多轴式离心压缩机损坏原因分析_袁亚.pdf

年第期多轴式离心压缩机损坏原因分析袁亚，张彬，张元元，严敏会（咸阳职业技术学院，咸阳 ；空气化工产品（西安）有限公司，西安 ）摘要：本文针对多轴式离心压缩机因振动跳车，初次检查后设备二次启动发生叶轮叶片断裂事件。对压缩机进行解体，检查各级零部件的状态，通过对断口进行宏观和微观分析，找出根本原因是叶轮原材料中含有杂质金（）元素，同时压缩机运行过程中气流对叶片产生的机械疲劳共同作用，使得叶片发生断裂。在设备启动后，因叶片脱落导致转子平衡破坏，振动升高，造成叶轮与蜗壳摩擦后压缩机损坏。关键词：压缩机；振动；叶轮；叶片中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；（），）：，（），：；基金项目：咸阳职业技术学院 年度科学研究基金项目：多轴式离心压缩机振动原因分析（）作者简介：袁亚（），女，汉族，陕西咸阳人，硕士研究生，副教授，长期从事机械制造及自动化、金属材料教学及研究。多轴式离心压缩机结构紧凑，效率高，广泛用于现代流程工业中，在生产中处于核心地位。离心式压缩机是一种叶片式旋转机械，将机械能转化为动能来提升气体压力。尤其在电子气体行业，该类型压缩机的应用更为广泛，其运转的可靠性直接影响到企业的经济效益。离心式压缩机在使用中会出现各种类型故障，最为严重的是压缩机损坏，因发生概率比较低，所以针对每次压缩机损坏的案例都需要找到根本原因。故障过程 型多轴式离心压缩机，在运行过程中发生二级振动高跳车，现场检查了压缩机的振动探头、变送器、和 行程及响应速度、气体运行压力及工艺管道压力、润滑油温度及压力等工艺参数的运行曲线，未见异常，现场触摸屏无喘振等故障报警记录。在初步检查未发现问题后，对该压缩机进行无负载启动，在二次启动后压缩机二级振动仍较高，同时有异常运行声响，现场立即按下紧急停机按钮。通过对压缩机 数据进行分析，压缩机本次启动共运行，启动后二级振动一直较高，停车后一、二级振动值为黑值，运行时间内压缩机 和 阀门开度正常，各项压力及温度均未见异常。因压缩机启动有异常声音，同时振动探头黑值，现场对压缩机进行了解体，在其内部发现振动探头、气封、油封、轴承、叶轮等零部件均有不同程度受损，压缩机损坏比较严重。解体检查 运行曲线对比压缩机第一次因振动高跳车后对该设备进行初步检查，设备二级振动峰值达到了 ，一级和三级振动无明显变化。电机接受停止运行指令，在惯性运转期间，压缩机各级振动都有上升，二级最为明显，振动峰值达到 。现场检查振动探头的间隙电压符合设定要求，和 的运行线性度正常，盘车未发现卡涩或者异常，在 检查设备运行各个参数（包含压缩机出口压力和管道压力、润滑油压力及温度等工艺参数）均正常，跳车前压缩机各级振动值稳定（一级：；二级：；三级：）未 见 异 常 波 动，现 场 盘 柜 无 喘 振 等 异 常报警。检查完成后，更换压缩机一、二级振动变送器，手动盘车各级振动值均在 左右。对压缩机再次进行无负载启动，现场触摸屏画面振动值显示过高，同时压缩机伴随有异常声响，因压缩机启动前 秒振动值是旁路状态，控制系统不会触发自动跳车，现场人员紧急按下停车按钮，压缩机停止运行。再次从 数据对启动后各参数进行对比分析，数据显示压缩机在启动后第秒接收到现场停止运行信号，完全停止后压缩机一级和二级振动值显示为黑值。设备在手动停止前，压缩机二级振动值前秒一直 偏 高，每 秒 数 值 为 DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.04.018内燃机与配件 。一级和三级振动值分别是 和。因设备启动时间较短，结合历史启动曲线，一级和三级振动值值稍高属于正常现象，二级振动值过高（）属于异常显现。压缩机无负载启动后二级振动高，而且此次发现压缩机声音极为不正常，加载时噪音剧烈，说明压缩机内部尤其是二级一定有问题。因此需要对压缩机进行解体，检查内部零部件。压缩机解体检查（叶轮、轴承、密封）对压缩机齿轮箱及各级蜗壳进行解体，大齿轮转子和高速转子无负载端未发现问题，一、二、三级轴承、蜗壳及叶轮均有不同发现问题，见表。表压缩机一、二、三级拆检结果对比级数叶轮轴承振动探头及密封一级叶轮、蜗壳结垢较多，外边缘轻微磨损，叶轮轮毂背部有摩擦痕迹。径向轴承有轻微磨损，推力轴承面正常。振动探头损坏，碳环密封磨损。二级叶轮、蜗壳结垢较多，叶轮磨损严重，一个叶片有缺少，叶轮轴断裂。径向轴承巴氏合金有轻微熔化，推力轴承面磨损严重。振动探头损坏，碳环密封损坏。三级叶轮、蜗壳结垢较多，叶轮外边缘有量轻微磨损。径向轴承正常，推力轴承面有点蚀痕迹。振动探头正常，碳环密封正常。通过上表看出压缩机一、二、三级零部件均有不同损坏，故障主要集中在三个方面，一是叶轮及蜗壳表面沉积物造成结垢严重。沉积物为黑色固态物质，该物质可能存在一些含有害的微量元素对叶轮造成腐蚀，导致叶轮母材受损，或者沉积物堆积不均衡破坏转子平衡；二是推力轴承有缺陷。轴承表面有点蚀痕迹，肉眼可观察到缺陷部位呈现蜂窝状态，推测原因是压缩机运行时转子轴向受力不均衡作用在推力轴承表面的轴向力太大造成，或是压缩机在高速运转过程中，叶轮高速旋转与气体摩擦后产生静电，因设备接地不良静电无法正常释放，静电在轴承间隙较小部位发生放电现象，造成局部高温，破坏轴承表面的巴氏合金；三是二级叶轮有缺陷。拆解后发现叶轮有一个叶片断裂一小块，一半叶片卷边比较严重，如图所示。叶片缺少后会导致转子动平衡发生破坏，从而振动升高，转子振动过高导致叶片边缘与蜗壳摩擦造成卷边，异常声响也是该部位发出。叶片的缺少是制造缺陷还是运行不当造成需要做进一步分析。图损坏叶轮原因分析 叶轮及扩压器的沉积物分析离心式压缩机转子在机组运转过程中发生物料非对称结垢或叶轮产生不均匀腐蚀与磨损会产生渐发性不平衡，最终会导致产生振动。在叶轮和扩压器表面取样沉积物，使用扫描电镜（）、能谱仪（）和 射线衍射（）等手段，对黑色的沉积物进行分析，结果表明沉积物主要是氧和硫组成，从所得到的 图谱（见图）表明，沉积物中最可能形成的物质为（）、等。这一分析证实了周围大气环境中存在具有含硫的腐蚀性大气污染物，现场压缩机吸入口附近有天然气装置存在，这个是含硫较高的一个重要因素。将压缩机叶轮及蜗壳表面沉积物清洗干净后，发现这些零部件在硫污染的环境中没有明显的腐蚀或破坏，所以硫和沉积物不是叶轮损坏的主要因素。图叶轮表面沉积物 图 轴承表面点蚀分析在光学显微镜下观察轴承点蚀表面，发现损伤表面多孔，具有“泡沫状”特征（见图）。金相检查没有发现机械损伤，即轴承表面巴氏合金没有发生塑性变形和应力变形，根据现象判断是是静电释放导致轴承表面的巴氏合金侵蚀脱落。图轴承表面检查只要转子对地存在电阻，例如，油膜电阻、接触电阻等，若转子一旦带电，就能建立起对地电压。当电压升高到某一数值，就在电阻最小的区域击穿绝缘通路，发生电火花放电，这是一种轴承电流现象，这种放电作用给轴承带来影响。轴和轴承之间油膜的放电（）由于绝缘或接地故障，造成静电积聚而发生。这种放电可以发生在非常低的电压下，会导致轴承或轴表面的严重点蚀。在极 年第期端情况下，静电放电损伤会迅速发生。放电等于通过电弧和火花产生的热量。电流穿过间隙的电弧和火花（无论多么小）将产生热量，并导致金属零件表面的电子损失。这种从金属表面失去的电子是“腐蚀”，并导致“硬壳”表面出现，正如观察到的推力表面呈现“棉絮状”，有无数个密集凹坑且形态不规则，形貌各异，相互重叠。由于推力轴承油膜通常比相关的径向轴承更薄，放电会寻找阻力最小的点，所以造成该轴承电腐蚀的结果。叶轮失效分析在 实验室中对损坏的二级叶轮进行渗透探伤试验，未发现明显的腐蚀或者点蚀迹象，也未发现其它叶片存在裂纹的现象。为了进一步检查晶粒组织的晶间特性，用高倍光学显微镜对横截面前缘金相组织进行分析，发现有黄色物质侵入到叶轮母材表面，叶片根部和叶片内部存在空洞状孔隙（见图）。同时横截面端口断口不是晶间的，孔洞也不是具有球光滑边界的晶间。对正常叶片也用高倍显微镜进行观察，其材料为 马氏体组织，无黄色物质。疲劳裂纹往往在缺陷区域萌生，叶轮表面存在大量点蚀坑，点蚀坑与材料固有缺陷混合，形成缺陷群，缺陷群严重破坏了叶片表面的完整性，产生应力集中。通过光谱对元素进行分析对比，发现断裂位置处材料中均含有块状淡黄色物质金（），比正常叶轮材料含金（）量明显高很多（见图），造成叶轮叶片强度降低，从而导致了该叶片断裂。图高倍显微镜下断面金相组织图叶片断裂部位材料光谱分析在 实验室中对叶片断裂面进行试验，在残余断口处观察到从压力侧向吸力侧扩展的进阶痕迹，高倍显微镜下观察显示为疲劳裂纹，断口分析再次揭示了叶轮叶片失效是属于典型疲劳裂纹机理（见图）。图断裂叶片表面疲劳裂纹叶轮叶片的前缘在加速吸入的空气作用下受拉应力作用，该叶片的尾侧处于低压状态，在叶轮正常转动时承受压缩应力。压缩机在长时间的运行过程中，这种循环载荷会导致叶片产生疲劳破坏，在压缩机振动增加时，叶轮叶片在含有材料不连续的最薄弱环节受到高应力，最终导致疲劳断裂。结论通过现场拆检和实验室检测结果可以得出以下结论：该叶轮叶片断裂不是腐蚀造成，它的失效形式是机械疲劳。产生该疲劳的根本原因是叶片在压缩机运行时受到应力作用，加上叶轮叶片上有孔隙、空洞状缺陷和含金物质夹杂，在长时间运行后叶片发生疲劳断裂。叶轮叶片在断裂后，转子平衡被破坏，振动加剧造成压缩机损坏。由于受原材料、加工工艺等因素的限制，转子存在原始不平衡；在机组运转过程中发生物料的不均匀结垢或者叶轮不均匀磨损、腐蚀，会产生渐发性不平衡；叶轮叶片损伤脱落带来突发性不平衡。针对此类问题，应对该批次压缩机进行一次在线振动频谱分析，检查设备是否存在振动升高问题，在压缩机进行检修时对叶轮进行着色探伤以提前发现叶轮是否存在疲劳裂纹，避免因同类问题导致压缩机损坏事件再次发生。参考文献：牛彤一次压缩机振动引起的停车事故冶金动力，（）古华友空压机高压缸振动故障原因分析及处理压缩机技术，（）陈双开 滑动轴承电流损伤故障分析与管理 设备管理与维修 ，陈磊孙炯明某空压机一级叶轮叶片断裂原因分析金属与热处理 （）李金波 离心压缩机组振动故障机理、辨识和应对措施石油化工设备技术 ，（）