【壓縮機網(wǎng)】轉子部件脫落可以說(shuō)是壓縮機等旋轉設備中最為兇險的一類(lèi)故障，尤其是對于一些超高轉速的壓縮機，葉輪外緣的線(xiàn)速度會(huì )接近聲速，在這種情況下，脫落的部件會(huì )帶有強大的動(dòng)能，甚至足以擊穿機殼。對于轉速不那么高的機組，轉子部件脫落也會(huì )使轉子振幅產(chǎn)生突然變化，影響機組的正常運行，嚴重的可能會(huì )觸發(fā)聯(lián)鎖停車(chē)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。
轉子部件脫落常見(jiàn)部位
理論上轉子上的部件都有脫落的可能，實(shí)際現場(chǎng)比較常見(jiàn)的掉落部位包括壓縮機葉輪、汽輪機和煙機的葉片、拉筋、圍帶、輪齒、聯(lián)軸器部件等。
轉子部件脫落原因
導致轉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、機殼內部的焊渣、雜物在運行時(shí)被高壓氣體吹出來(lái)撞擊葉輪葉片造成破壞；再比如裝配時(shí)的一些部件預緊力不足，在長(cháng)期振動(dòng)下產(chǎn)生松動(dòng)脫落；或者由于設計強度不足、局部材料缺陷等原因導致的失效斷裂等等。
是強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(lái)確定。斷口分析是金屬構件進(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(guò)斷口的形態(tài)分析去研究一些斷裂的基本問(wèn)題：如斷裂起因、斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機制、斷裂韌性、斷裂過(guò)程的應力狀態(tài)以及裂紋擴展速率等。
如果要求深入地研究材料的冶金因素和環(huán)境因素對斷裂過(guò)程的影響，通常還要進(jìn)行斷口表面的微區成分分析、主體分析、結晶學(xué)分析和斷口的應力與應變分析等。
對斷口進(jìn)行宏觀(guān)觀(guān)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(guān)觀(guān)察就可以判定斷裂的性質(zhì)、起始位置和裂紋擴展路徑。但如果要對斷裂起點(diǎn)附近進(jìn)行細致研究，分析斷裂原因和斷裂機制，還必須進(jìn)行微觀(guān)觀(guān)察。
斷口的微觀(guān)觀(guān)察經(jīng)歷了光學(xué)顯微鏡（觀(guān)察斷口的實(shí)用倍數是在50～500倍間）、透射電子顯微鏡（觀(guān)察斷口的實(shí)用倍數是在1000～40000倍間）和掃描電子顯微鏡（觀(guān)察斷口的實(shí)用倍數是在20～10000倍間）三個(gè)階段。
轉子部件脫落特征
既然轉子部件脫落特征危害如此之大，我們怎么才能做到快速準確的診斷呢？
由于轉子部件脫落本質(zhì)是轉子平衡狀態(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(jiàn)幅值突然變化或有沖擊信號（不常見(jiàn)）
有時(shí)葉片脫落時(shí)刻的信號剛好被采集存儲下來(lái)，則可以在時(shí)域波形上看到幅值的變化以及沖擊信號，但由于脫落瞬間很短暫，以及監測系統通常并不是連續采集和存儲的，所以不易見(jiàn)到。
3. 工頻振動(dòng)的相位也可能會(huì )發(fā)生突變
請注意，這里面第一條說(shuō)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定
如果你所管理的設備在發(fā)生斷振動(dòng)突變后振值和相位比較穩定，又沒(méi)有其他的復雜頻率成分，你要暗自慶幸一下，這說(shuō)明設備目前只是發(fā)生了單次的部件脫落，并沒(méi)有引發(fā)連鎖反應。我們知道，流程工業(yè)的壓縮機、汽輪機為了效率和性能多會(huì )采用多級設計形式，氣體在設備中逐級通過(guò)。如果部件脫落發(fā)生在末級，脫落部分可能會(huì )隨著(zhù)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，情況就比較糟糕了，脫落的部分有可能隨著(zhù)氣流進(jìn)入到下一級，此時(shí)脫落部件與下一級葉片的相對速度是非常大的，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，后果不堪設想，甚至會(huì )引發(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
轉子部件脫落故障本質(zhì)與轉子不平衡機理相同，所以時(shí)域波形像正弦曲線(xiàn)，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
由于轉子部件脫落多數情況會(huì )破壞原始的平衡狀態(tài)，使設備產(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(méi)有其他復合故障，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)
如果設備不是受到異物撞擊產(chǎn)生的部件脫落，我們有可能有機會(huì )在部件完全從轉子上脫離之前發(fā)現一些征兆。因為一般來(lái)說(shuō)，脫落也是有過(guò)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(chǎng)合成氣壓縮機斷葉片故障
某廠(chǎng)新裝合成氣機組由汽輪機驅動(dòng)，工作機為離心壓縮機，共有7級葉輪分為2段，其中聯(lián)端為循環(huán)段，2級葉輪；非聯(lián)端為合成段，5級葉輪。壓縮機振動(dòng)報警值為63.5μm，聯(lián)鎖停機值為88.9μm，聯(lián)鎖停機為“二取二”。機組總貌圖如右圖所示：
機組相關(guān)參數如下：
2017年7月8日晚21:53分，該合成氣機組壓縮機四個(gè)通道同時(shí)出現了振值大幅上漲的現象，從穩定運行時(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，汽輪機側的振值無(wú)明顯變化。查看相關(guān)工藝量參數，通過(guò)查看相關(guān)數據，確認該時(shí)間段內工藝方面未做大幅調整，機組干氣密封各監測數據也無(wú)異常；查看壓縮機四個(gè)通道的GAP電壓趨勢，可排除儀表方面的原因。
壓縮機4個(gè)通道振值出現突變前后主要是1X幅值的大幅改變，特別是壓縮機非聯(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；波形圖內呈現正弦波，且重復性較好，初相位點(diǎn)較為穩定，波峰與波谷值相近；頻譜圖內以1X為主，2X，3X及低頻分量幅值較低；軸心軌跡呈現橢圓形，各點(diǎn)圓滑過(guò)渡，重復性較好，渦動(dòng)方向為同步正進(jìn)動(dòng)。
機組于7月21日停機，在停機降速過(guò)程中，壓縮機四個(gè)通道振值隨轉速變化關(guān)系十分明顯，完全符合轉子部件脫落后不平衡故障的振動(dòng)特征。在對機組進(jìn)行拆解后，發(fā)現在合成段第5級葉輪的輪盤(pán)處有大約70*40*5mm左右的脫落，同時(shí)在此葉輪上還發(fā)現長(cháng)度約70mm長(cháng)的裂紋。
這起斷葉片故障很蹊蹺，如果是管道內異物撞擊，損傷的大概率應該是首級葉輪，而發(fā)生斷裂的卻是第5級葉輪，斷口也沒(méi)有發(fā)現明顯的材料缺陷，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)案例是一臺運行了6年的壓縮機第五級葉輪葉片斷裂。
論文中的第二個(gè)案例是三臺相同的天然氣壓縮機在改造后運行幾個(gè)月就出現了葉片斷裂，形式和第一個(gè)案例非常相似。
文中作者通過(guò)有限元計算，認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)高頻交變應力導致葉輪局部產(chǎn)生疲勞斷裂，斷裂形狀和振型一致。
回到本文案例，由于現場(chǎng)工藝流程原因，機組長(cháng)期在非設計工況運轉，經(jīng)常達不到工作轉速6936，筆者推測在這種非設計運行工況下，激發(fā)了葉輪的某階固有頻率，最終導致了葉片的疲勞斷裂。
比較遺憾的是沒(méi)能拿到準確的葉輪原始設計數據，無(wú)法建立準確的模型，進(jìn)行模態(tài)分析，所以推測最終沒(méi)有得到驗證，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。
來(lái)源：宮云慶
轉子部件脫落常見(jiàn)部位
理論上轉子上的部件都有脫落的可能，實(shí)際現場(chǎng)比較常見(jiàn)的掉落部位包括壓縮機葉輪、汽輪機和煙機的葉片、拉筋、圍帶、輪齒、聯(lián)軸器部件等。
轉子部件脫落原因
導致轉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、機殼內部的焊渣、雜物在運行時(shí)被高壓氣體吹出來(lái)撞擊葉輪葉片造成破壞；再比如裝配時(shí)的一些部件預緊力不足，在長(cháng)期振動(dòng)下產(chǎn)生松動(dòng)脫落；或者由于設計強度不足、局部材料缺陷等原因導致的失效斷裂等等。
是強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(lái)確定。斷口分析是金屬構件進(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(guò)斷口的形態(tài)分析去研究一些斷裂的基本問(wèn)題：如斷裂起因、斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機制、斷裂韌性、斷裂過(guò)程的應力狀態(tài)以及裂紋擴展速率等。
如果要求深入地研究材料的冶金因素和環(huán)境因素對斷裂過(guò)程的影響，通常還要進(jìn)行斷口表面的微區成分分析、主體分析、結晶學(xué)分析和斷口的應力與應變分析等。
對斷口進(jìn)行宏觀(guān)觀(guān)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(guān)觀(guān)察就可以判定斷裂的性質(zhì)、起始位置和裂紋擴展路徑。但如果要對斷裂起點(diǎn)附近進(jìn)行細致研究，分析斷裂原因和斷裂機制，還必須進(jìn)行微觀(guān)觀(guān)察。
斷口的微觀(guān)觀(guān)察經(jīng)歷了光學(xué)顯微鏡（觀(guān)察斷口的實(shí)用倍數是在50～500倍間）、透射電子顯微鏡（觀(guān)察斷口的實(shí)用倍數是在1000～40000倍間）和掃描電子顯微鏡（觀(guān)察斷口的實(shí)用倍數是在20～10000倍間）三個(gè)階段。
轉子部件脫落特征
既然轉子部件脫落特征危害如此之大，我們怎么才能做到快速準確的診斷呢？
由于轉子部件脫落本質(zhì)是轉子平衡狀態(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(jiàn)幅值突然變化或有沖擊信號（不常見(jiàn)）
有時(shí)葉片脫落時(shí)刻的信號剛好被采集存儲下來(lái)，則可以在時(shí)域波形上看到幅值的變化以及沖擊信號，但由于脫落瞬間很短暫，以及監測系統通常并不是連續采集和存儲的，所以不易見(jiàn)到。
3. 工頻振動(dòng)的相位也可能會(huì )發(fā)生突變
請注意，這里面第一條說(shuō)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定
如果你所管理的設備在發(fā)生斷振動(dòng)突變后振值和相位比較穩定，又沒(méi)有其他的復雜頻率成分，你要暗自慶幸一下，這說(shuō)明設備目前只是發(fā)生了單次的部件脫落，并沒(méi)有引發(fā)連鎖反應。我們知道，流程工業(yè)的壓縮機、汽輪機為了效率和性能多會(huì )采用多級設計形式，氣體在設備中逐級通過(guò)。如果部件脫落發(fā)生在末級，脫落部分可能會(huì )隨著(zhù)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，情況就比較糟糕了，脫落的部分有可能隨著(zhù)氣流進(jìn)入到下一級，此時(shí)脫落部件與下一級葉片的相對速度是非常大的，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，后果不堪設想，甚至會(huì )引發(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
轉子部件脫落故障本質(zhì)與轉子不平衡機理相同，所以時(shí)域波形像正弦曲線(xiàn)，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
由于轉子部件脫落多數情況會(huì )破壞原始的平衡狀態(tài)，使設備產(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(méi)有其他復合故障，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)
如果設備不是受到異物撞擊產(chǎn)生的部件脫落，我們有可能有機會(huì )在部件完全從轉子上脫離之前發(fā)現一些征兆。因為一般來(lái)說(shuō)，脫落也是有過(guò)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(chǎng)合成氣壓縮機斷葉片故障
某廠(chǎng)新裝合成氣機組由汽輪機驅動(dòng)，工作機為離心壓縮機，共有7級葉輪分為2段，其中聯(lián)端為循環(huán)段，2級葉輪；非聯(lián)端為合成段，5級葉輪。壓縮機振動(dòng)報警值為63.5μm，聯(lián)鎖停機值為88.9μm，聯(lián)鎖停機為“二取二”。機組總貌圖如右圖所示：
機組相關(guān)參數如下：
2017年7月8日晚21:53分，該合成氣機組壓縮機四個(gè)通道同時(shí)出現了振值大幅上漲的現象，從穩定運行時(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，汽輪機側的振值無(wú)明顯變化。查看相關(guān)工藝量參數，通過(guò)查看相關(guān)數據，確認該時(shí)間段內工藝方面未做大幅調整，機組干氣密封各監測數據也無(wú)異常；查看壓縮機四個(gè)通道的GAP電壓趨勢，可排除儀表方面的原因。
壓縮機4個(gè)通道振值出現突變前后主要是1X幅值的大幅改變，特別是壓縮機非聯(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；波形圖內呈現正弦波，且重復性較好，初相位點(diǎn)較為穩定，波峰與波谷值相近；頻譜圖內以1X為主，2X，3X及低頻分量幅值較低；軸心軌跡呈現橢圓形，各點(diǎn)圓滑過(guò)渡，重復性較好，渦動(dòng)方向為同步正進(jìn)動(dòng)。
機組于7月21日停機，在停機降速過(guò)程中，壓縮機四個(gè)通道振值隨轉速變化關(guān)系十分明顯，完全符合轉子部件脫落后不平衡故障的振動(dòng)特征。在對機組進(jìn)行拆解后，發(fā)現在合成段第5級葉輪的輪盤(pán)處有大約70*40*5mm左右的脫落，同時(shí)在此葉輪上還發(fā)現長(cháng)度約70mm長(cháng)的裂紋。
這起斷葉片故障很蹊蹺，如果是管道內異物撞擊，損傷的大概率應該是首級葉輪，而發(fā)生斷裂的卻是第5級葉輪，斷口也沒(méi)有發(fā)現明顯的材料缺陷，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)案例是一臺運行了6年的壓縮機第五級葉輪葉片斷裂。
論文中的第二個(gè)案例是三臺相同的天然氣壓縮機在改造后運行幾個(gè)月就出現了葉片斷裂，形式和第一個(gè)案例非常相似。
文中作者通過(guò)有限元計算，認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)高頻交變應力導致葉輪局部產(chǎn)生疲勞斷裂，斷裂形狀和振型一致。
回到本文案例，由于現場(chǎng)工藝流程原因，機組長(cháng)期在非設計工況運轉，經(jīng)常達不到工作轉速6936，筆者推測在這種非設計運行工況下，激發(fā)了葉輪的某階固有頻率，最終導致了葉片的疲勞斷裂。
比較遺憾的是沒(méi)能拿到準確的葉輪原始設計數據，無(wú)法建立準確的模型，進(jìn)行模態(tài)分析，所以推測最終沒(méi)有得到驗證，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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