СЛУЧАЙ ПРОЯВЛЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ВИБРАЦИИ
В СПЕКТРЕ КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
ЗАВОДА ПО ПРОИЗВОДСТВУ АММИАКА

Кулинич С.И., Центр технической диагностики ОАО «Концерн «Стирол» г. Горловка

Объект исследования - агрегат синтеза газа (поз. 401) сжатия азотно-водородной смеси производства аммиака (проект АМ-76). Схема агрегата представлена на рис. 1.

Агрегат состоит из компрессора низкого давления (КНД) типа 463В 5/5, турбины, компрессора среднего давления (КСД), компрессора высокого давления (КВД). Перечисленные блоки компрессора выполнены в виде цилиндров, имеющих вертикальные разъемы, для соединения между собой. В цилиндрах установлены аэродинамические вставки (блоки), формирующие газодинамический тракт. Лопаточный аппарат КНД образует две ступени сжатия в одном блоке (1-я ступень со стороны муфты).

Контроль вибрации осуществляется на подшипниковых опорах 1, 2, ..8 (см. рис. 1) с помощью стационарно установленных датчиков относительной вибрации фирмы Bently Nevada, ориентированных в вертикальном направлении.

Рис.1. Схема агрегата синтеза газа поз. 401.

Описание случая: 18.01.2003 г. в 5:20 утра на подшипниковых опорах цилиндра низкого давления указанного агрегата штатной системой виброконтроля был зафиксирован аварийный рост относительной вибрации.

При этом уровень относительной вибрации, измеренный на подшипнике №2 увеличился с 38 мкм (пик-пик) до 90 мкм, а на подшипнике №1 с 18 мкм до 68 мкм, что близко или превышает блокировочные (аварийные) значения. Кроме этого, было отмечено резкое уменьшение расхода смеси на всех цилиндрах компрессора, но максимальные значения уровня вибрации (близкие к блокировочному значению, порядка 85 мкм) наблюдались только на КНД. Чтобы аварийно не останавливать агрегат, было принято решение отключить блокировочный сигнал аварийной остановки. После ручного открытия антипомпажного клапана и разгрузки цеха по газу уровень вибрации на подшипнике №1 составил 30-40 мкм, а на подшипнике №2 - 50-70 мкм.

При измерении вибрации на корпусе цилиндра низкого давления работниками диагностического центра с помощью акселерометра было зафиксировано увеличение общего уровня СКЗ виброскорости в поперечно- вертикальном направлении по сравнению с замером недельной давности:

• в районе подшипника №1 с 2,5 до 9-11 мм/с (после разгрузки: 3,5 мм/с);
• в районе подшипника №2 с 4 до 7 мм/с (после разгрузки снижение до 2 мм/с).

На остальных подшипниках рост был незначительным. В спектрах поперечной вибрации на корпусе КНД до этого момента доминировала субгармоника кратности 0,46...0,48 от оборотной (0,46Х-0,48Х- на рис. 2, рис. 3).

Рис. 2. Тренд изменения поперечной вибрации на подшипнике №2

Рис. 3. Тренд изменения поперечной вибрации на подшипнике №1

Т.к. агрегат работает за 1-й критической скоростью (5600 об/мин), его рабочие обороты составляют - 10600 об/мин, наличие в спектре гармоники 0,46Х-0,48Х, характерной для колебаний масляного клина, связывалось работниками диагностического центра с особенностью работы новых модернизированных «лунковых» уплотнений, установленных на цилиндре во время капитального ремонта в 2001 г. До капитального ремонта вибрация на частотах в районе 0,5Х (0,46Х-0,48Х) хотя и возникала, но её амплитуда была намного ниже.

Следует отметить, что приблизительно в то же время был заменен ротор КНД. В паспорте ротора наработка («пробег») не была указана.

Увеличение низкочастотной вибрации произошло сразу же после продолжительного пуска агрегата в ноябре-декабре 2001 г. В процессе пуска произошло подряд несколько аварийных остановок агрегата, которые были связаны с несоблюдением технологических параметров пуска.

В день аварии в спектрах горизонтальной вибрации (поперечно-горизонтальное направление) на подшипниках №1 и №2, измеренной на корпусе цилиндра, доминировала гармоника на частоте 23-24 Гц (0,14Х). На подшипнике №1 в диапазоне частот 1100-1800 Гц (6-10Х) кроме это наблюдался широкий спектр, состоящий из гармоник оборотной и боковых частот (рис. 4). На подшипнике №2 у муфты в основном выделялась лишь частота 0,14Х (рис. 5). Хотя в спектре вертикальной вибрации преобладание низкочастотной масляной вибрации оставалось на обоих подшипниках.

Рис. 4. Спектры вибрации на подшипнике №1.

Рис. 5. Спектры вибрации на подшипнике №2.

На техническом совещании по проблеме работы агрегата было высказано предположение, что подобные спектры связаны с проявлением дефекта, который нарушил аэродинамику газового потока в лопаточном аппарате компрессора, и сгенерировал вибрацию, имеющую газодинамическую природу. Это предположение подтверждалось, во-первых, неудачными попытками подгрузить машину для снижения вибрации; во-вторых, тем, что аналогичная картина наблюдалась и на других цилиндрах (указанная вибрация возросла в 2 раза с 0,5 - 0,8 мм/с до 1,4 - 1,8 мм/с СКЗ).

Высказывались и предположения по поводу причин дефекта:

1. Попадание инородного предмета (например, сетки сепаратора) во всасывающую часть 1-й или 2-й ступени.
2. Трещина колеса одной из всасывающих ступеней (при этом должен проявляться дисбаланс, но он не проявляется).
3. Возможная подвижка диафрагмы направляющего аппарата в результате срезывание винтов крепления (такой дефект ранее встречался в нашей практике).

По результатам совещания было принято решение оставить машину в работе для подготовки к ремонту. При этом уровень блокировки по вибрации подняли до 130 мкм, задержку срабатывания аварийной блокировки убрали (ранее устанавливалась задержка 5 сек.).

В 18-00 того же дня машина остановилась при срабатывании блокировки по вибрации КНД на подшипнике №2. При разборке и демонтаже ротора цилиндра было выявлено следующее:

1. Лопнуло по всему диаметру колесо 1-й ступени КНД. При этом на боковых поверхностях колеса остались следы задевания (натиров) диафрагмы, а на внутренней стороне задевания ступицы о шейку ротора.
2. Разбиты лабиринтовые уплотнения в районе первого колеса.
3. Края трещины на колесе имели свежий разлом. Очаг зарождения трещины при металлографической экспертизе выявлен не был.

Диагностика этого дефекта затруднялась в виду отсутствия контроля изменения фазовых углов вибрации, других параметров (орбиты, изменение расположения центра вала).

Комиссия связала причину дефекта с превышением паспортного срока эксплуатации ротора и усталостными явлениями в структуре металла рабочего колеса 1-й ступени.

Версия специалистов диагностического центра - возникновение резонанса ротора КНД в районе 1-й ступени. Резонанс мог быть следствием зарождающейся трещиной на колесе. Критическое раскрытие трещины могло произойти при попадании влаги с газом при плохой работе сепаратора. Такие явления у нас наблюдались и ранее.

После замены ротора с подшипниками, диафрагмы 1-го колеса и ремонта уплотнений картина изменилась (рис. 6, рис. 7). В спектрах пропали высокочастотные составляющие, связанные газодинамикой потока, низкочастотная «масляная» вибрация существенно снизилась (рис. 8).

Рис. 6. Спектры вибрации на подшипнике №1 после ремонта.

Рис. 7. Спектры вибрации на подшипнике №2 после ремонта.

Рис. 8. Тренд изменения вертикальной вибрации на подшипнике №2 и график изменения амплитуды вибрации 0,47Х.