煙機(jī)發(fā)電機(jī)組開(kāi)機(jī)振動(dòng)超標(biāo)的分析與處理

鄒樂(lè)

（中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京 102500）

某煉油廠催化裝置K103煙機(jī)發(fā)電機(jī)組是主要能量回收設(shè)備，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定直接影響裝置的安穩(wěn)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益［1］。2020年4月，機(jī)組隨裝置停工檢修，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子現(xiàn)場(chǎng)拆檢后返回主機(jī)廠上海電機(jī)廠檢修，主要對(duì)定子絕緣、轉(zhuǎn)子平衡情況檢查并處理。7月6日檢修完畢按計(jì)劃開(kāi)機(jī)，在機(jī)組升速過(guò)程中多次出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)等異?，F(xiàn)象，因此必須解決振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題。

1 發(fā)電機(jī)組概況

該催化裝置K103煙機(jī)發(fā)電機(jī)組工藝參數(shù)見(jiàn)表1、2。

表1 催化煙機(jī)參數(shù)

表2 發(fā)電機(jī)組參數(shù)

2 軸振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題分析與處理

2.1 振動(dòng)特征

開(kāi)機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)4個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)趨勢(shì)存在異常。

（1）機(jī)組振動(dòng)值與轉(zhuǎn)速變化存在密切關(guān)系。低轉(zhuǎn)速下機(jī)組運(yùn)行情況良好，軸振動(dòng)值約30μm，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升至2 720 rpm時(shí)，2側(cè)支撐瓦軸振動(dòng)突增，YT-7707A、YT-7707B、YT-7708A、YT-7708B振動(dòng)值持續(xù)超量程，機(jī)組控制系統(tǒng)顯示YT-7707B最高振幅達(dá)330μm；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm后，振動(dòng)情況并未好轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速回落至2 473 rpm后，振動(dòng)值恢復(fù)正常值30μm。發(fā)生振動(dòng)突升時(shí)轉(zhuǎn)速接近2倍1階臨界轉(zhuǎn)速1 410 rpm，且隨著轉(zhuǎn)速的提高，故障特征頻率與轉(zhuǎn)速頻率之比保持在1個(gè)定值上始終不變［2］。

（2）在振動(dòng)發(fā)生突變時(shí)，突增頻率主要集中在0.48倍頻，即22 Hz（靠近1階臨界轉(zhuǎn)速1 410 rpm，23.5 Hz），工頻與2倍頻未見(jiàn)明顯異常。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)振感明顯，機(jī)組殼體最大振動(dòng)達(dá)到20 mm/s以上。

（3）軸心軌跡呈現(xiàn)類似“大圈套小圈”等不規(guī)則的渦動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)動(dòng)方向?yàn)檎M(jìn)動(dòng)，軌跡重復(fù)性良好，無(wú)明顯尖角痕跡。

大型機(jī)組軸振動(dòng)超標(biāo)的主要原因有：轉(zhuǎn)子不平衡、軸系不對(duì)中、動(dòng)靜碰摩、油膜渦動(dòng)與油膜振蕩、轉(zhuǎn)子熱彎曲、喘振、氣流激振以及共振。按照根原因分析法進(jìn)行判斷，由于機(jī)組為發(fā)電機(jī)，因此喘振、氣流激振等原因可以排除；振動(dòng)突變主要頻率集中在低頻分量，因此以1倍頻為特征頻率的轉(zhuǎn)子不平衡與熱彎曲、1倍頻與2倍頻為主要特征頻率的軸系不對(duì)中也可排除；而動(dòng)靜碰摩故障軸心軌跡圖特征為存在尖角，重復(fù)性較差，且存在反進(jìn)動(dòng)，與現(xiàn)場(chǎng)情況不符也可排除。因此振動(dòng)突增的可能性主要為油膜渦動(dòng)或油膜振蕩以及共振［3］。

當(dāng)轉(zhuǎn)子在某轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸頸除了在軸承內(nèi)以角速度ω自轉(zhuǎn)外，還圍繞軸承中心作渦動(dòng)，其軌道為2個(gè)相互交叉的近似橢圓。渦動(dòng)方向與轉(zhuǎn)子方向一致，而其頻率則隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化而變化。但在一定范圍內(nèi)，始終保持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率的50%，故稱為半速渦動(dòng)。渦動(dòng)時(shí)，振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖中有半頻譜波成分。油膜渦動(dòng)一經(jīng)產(chǎn)生便不易消失，隨著轉(zhuǎn)速升高，其渦動(dòng)頻率也不斷增加，半倍頻成分的振幅也不斷增大，轉(zhuǎn)子振動(dòng)加劇。此時(shí)雖然存在渦動(dòng)，但其幅值和能量相對(duì)較小，暫時(shí)不會(huì)破壞軸承的正常潤(rùn)滑。若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到第1臨界轉(zhuǎn)速2倍時(shí)，其油膜渦動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子1階臨界轉(zhuǎn)速頻率“重合”產(chǎn)生共振，振幅突增，軸心軌跡突然發(fā)生變化，呈現(xiàn)擴(kuò)散的雜亂無(wú)章的曲線，半倍頻成分的幅值發(fā)展超過(guò)工頻幅值。如果此時(shí)繼續(xù)升速，轉(zhuǎn)子發(fā)生渦動(dòng)頻率保持不變，始終維持在1階臨界轉(zhuǎn)速，此現(xiàn)象稱之為油膜振蕩。油膜振蕩產(chǎn)生后會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)振感極速增加，使軸瓦及轉(zhuǎn)子產(chǎn)生損傷，會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行造成較大影響［4］。

油膜振蕩具備5個(gè)特征。（1）轉(zhuǎn)速接近或大于2倍的第1臨界轉(zhuǎn)速，且具有明顯慣性效應(yīng)；（2）軸心軌跡呈不規(guī)則的擴(kuò)散曲線，方向?yàn)檎M(jìn)動(dòng)，即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向與軸心渦動(dòng)的方向相同；（3）發(fā)生油膜振蕩時(shí)，主要特征頻率為轉(zhuǎn)子1階臨界轉(zhuǎn)速固有頻率；（4）如果發(fā)生振蕩，振動(dòng)值突增，即使再提高轉(zhuǎn)速，振幅也不會(huì)明顯下降；（5）根據(jù)油膜穩(wěn)定性由弱到強(qiáng)排序：球形瓦＜橢圓瓦＜多油葉（油楔）＜可傾瓦，可傾瓦在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)發(fā)生油膜振蕩。

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電機(jī)軸瓦形式為球形瓦，結(jié)合上述分析，發(fā)電機(jī)組振動(dòng)突變時(shí)所有振動(dòng)現(xiàn)象均符合油膜振蕩特征，因此發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)過(guò)程中振動(dòng)突增的直接原因?yàn)橛湍ふ袷帯?/p>

2.2 原因分析

造成油膜振蕩的主要原因有轉(zhuǎn)子剛度下降、軸系彎曲、軸瓦間隙不當(dāng)、軸瓦磨損、軸瓦選型不合理以及潤(rùn)滑參數(shù)不當(dāng)?shù)纫蛩兀?］。

利用根原因分析法分析油膜渦動(dòng)的原因。

（1）此次檢修發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返廠維修，動(dòng)平衡、轉(zhuǎn)子跳動(dòng)值均在正常范圍內(nèi)，可排除轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度差，發(fā)電機(jī)彎曲的原因；

（2）檢查檢修記錄，軸瓦對(duì)中情況為軸向偏差0.03 mm,徑向偏差0.04 mm，均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，對(duì)中原因可排除；

（3）檢查發(fā)電機(jī)軸的非驅(qū)動(dòng)端軸瓦間隙0.34 mm，驅(qū)動(dòng)端軸瓦間隙0.35 mm，均處于正常范圍內(nèi)（標(biāo)準(zhǔn)范圍小于280 mm×0.15%），軸瓦拆下后檢查瓦面完好，軸瓦與轉(zhuǎn)子軸徑接觸面積大于75%，因此可排除軸瓦磨損以及安裝問(wèn)題的原因；

（4）該機(jī)組運(yùn)行多年，因此軸瓦選型問(wèn)題也可排除，同時(shí)對(duì)潤(rùn)滑油溫、油壓等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，振動(dòng)異?，F(xiàn)象也未見(jiàn)好轉(zhuǎn)，潤(rùn)滑參數(shù)影響也可排除；

（5）經(jīng)檢查歷史數(shù)據(jù)，發(fā)電機(jī)組自2012年發(fā)生飛車故障后出現(xiàn)0.5倍頻，此后截至2016年機(jī)組歷次開(kāi)機(jī)時(shí)均出現(xiàn)油膜渦動(dòng)現(xiàn)象，通過(guò)改變潤(rùn)滑油溫后，油膜渦動(dòng)現(xiàn)象消失。

（6）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子1998年出廠時(shí)，1階臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為1 410 rpm，2012年后開(kāi)機(jī)過(guò)程中曾出現(xiàn)1 100 rpm、1 240 rpm、1 300 rpm、等不同臨界共振點(diǎn)，與廠家給定額定轉(zhuǎn)速相比出現(xiàn)下降；

根據(jù)式（1）計(jì)算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。

式中K—轉(zhuǎn)子剛度系數(shù)；m—轉(zhuǎn)子質(zhì)量，g。

判斷由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量m不變，臨界轉(zhuǎn)速ω下降意味著轉(zhuǎn)子剛度產(chǎn)生下降。

（7）對(duì)比1999年轉(zhuǎn)子出廠與2016年、2020年動(dòng)平衡3 000 rpm時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，1999年最高振動(dòng)值為8.5μm，2016年為39μm，2020年為62μm，逐次遞增，分析目前轉(zhuǎn)子剛度較出廠時(shí)逐年降低。

由于2012年發(fā)電機(jī)飛車故障時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)超過(guò)5 000 rpm，離心力已達(dá)額定轉(zhuǎn)速下的1.6倍，此工況下發(fā)電機(jī)過(guò)盈配合的轉(zhuǎn)動(dòng)部件應(yīng)力松弛而松動(dòng)，同時(shí)離心力超過(guò)允許強(qiáng)度而在轉(zhuǎn)動(dòng)部件應(yīng)力集中部位產(chǎn)生損傷，最終導(dǎo)致出現(xiàn)油膜振蕩現(xiàn)象。

2.3 處理措施

機(jī)組出現(xiàn)軸承油膜失穩(wěn)的原因除了軸承本身固有特性以外，轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中受到的激振力、內(nèi)摩擦，以及軸系不對(duì)中、流體對(duì)轉(zhuǎn)子周向作用力，均有可能改變軸承載荷，造成潤(rùn)滑油膜變得不穩(wěn)定，因此需要從多個(gè)不同角度尋找引起油膜失穩(wěn)的根本原因，可以從6個(gè)方面進(jìn)行處理。

（1）降低油溫以增加油膜剛度，或更換新牌號(hào)潤(rùn)滑油；

（2）調(diào)整軸承間隙；

（3）增加轉(zhuǎn)子重量，提高軸承負(fù)荷，增大偏心率，降低軸心位置，轉(zhuǎn)子趨向穩(wěn)定；

（4）減小轉(zhuǎn)子長(zhǎng)徑比L/D，增加軸承比壓，得到較大的偏心率；

（5）提高轉(zhuǎn)子剛度從而臨界轉(zhuǎn)速得到提高，或降低工作轉(zhuǎn)速，脫離形成油膜振蕩的區(qū)域；

（6）更換軸承型式，提高油膜穩(wěn)定性。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，增加發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量、提高轉(zhuǎn)子剛度、更換軸承型式等方式受環(huán)境影響暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。通過(guò)降低潤(rùn)滑油溫，減小潤(rùn)滑油黏度，可以增加軸頸在軸承中的偏心率，有利于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)將發(fā)電機(jī)潤(rùn)滑油溫度由48℃降低至43℃，但振動(dòng)值依然未見(jiàn)明顯改觀。

因此判斷發(fā)電機(jī)改善油膜振蕩的最好方式為改善軸承比壓。軸承載荷與軸承垂直面投影之比稱之為軸承比壓（也稱油膜比壓）。軸承比壓越大，軸頸浮動(dòng)越高，相對(duì)偏心率越大，軸承越穩(wěn)定。

通過(guò)式（2）計(jì)算發(fā)電機(jī)軸承比壓。

式中W—軸承載荷，kg；L—巴氏合金寬度，cm；D—轉(zhuǎn)子軸頸，cm。

機(jī)組軸承比壓一般控制在（12～15）kg/cm2，小于12 kg/cm2容易形成油膜振蕩，而大于14 kg/cm2則不易形成振蕩。對(duì)于已引起油膜失穩(wěn)的轉(zhuǎn)子，常用辦法是通過(guò)減小軸瓦長(zhǎng)度以增大軸承比壓，從而增加轉(zhuǎn)子運(yùn)行的穩(wěn)定性。

根據(jù)原因分析制定2項(xiàng)處理措施。

（1）對(duì)發(fā)電機(jī)2側(cè)軸瓦下瓦內(nèi)圓巴氏合金層沿軸向進(jìn)行車削，車削厚度0.5 mm，車削寬度軸瓦有槽1側(cè)60 mm，無(wú)槽1側(cè)20 mm。加工完成后軸瓦與軸頸接觸長(zhǎng)度由280 mm降低至200 mm；

軸承比壓：P2=8 250÷（20.1×28）=14.6 kg/cm2

軸承比壓由車削前的10.5 kg/cm2提高至車削后的14.6 kg/cm2后，軸承承載能力明顯提高，轉(zhuǎn)子偏心率增大，質(zhì)心降低，運(yùn)行穩(wěn)定性增強(qiáng)。

（2）同時(shí)低速暖機(jī)狀態(tài)下釋放軸瓦上軸承箱蓋緊固螺栓，促進(jìn)軸瓦自動(dòng)調(diào)心，并停機(jī)后在軸瓦頂部瓦枕部位安裝調(diào)整墊，將軸瓦瓦背緊力調(diào)整至0.02～0.05 mm，確保軸瓦約束穩(wěn)定。

2.4 運(yùn)行情況

通過(guò)上述調(diào)整后，7月16日發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)順利升速至3 000 rpm并網(wǎng)發(fā)電，軸振動(dòng)最大值在62μm，振動(dòng)主要集中在工頻及部分2倍頻，0.48倍頻分量完全消失，油膜振蕩現(xiàn)象消除。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)煙機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可正確識(shí)別油膜振蕩問(wèn)題并分析故障原因并制定解決措施。進(jìn)行有效評(píng)估，制定維護(hù)策略。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子固有特性的改變，將根據(jù)機(jī)組運(yùn)行周期參數(shù)進(jìn)行分析評(píng)估，及時(shí)儲(chǔ)備備用轉(zhuǎn)子擇機(jī)進(jìn)行更換，徹底解決發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行隱患。