态扩大，能够避免带来更大的经济损失和安全隐患。正确的诊断和处理要建立在获取与故障有关的信息基础上，综合分析，提高故障诊断的准确性。 

由于仪表失灵在大型机组故障中占有一定比例，首先对相关振动探头进行了检查，紧固接线等未发现异常。排除仪表故障后进一步查找振动异常原因。在机组负荷没有增加的情况下，驱动端振动值突然增大，如图 2。

 图2  运行过程中波形频谱图 

从图2 波形频谱图上看，波形呈现等幅正弦波形，振动异常的主要特征频率为 1X，初步分析造成振动异常上涨的原因可能有: 1) 转子出现了不平衡，可能的原因有联轴器接触不良、转子结垢、部件松动、转子弯曲等; 2) 支撑刚度不足或发生改变，如轴承间隙大或压盖过盈不足等。停机检查联轴器未发现异常。鉴于本增压站上游来气气质较差，水露点超标情况较多，虽然进站安装有三台卧式过滤分离器，进入压缩机组的天然气仍可能携带一定水分，存在结垢风险，为此采用内窥镜对压缩机内部流道进行了检查，未发现结垢现象，同时结垢过程较为缓慢，本机组振动值突然异常增大，从而排除了结垢问题。通过查阅故障机组相关历史资料，该机组开展过两次大修，并且调整过转子动平衡，对压缩机内部密封件如级间密封、平衡鼓密封等进行了更换。压缩机大修回装完毕后试车，针对剩余不平衡量进行了现场动平衡调整，在联轴器锁紧螺母位置增加过垫片。通过波形频谱图及历史检修资料分析，引起驱动端振动值增大的原因很可能是压缩机转子不平衡导致。 

离心式压缩机转子不平衡引发的振动故障，通常是设备自身部件问题或是转子在装配过程中对中不良而造成的。由于气质问题造成结垢引起的故障也应引起高度重视。故障特征表现为由于转子的质量不平衡而产生的离心力，随着转子的转速增大或者输出功率增加，振动逐渐加剧; 当振动频率与转速同频时，此时涡动方向与转向相同，振动状况更加恶化; 挠性轴通过第 一临界转速时，振动十分剧烈，转子的轴心轨迹为椭圆，如图3。谐波能量主要集中在转子的工作频率上，其它倍频成分所占比例相对较小。

 图3  启机过程中轴心轨迹图 

3  故障处理 

进一步验证机组振动值增大是否由转子不平衡引起，压缩机组的振动值随转速和负荷变化明显，当不平衡量较大时，难以跨越一阶临界转速，本机组振动值距离联锁保护停机值还有一定距离，因此不平衡量较小，考虑采用现场动平衡调整不平衡量。采取联轴器锁紧螺母上增减垫片的方式进行调整，在联轴器锁紧螺母上互成 120°，每次在一个位置增加一个垫片，启机观察振动值变化，通过增加垫片以及改变垫片位置的方法使压缩机振动值恢复到正常水平。本次调整首先去掉了在联轴器锁紧螺母位置已经增加过的一个垫片，启机后观察振动值逐渐恢复到正常水平，说明本次调整有效，经过一段时间的运行，机组振动值依然保持在较小的正常水平，机组不平衡故障得到解决。本机故障的快速解决得益于从历史检修资料得到了启发，因此建立完备的设备全生命周期档案至关重要，如图 4。

图4  调整动平衡后振动趋势图 

4  结论

大型离心压缩机组发生故障后应立即开展故障诊断，避免产生更严重后果。故障诊断应建立在机组历史运行、检修数据的基础上，利用状态监测技术，去伪存真，找出故障真正原因，有的放矢进行故障处理。压缩机故障种类繁多，引起故障的原因有多种，有些故障现象、谱图特征存在一定的相似性，这给故障诊断带来一定困难，必须结合机组历史运行状况、近期设备检修情况综合分析才能更好地确定故障原因。因此在日常工作中应不断总结汇编机组故障案例，为后续故障处理提供参考。压缩机转子不平衡导致的机组故障原因有多种，本机组不平衡量较小，未出现启机困难或无法启机的情况，因此采取了现场调整动平衡的方法解决了转子不平衡问题，起到了良好的效果，为后续此类问题的处理积累了经验。当不平衡量较大时机组难以跨越一阶临界转速，或振动值较高触发联锁停机，严重影响生产任务的完成，有些不平衡故障处理较为困难，拆机检查及返厂维修在所难免，在日常运行过程中要重视机组不平衡问题的产生，采取有效措施减少故障发生，同时不断积累经验，提高故障诊断和处置能力。