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            結垢類案例:某廠聚乙烯裝置壓縮機結垢故障分析

            1、設備概述

            聚乙烯,英文名稱:polyethylene,簡稱PE,是乙烯經聚合制得的一種熱塑性樹脂。在工業上,也包括乙烯與少量的α-烯烴的共聚物。聚乙烯無臭,無毒,手感似蠟,具有優良的耐低溫性能,化學穩定性好,能耐大多數酸堿的侵蝕,常溫下不溶于一般溶劑,吸水性小,電絕緣性能優良。

            壓縮機為高壓聚乙烯裝置(LDPE)心臟設備之一。它為乙烯聚合反應提供足夠高的壓力。本案例中的壓縮機由電機拖動,工作機為離心式壓縮機。工作轉速為2990r/min振動報警門限為60μm,聯鎖門限為80μm。

            圖1 機組軸系圖

            2、故障現象

            機組于2019年12月開始啟機運行,起初壓縮機各通道振動幅值均不高,保持在25μm以下,趨勢均較為平穩,頻譜圖中頻率分布主要以1X為主,其它頻率成份幅值均不高,沒有異常頻率成分出現。

            圖2 機組在2019年12月份啟機運行時的趨勢圖

            自2020年4月起,壓縮機的四個通道振動幅值出現了持續緩慢上漲的現象,在上漲過程中偶爾也會出現幅值降低的現象,非聯端(葉輪側)兩通道振動幅值相對更高些。至2020年9月末,振動幅值上漲至60μm,觸發振動報警門限。隨后運行過程中,偶爾仍有小幅突降或突漲的趨勢,但總體仍呈緩慢上漲的趨勢。

            圖3 壓縮機非聯端振動趨勢圖

            圖4 壓縮機聯端振動趨勢圖

            3、故障分析及結論

            一般來說,在我們所監測的機組中,出現壓縮機振動緩慢上漲這類問題常見的原因有三種:(1)支撐軸承出現持續性磨損現象;(2)機組對中不良導致膜片聯軸器損傷;(3)轉子出現漸變不平衡方面的故障,如結垢/結焦的現象。以下結合振動圖譜特征,進行逐一排查。

            (1)支撐軸承持續磨損

            若支撐軸承瓦塊由于設計或安裝問題,出現承載力差、擺動不靈活,或者潤滑油品里面雜質較多,可能會出現支撐軸承瓦塊持續磨損的問題。一般出現此問題在圖譜上表現的特征為:①出現軸承磨損側振動幅值緩慢上漲或小幅波動;②支撐軸承溫度可能出現同步上漲或波動的現象;③軸承磨損側兩通道的GAP電壓(絕對)值呈持續變大的趨勢;④軸心位置圖中,軸心位置呈持續緩慢向下的趨勢。

            分別查看壓縮機兩端一段時間內的GAP電壓趨勢圖,各通道傳感器儀表的GAP電壓(絕對值)值均無明顯持續變大的現象,且兩端的軸心位置圖中,也沒有出現持續向下的趨勢,軸心位置變化在一個合理的范圍內。另外查看各監測點的軸承溫度情況,也都在運行范圍內小幅變化。

            綜合這些圖譜特征,基本可排除軸承磨損問題導致振動上漲方面的因素。

            圖5 壓縮機聯端側GAP電壓趨勢圖

            圖6 壓縮機非聯端GAP電壓趨勢圖

            圖7 壓縮機兩端軸心位置圖

             

            (2)聯軸器膜片損傷

            若機組長時間處于不對中狀態運行,可能會導致膜片聯軸器出現損傷或斷裂,改變轉子軸系平衡,導致振動出現緩慢上漲。此問題在圖譜上表現的特征為:①電機和壓縮機振動趨勢都有同步性變化,特別是在各自聯軸器側的兩個通道上表現尤為明顯;②電機及壓縮機兩上表現出不對中的圖譜特征,包括頻譜圖中2倍頻成分較高,軸心軌跡圖呈“月牙形”“香蕉形”“8字形”等等;③電機和壓縮機1X相位均呈緩慢變化的趨勢。

            經查看,電機和壓縮機聯端的波形頻譜圖內,頻率成分都是主要以1X為主,2X成分都不高,兩端的軸心軌跡圖中渦動的軌跡也都是接近于橢圓形,從圖譜上看沒有表現出明顯的機組不對中的現象。另外,在1X相位角度趨勢中,電機的1X相位角度始終較為平穩,基本無變化;壓縮機的1X相位倒是有明顯的改變和波動現象,故判斷應該是壓縮機轉子自身的平衡性發生了改變,而非電機和壓縮機組成的軸系平衡性變化。

            綜合上述圖譜特征,基本可排除由于聯軸器膜片損傷這方面的因素導致的振動持續上漲。

             

            圖8 電機和壓縮機聯端側波形頻譜圖

            圖9 電機和壓縮機兩端軸心軌跡圖

            圖10 電機側1X相位趨勢圖

            圖11 壓縮機1X相位趨勢圖

            (3)壓縮機轉子出現漸變不平衡方面的故障

            若壓縮機轉子出現腐蝕或者結垢/結焦方面的問題,導致轉子質量分布發生改變,會出現漸變不平衡的故障。此類故障在圖譜上表現的特征為:①振動變化主要以1X幅值改變為主,一般在軸承兩端的四個通道上振動都會有體現;②隨著結垢的發生振動會出現持續緩慢上漲的現象,但當垢層集聚到一定程度后,可能會出現掉落的情況,振動會隨之出現突然的小幅上漲或下降的現象;(3)四個通道的1X相位角度會發生同步改變,且隨著垢層脫落1X相位角度也會出現同步的變化;(4)壓縮機的工藝介質存在結焦/結垢的可能性。

            從振動的分頻趨勢上看,振值的上漲和下降主要以1X幅值變化為主,其它倍頻成分變化基本不大,且從長周期來看,四個通道的1X相位角度趨勢也有明顯的變化。且在1X幅值發生明顯改變時,1X相位角度也有同步的變化。從這些圖譜特征上看,壓縮機轉子出現了漸變不平衡類的故障特征。

            圖12 壓縮機1X幅值趨勢圖

            圖13 壓縮機1X相位趨勢圖

            圖14 壓縮機1X幅值和1X相位變化趨勢圖

             

            經查閱相關資料,聚乙烯工藝中的壓縮機由于某種原因,在一定的出口溫度和壓力條件下,會產生相對分子質量較高、熔融指數較小的聚合物,這些聚合物粘附在壓縮機葉輪表面,會形成垢層堆積,且這些垢層不僅在壓縮機上會出現,在出口管道內尤為嚴重,這也是成為影響裝置長周期運行的瓶頸。

            綜合上述圖譜特征及機組工藝特點,判斷導致壓縮機振動持續緩慢上漲的原因為壓縮機轉子出現了結焦現象。

            經過評估,壓縮機上出現結焦僅改變轉子的平衡性,對振動會有所影響,但一般對機組不會造成嚴重的損傷。在機組振動幅值超過聯鎖門限之前,評估機組都是出于安全狀態的,可以繼續正常運行。但建議提前做好搶修準備,當振動幅值超過聯鎖門限或者有其它停機機會時,對轉子進行清理。

            4、故障驗證

            2020年10月25日,壓縮機葉輪側通道振動幅值觸發聯鎖門限,機組停車?,F場隨后組織對機組搶修。拆解過程中,檢查聯軸器膜片沒有損傷,兩端支撐座處也沒有磨損跡象,在打開蝸殼后,發現壓縮機轉子葉輪上果然出現了比較嚴重的結垢的現象,由此驗證診斷結論完全準確!~

            圖15 壓縮機轉子葉輪拆解照片

            結語:通過安裝沈鼓云SG8000在線監測系統,經過診斷服務工程師專業的分析,排除了支撐軸承磨損、聯軸器損傷這類比較嚴重的故障。結合相關圖譜進一步分析出導致壓縮機出現持續上漲的原因為壓縮機轉子出現了結垢的特征,且評估此類故障對設備的損傷程度相對較小,所以評估當振動幅值未觸發聯鎖門限時,機組仍處于安全狀態,可以監護運行,從而最大程度的延長了機組的運行時間,為企業避免了非計劃停機的損失,提高了經濟效益。

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