摩擦类案例：某厂净化装置二氧化碳机组高压缸摩擦故障分析

1、设备概述

该套二氧化碳机组由汽轮机拖动，一端连接低压缸一端连接齿轮箱及高压缸，压缩机由沈阳透平机械有限公司设计生产制造，型号：2MCL906（低压缸）+3BCL405（高压缸），介质气主要为：CO_2­（腐蚀）；平均分子量：43.811。高压缸额定运行转速：11102rpm，一阶临界转速6700rpm，振动报警门限：63.5μm，联锁停机门限：88.9μm。机组总貌图及气动参数如下：

图1 总貌图

气动参数表

2、故障现象

该套机组于2020年7月13日停机进行升级改造，期间对高压缸芯包内隔板、密封、隔套、叶轮形式等均做了相应更改并重新匹配轴承间隙（在原基础上进行缩小，现为：0.12mm-0.155mm），之后现场于2020年10月26日下午14:18分改造完毕后重新启机机械试运转，转速在5051rpm前振动均较为平稳（图2），过临界时高压缸转子振动最高达到26.15μm，临界响应不高（图3）。当转速由7600rpm（高速轴转速）上升至8011rpm过程中，高压缸非联端振动测点VB20422&VB20421通道，联端振动测点VB20423&VB20424通道，振动幅值均出现急剧上涨现象，且非驱动端两通道振动相应尤为明显，并当转速达到7991rpm时触发联锁跳车，之后由于惯性转速继续上涨至8011rpm后开始回落，且在转速回落过程中，振动继续上涨，VB20422通道振值最高达到214.84μm后才逐渐回落，有一定滞后性（图4趋势可看出）。

图2 转速在5051rpm前高压缸振动趋势图

图3 通过一阶临界转速时高压缸各通道振动响应

3、故障分析

从振动趋势上看出，高压缸在转速小于7600rpm之前振动响应较为平稳（包括通过高压缸转子一阶临界转速时振动响应幅值不高），但当转速由7600rpm继续升速到8011rpm这8s过程中（2020.10.26,15:32:30-2020.10.26,15:32:38），压缩机非联端振动随转速的提升上涨剧烈（28.59μm-120.13μm），并最终在转速达到7991rpm（2020.10.26,15:32:37）时刻触发联锁（图4），经查看此期间波形频谱，变化频率成分主要以1X为主，并伴有2X、3X等高次谐波成分，且2X频率成分处能量相对较多，个别周期内波形亦存在削波现象（图5），查看1X相位在此期间也有同步变化（图6），轴心轨迹在整个启机过程中呈现为涡动范围扩大并伴有正反进动交替（图7，7-1），整个过程仪表GAP电压趋势稳定（图8），波动时刻轴承温度无异常变化（图9）。

图4 联锁时刻及降速时高压缸振动趋势

图5 波形频谱图

图6  1X相位变化趋势

图7 振值平稳时轴心轨迹

图7-1 联锁时刻轴心轨迹

图8 高压缸GAP电压趋势

图9 轴承瓦温变化趋势

4、诊断结论

综合以上图谱特征及现象分析，导致机组高压缸检修后启机振动异常的原因为：高压缸转子发生了转、定子件动静摩擦类故障，从振动量级与轴承温度变化趋势上推测摩擦应发生在缸体内部转子与气封之间，导致摩擦的原因可能为转子与密封间直接接触或是异物进入后附着在转子与密封间导致摩擦的发生。由于此次振动量级最大时已超过200μm，振动量级较高，建议最好对缸体进行开盖检查，着重检查各部密封处，对密封及转子损伤程度评估处理后再进行下一步开车计划。

5、故障验证&处理

机组联锁停机后组织对缸体进行拆解并于10月29日拆解完毕，发现机组芯包内部级间、口圈等气封处存在多处摩擦，尤其以平衡盘密封（蜂窝密封）处摩擦较为严重，轴承处并未发现摩擦迹象，验证了我们分析结论的正确性。现场拆解图片如下：

图10 转子各级密封处存在摩擦迹象

图11 平衡盘密封（蜂窝密封形式）处摩擦最为严重

随后现场立即组织对高压缸进行抢修，转子返厂动平衡处理（对叶轮、平衡盘等摩擦位置进行修复），重新匹配制作密封，后现场重新装配时对密封间隙进行严格复测、保证间隙，同心度等关键数据符合设计要求；现场对管线入口进行细致清理保证无异物吸入；之后重新对中。并于11月13日重新启机，此次启机运行过程中，压缩机高压缸各通道振值均较低，且趋势平稳，机组运行重新回归正常。

图12 重新启机运行后高压缸振动趋势图