【壓縮機(jī)網(wǎng)】轉(zhuǎn)子部件脫落可以說是壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備中最為兇險(xiǎn)的一類故障，尤其是對(duì)于一些超高轉(zhuǎn)速的壓縮機(jī)，葉輪外緣的線速度會(huì)接近聲速，在這種情況下，脫落的部件會(huì)帶有強(qiáng)大的動(dòng)能，甚至足以擊穿機(jī)殼。對(duì)于轉(zhuǎn)速不那么高的機(jī)組，轉(zhuǎn)子部件脫落也會(huì)使轉(zhuǎn)子振幅產(chǎn)生突然變化，影響機(jī)組的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的可能會(huì)觸發(fā)聯(lián)鎖停車甚至引發(fā)事故，而且脫落部件可能會(huì)在慣性力的作用下飛出，發(fā)生二次事故。

 

　　轉(zhuǎn)子部件脫落常見部位

 

　　理論上轉(zhuǎn)子上的部件都有脫落的可能，實(shí)際現(xiàn)場比較常見的掉落部位包括壓縮機(jī)葉輪、汽輪機(jī)和煙機(jī)的葉片、拉筋、圍帶、輪齒、聯(lián)軸器部件等。

 

　　轉(zhuǎn)子部件脫落原因

 

　　導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部件脫落的原因很多，比如安裝檢修后管道吹掃的不徹底，管道、機(jī)殼內(nèi)部的焊渣、雜物在運(yùn)行時(shí)被高壓氣體吹出來撞擊葉輪葉片造成破壞；再比如裝配時(shí)的一些部件預(yù)緊力不足，在長期振動(dòng)下產(chǎn)生松動(dòng)脫落；或者由于設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足、局部材料缺陷等原因?qū)е碌氖嗔训鹊取?/div>

 

　　是強(qiáng)度不足還是材料缺陷，亦或者是外力損傷，我們可以借助斷口分析工具來確定。斷口分析是金屬構(gòu)件進(jìn)行失效分析的重要手段，是研究金屬斷裂面的科學(xué)。金屬破斷后會(huì)形成斷口。斷口總是發(fā)生在金屬組織中最薄弱的地方，通過斷口的形態(tài)分析去研究一些斷裂的基本問題：如斷裂起因、斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機(jī)制、斷裂韌性、斷裂過程的應(yīng)力狀態(tài)以及裂紋擴(kuò)展速率等。

 

　　如果要求深入地研究材料的冶金因素和環(huán)境因素對(duì)斷裂過程的影響，通常還要進(jìn)行斷口表面的微區(qū)成分分析、主體分析、結(jié)晶學(xué)分析和斷口的應(yīng)力與應(yīng)變分析等。

 

　　對(duì)斷口進(jìn)行宏觀觀察的儀器主要是放大鏡（約10倍）和體視顯微鏡（從5～50倍）等。在很多情況下,利用宏觀觀察就可以判定斷裂的性質(zhì)、起始位置和裂紋擴(kuò)展路徑。但如果要對(duì)斷裂起點(diǎn)附近進(jìn)行細(xì)致研究，分析斷裂原因和斷裂機(jī)制，還必須進(jìn)行微觀觀察。

 

　　斷口的微觀觀察經(jīng)歷了光學(xué)顯微鏡（觀察斷口的實(shí)用倍數(shù)是在50～500倍間）、透射電子顯微鏡（觀察斷口的實(shí)用倍數(shù)是在1000～40000倍間）和掃描電子顯微鏡（觀察斷口的實(shí)用倍數(shù)是在20～10000倍間）三個(gè)階段。
 

 

　　轉(zhuǎn)子部件脫落特征

 

　　既然轉(zhuǎn)子部件脫落特征危害如此之大，我們?cè)趺床拍茏龅娇焖贉?zhǔn)確的診斷呢？

 

　　由于轉(zhuǎn)子部件脫落本質(zhì)是轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的改變，所以它具備不平衡故障的一些基本特征，同時(shí)也有一些自身特點(diǎn)，具體如下：
 

 

　　1.振動(dòng)的工頻值會(huì)在瞬間突然變化

 

　　2. 時(shí)域波形可見幅值突然變化或有沖擊信號(hào)（不常見）

 

　　有時(shí)葉片脫落時(shí)刻的信號(hào)剛好被采集存儲(chǔ)下來，則可以在時(shí)域波形上看到幅值的變化以及沖擊信號(hào)，但由于脫落瞬間很短暫，以及監(jiān)測系統(tǒng)通常并不是連續(xù)采集和存儲(chǔ)的，所以不易見到。
 

 

　　3. 工頻振動(dòng)的相位也可能會(huì)發(fā)生突變

 

　　請(qǐng)注意，這里面第一條說的是“突然變化”并不是突然升高；第二條工頻振動(dòng)的相位也“可能”會(huì)發(fā)生突變。
 

 

　　4.突變后振值相位多趨于穩(wěn)定

 

　　如果你所管理的設(shè)備在發(fā)生斷振動(dòng)突變后振值和相位比較穩(wěn)定，又沒有其他的復(fù)雜頻率成分，你要暗自慶幸一下，這說明設(shè)備目前只是發(fā)生了單次的部件脫落，并沒有引發(fā)連鎖反應(yīng)。我們知道，流程工業(yè)的壓縮機(jī)、汽輪機(jī)為了效率和性能多會(huì)采用多級(jí)設(shè)計(jì)形式，氣體在設(shè)備中逐級(jí)通過。如果部件脫落發(fā)生在末級(jí)，脫落部分可能會(huì)隨著氣流進(jìn)入管道，最終卡在濾網(wǎng)或者管道中的某個(gè)部位；如果脫落部位發(fā)生在前面幾級(jí)，情況就比較糟糕了，脫落的部分有可能隨著氣流進(jìn)入到下一級(jí)，此時(shí)脫落部件與下一級(jí)葉片的相對(duì)速度是非常大的，發(fā)生碰撞會(huì)打傷更多的葉片，這些碎片再進(jìn)入下一級(jí)，后果不堪設(shè)想，甚至?xí)l(fā)重大安全事故。
 

 

　　5.變化后的振動(dòng)特征頻率多以工頻為主

 

　　轉(zhuǎn)子部件脫落故障本質(zhì)與轉(zhuǎn)子不平衡機(jī)理相同，所以時(shí)域波形像正弦曲線，頻率成分以工頻為主，這里就不再贅述了。
 

 

　　6.軸心軌跡一般是渦動(dòng)范圍比較大的橢圓或者接近正圓

 

　　由于轉(zhuǎn)子部件脫落多數(shù)情況會(huì)破壞原始的平衡狀態(tài)，使設(shè)備產(chǎn)生較大的不平衡量，所以軸心軌跡渦動(dòng)范圍一般會(huì)比較大，如果沒有其他復(fù)合故障，軌跡形態(tài)多以橢圓為主。

 

　　7. 少部分原發(fā)性的部件脫落故障在脫落之前可能會(huì)有小幅的工頻和相位波動(dòng)

 

　　如果設(shè)備不是受到異物撞擊產(chǎn)生的部件脫落，我們有可能有機(jī)會(huì)在部件完全從轉(zhuǎn)子上脫離之前發(fā)現(xiàn)一些征兆。因?yàn)橐话銇碚f，脫落也是有過程的，失效斷裂也是從裂紋逐漸變大發(fā)展形成的。
 

 

　　案例：某化工廠合成氣壓縮機(jī)斷葉片故障

 

　　某廠新裝合成氣機(jī)組由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作機(jī)為離心壓縮機(jī)，共有7級(jí)葉輪分為2段，其中聯(lián)端為循環(huán)段，2級(jí)葉輪；非聯(lián)端為合成段，5級(jí)葉輪。壓縮機(jī)振動(dòng)報(bào)警值為63.5μm，聯(lián)鎖停機(jī)值為88.9μm，聯(lián)鎖停機(jī)為“二取二”。機(jī)組總貌圖如右圖所示：
 

 

　　機(jī)組相關(guān)參數(shù)如下：
 

 

　　2017年7月8日晚21:53分，該合成氣機(jī)組壓縮機(jī)四個(gè)通道同時(shí)出現(xiàn)了振值大幅上漲的現(xiàn)象，從穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的25μm左右突跳至80μm左右，變化時(shí)間約為3秒鐘。同一時(shí)刻，汽輪機(jī)側(cè)的振值無明顯變化。查看相關(guān)工藝量參數(shù)，通過查看相關(guān)數(shù)據(jù)，確認(rèn)該時(shí)間段內(nèi)工藝方面未做大幅調(diào)整，機(jī)組干氣密封各監(jiān)測數(shù)據(jù)也無異常；查看壓縮機(jī)四個(gè)通道的GAP電壓趨勢，可排除儀表方面的原因。

 

　　壓縮機(jī)4個(gè)通道振值出現(xiàn)突變前后主要是1X幅值的大幅改變，特別是壓縮機(jī)非聯(lián)端（合成段）通道1X幅值從12μm變化至70μm左右。而其它頻率分量幅值變化不大；查看1X相位趨勢，振值突變前后1X相位最大也有約30°左右的改變；波形圖內(nèi)呈現(xiàn)正弦波，且重復(fù)性較好，初相位點(diǎn)較為穩(wěn)定，波峰與波谷值相近；頻譜圖內(nèi)以1X為主，2X，3X及低頻分量幅值較低；軸心軌跡呈現(xiàn)橢圓形，各點(diǎn)圓滑過渡，重復(fù)性較好，渦動(dòng)方向?yàn)橥秸M(jìn)動(dòng)。

 

　　機(jī)組于7月21日停機(jī)，在停機(jī)降速過程中，壓縮機(jī)四個(gè)通道振值隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系十分明顯，完全符合轉(zhuǎn)子部件脫落后不平衡故障的振動(dòng)特征。在對(duì)機(jī)組進(jìn)行拆解后，發(fā)現(xiàn)在合成段第5級(jí)葉輪的輪盤處有大約70*40*5mm左右的脫落，同時(shí)在此葉輪上還發(fā)現(xiàn)長度約70mm長的裂紋。
 

 

　　這起斷葉片故障很蹊蹺，如果是管道內(nèi)異物撞擊，損傷的大概率應(yīng)該是首級(jí)葉輪，而發(fā)生斷裂的卻是第5級(jí)葉輪，斷口也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的材料缺陷，更像是疲勞損傷。為什么會(huì)在這個(gè)位置產(chǎn)生疲勞？

 

　　SIEMES ENERGY SECTOR的工程師 Sven Konig 和 NicoPetry 發(fā)表的一篇論文給了筆者啟發(fā)，文中提到兩起案例的葉輪的失效形式和這起很像。

 

　　論文中的第一個(gè)案例是一臺(tái)運(yùn)行了6年的壓縮機(jī)第五級(jí)葉輪葉片斷裂。
 

 

　　論文中的第二個(gè)案例是三臺(tái)相同的天然氣壓縮機(jī)在改造后運(yùn)行幾個(gè)月就出現(xiàn)了葉片斷裂，形式和第一個(gè)案例非常相似。

 

　　文中作者通過有限元計(jì)算，認(rèn)為這種失效形式是特定頻率激發(fā)葉輪的某階固有頻率共振有關(guān)，共振時(shí)高頻交變應(yīng)力導(dǎo)致葉輪局部產(chǎn)生疲勞斷裂，斷裂形狀和振型一致。
 

 

　　回到本文案例，由于現(xiàn)場工藝流程原因，機(jī)組長期在非設(shè)計(jì)工況運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)常達(dá)不到工作轉(zhuǎn)速6936，筆者推測在這種非設(shè)計(jì)運(yùn)行工況下，激發(fā)了葉輪的某階固有頻率，最終導(dǎo)致了葉片的疲勞斷裂。
 

 

　　比較遺憾的是沒能拿到準(zhǔn)確的葉輪原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，無法建立準(zhǔn)確的模型，進(jìn)行模態(tài)分析，所以推測最終沒有得到驗(yàn)證，僅供參考。希望能給大家在分析故障原因時(shí)多提供一條思路。

 

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