气压机组汽轮机油封积垢致振动频繁波动故障分析

1.机组信息

该气压机组由汽轮机拖动压缩机，其中汽轮机为德莱塞兰机械设备有限公司生产的背压式汽轮机，汽轮机型号：4U，额 定输出功率：3039kw，进汽压力：3.33Mpa，进汽温度：410℃，排汽压力：1.08MPa，该机组最低运行转速为5200r/min，额 定运行转速为5700r/min，最高运行转速为6245r/min，汽轮机轴振动报警值为41μm，联锁停机门限为64μm。压缩机为沈阳鼓 风机厂生产的水平剖分式离心压缩机，该套装置于1996年投产运行。

图1 气压机组总貌图

  2.故障现象 

该机组检修后于2021年11 月重新启机运行，起初汽轮机和压缩机运行趋势均较为平稳，汽轮机振动幅值保持 在10μm以下，压缩机振动幅值保持在20μm以下。但机组运行至2023年2月份，汽轮机四个通道振动开始出现频 繁波动现象。其波动表现为：

（1）起初波动范围相对较小，仅有5μm左右的变化，最高幅值仍低于20μm； 

（2）后续运行时振动波动呈明显增加趋势，最高幅值从20μm增长至40μm；

（3）每次波动时，幅值从出现上涨至最高点，然后逐步回落，一般历时20分钟左右，回落后幅值基本可恢复 至原振动水平； 

（4）每次波动时，以进汽侧两通道幅值变化尤为明显，排汽侧两通道幅值同步波动，但波动幅度较进汽侧 略低。

图2 汽轮机近一年振动趋势图

图3 压缩机近一年振动趋势图

图4 汽轮机振动波动趋势图

3.故障分析

查看振动出现波动时刻汽轮机各通道的GAP电压趋势，其数值均在正常线性区间内，判断汽轮机频繁波动为真 实波动，可排除仪表信号方面的因素。

图5 汽轮机波动时刻GAP电压趋势图

进一步查看振动分频趋势，汽轮机四通道振动频繁波动过程中，其幅值变化主要特征频率为1X，其它特征频率 如2X、0.5X等幅值相对较低，且幅值基本无变化。

图6 汽轮机波动时刻1X幅值趋势图

对比查看波形频谱图，振动波动至最高点时，波形呈接近正弦波形形态，波峰/波谷幅值均有所增加，频谱图 中频率成分以1X幅值为主，与波动前相比1X频率幅值明显增加。

图7 汽轮机正常运行时波形频谱图

图8 汽轮机振动波动时波形频谱图

对比查看汽轮机振动上涨前和波动至最高点时刻的轴心轨迹图，幅值上涨过程中，其涡动范围明显扩大，涡动 形态逐步接近椭圆形态。波动恢复后，其轴心轨迹涡动形态基本恢复至上涨前的状态。

图9 汽轮机正常运行时轴心轨迹图

图10 汽轮机振动波动时轴心轨迹图

4.分析结论

综合上述相关图谱特征，分析导致汽轮机振动频繁波动的原因为汽轮机内部出现了动静摩擦类故障。从振动幅 值分布上判断，摩擦最有可能发生在进汽侧（非驱动端）。

根据以往监测经验，进一步推测摩擦发生的位置为汽轮机进汽侧油封处。导致此现象的原因是由于润滑油泄 漏、润滑油油烟串入、保温棉/灰尘等杂质，导致在油封处形成焦垢堆积。当积聚到一定程度后，与转子发生摩 擦接触，引起一次振动上涨。当焦垢层被磨掉后，振动恢复。此特征也比较吻合机组每间隔几天就波动一次，且 幅值越来越高的现象。

5.故障验证与处理

现场反馈因生产需要，机组在短期内不能进行停机检修。根据以往经验，发生此类动静摩擦现象，一般对机组 安全性影响较小，故评估当前机组仍处于安全状态，可以继续监护运行。为避免机组跳车，可适当提高振动联锁门限。

为确保机组稳定运行，建议现场增设吹气系统。所谓吹气系统就是在汽轮机进汽侧壳体与油封之间安装隔离冷 却吹气管，通入仪表风，在油封处形成隔离气，对润滑油烟进行阻挡，同时隔离气对该区域进行冷却，防止汽轮机 油封齿内因润滑油温度过高而形成积碳现象。吹气操作时应避免正对转子吹气，以免造成转子弯曲以及对机组造成 扰动力导致机组振动上涨。

图11 现场增设吹气管照片

在汽轮机两端增加油封吹气管后，汽轮机振动波动间隔明显延长，波动现象有所缓解。

图12 增加吹气管后振动趋势

但后续运行过程中，汽轮机振动波动现象仍然存在。评估吹气措施只能从理论上减缓碳层继续聚集、恶化趋 势，已产生碳层仍需机组检修时检查处理。故建议有机会停机时，需检查并清理两端油封处结垢、油泥，并检查 底部回油孔是否堵塞，清理油封底部回油孔。若原来没有回油孔，可在油封底部增设回油孔。另外，也可在油箱 上部加装排烟风机或油雾分离器，可改善回油且利于油烟排放。

随后机组一直带病运行至2024年4月22日，现场利用装置短停机会，对汽轮机两端油封进行拆解检查。拆解 后发现两端油封处的确存在焦垢层堆积的问题，且进汽侧结焦积碳现象更严重，验证了之前诊断结论的正确性！

图13 现场检修时反馈的油封照片

现场对油封进行清理后，两天后重新启机运行，后续运行过程中，汽轮机各通道振动重新趋于平稳。截止 2024年底，暂未再出现振动波动的现象。

图14 汽轮机重新启机后通频值趋势图

总结：

本案例利用在线状态监测系统准确的判断了汽轮机的故障位置，并根据现场实际情况采用吹气系统来 缓解汽轮机的振动波动情况，从而延长机组运行时间，降低了企业减产、停产所造成的损失。根据在线监测系统 的相关振动图谱及相关经验对症处理问题，使机组故障得到了有效解决，避免了因故障导致的机组非计划停机，精 准判断机组故障原因、部位为生产现场节省了大量检维修时间，从而保证了现场生产顺序的有序进行。通过及时有 效的维护和诊断服务，为设备管理人员提供各种检维修的决策依据，为实现机组“安、稳、长、满、优”的可靠 运行提供保障和技术手段。