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个案研究

优化的轴承和减振器为振动提供了长期解决方案

在13年的时间里,南美一家大型石油公司的维护部门与三台气体回注压缩机机组反复出现的高振动进行了斗争。为了减少机器跳闸的可能性,技术人员每年对每个压缩机进行一到两次现场平衡,并每年更换磨损的倾斜垫轴颈(TPJ)轴承和O形圈减振器。实施这些预防措施和压缩机机组跳闸造成的停工每年导致1%的容量损失和额外的天然气燃烧。

该公司与轴承+,以提供一个长期的解决方案。对压缩机的彻底分析和对损坏部件的检查指出了两部分解决方案:Flexure Pivot®可倾瓦径向轴承ISFD®技术,一个整体式挤压油膜阻尼器。

2013年,压缩机重新投入使用,配备了经过优化的轴承和减振器(图1)。此后,压缩机的振动水平较低,不会随时间增长。它们没有跳闸,连续运行也不需要现场平衡。总体效率提高了约1%,现场利润也有所提高。

采用ISFD技术的挠性轴颈轴承
图1:采用ISFD技术的挠性枢轴可倾瓦径向滑动轴承

找到根本原因

每列压缩机于2000年投入运行,有两个机壳:低压(LP)机壳和高压(HP)机壳。振动问题仅发生在第一个低压缸中。

OEM轴承为5瓦负载的轴瓦点接触枢轴TPJ轴承,轴承外径小于机器外壳孔,以提供挤压油膜阻尼器功能。在轴承两端安装O形圈,以提供刚度并控制阻尼器泄漏。

每次直接更换OEM轴承后,转子振动将在一段时间内降低。然而,随着时间的推移,振动会再次增加——需要重复维护和再次更换轴承。

对拆下的OEM轴承的检查表明,倾斜垫和轴瓦孔上存在严重的枢轴磨损(图2)。这种磨损在五个月内使轴承间隙增加了63微米或更大,引起了令人担忧的振动。O形圈无法在静态偏转下提供定心能力,加上振动增加,导致轴承在壳体中触底(图3)并丧失挤压油膜阻尼器性能。随着时间的推移,这些因素会聚在一起,增加压缩机低压外壳中的振动。

轴瓦和轴瓦上的枢轴磨损
图2:点接触枢轴倾斜垫(左)和轴瓦孔(右)上的枢轴磨损
损坏的轴承外径
图3:OEM轴承外径因见底而损坏

解决挑战

由于反复振动的两个根本原因——枢轴磨损和挤压油膜阻尼器性能不可靠——实施了两种解决方案的组合。

为了解决枢轴磨损问题,轴承Plus应用了其专有技术挠性枢轴TPJ轴承. 挠曲枢轴设计有一个轴瓦和枢轴,轴瓦与轴瓦是一体的,当轴瓦倾斜时,消除了轴瓦和轴瓦之间的金属对金属接触(图4)。轴承制造方法,电火花加工(EDM),为轴承优化提供间隙和预载的严格控制。通过消除枢轴磨损,Flexure pivot TPJ轴承永久保持原始轴承间隙和原始预载,其中的变化可能导致振动。

解决方案的第二部分是使用专利技术ISFD技术代替O形圈挤压油膜阻尼器。与Flexure Pivot tilt pad一样,ISFD设计由EDM作为轴承本身的一部分制造,而不是单独的一部分。与O形圈阻尼器相比,该设计具有许多优点,包括精确的刚度控制、优化的阻尼以及在静载荷下使转子居中的能力。此外,ISFD技术消除了刚度和阻尼随时间的变化。整体式挤压油膜减振器不会像O形圈那样发生退化或导致轴承底出。

通过对气体回注压缩机进行全横向转子动力学分析,Beans Plus确定了ISFD技术的最佳刚度和阻尼。由于Flexure Pivot和ISFD设计的低剖面特性,新轴承作为OEM轴承的插入式更换件安装。

传统与柔性枢轴倾斜垫设计
图4:传统接触点倾斜垫(左)和挠曲枢轴倾斜垫(右)

已证实的结果

经过优化的轴承和减振器使三台升级的压缩机都有了显著的改进。随着升级,压缩机A的振动下降了一半以上,压缩机B的振动从90μm下降到50μm以下(图5),压缩机C的振动下降到30μm以下。随着时间的推移,压缩机保持了较低的振动水平(图6)。此外,采用ISFD技术优化的挠性枢轴TPJ轴承消除了O形圈减振器产生的小次同步振动。

轴承升级两年半后,压缩机无需现场平衡,无跳闸,也无需更换轴承。压缩机的第一套优化轴承和轴承附加减振器继续作为新的性能。不仅解决了振动问题,而且压缩机的整体效率提高了1%,从而提高了现场利润。

OEM与优化轴承的压缩机振动趋势
图5:OEM轴承在六个月跨度内的压缩机振动趋势,随后在十个月跨度内升级轴承。
OEM与优化轴承的压缩机振动趋势
图6:在大约1000天内,一系列OEM轴承的压缩机振动趋势,以及在类似时期内优化轴承的性能。优化轴承的振动保持稳定,没有问题,也没有更换轴承。

长期解决办法

虽然用同一设计的另一套轴承更换磨损的轴承可以提供权宜之计,但最终会产生额外的维护、更换和生产损失成本。转子动力学分析和优化轴承的实施可以减少或消除旋转设备中的振动问题,并提供长期投资回报。解决振动的根本原因是最有效和最具成本效益的解决方案。

个案研究最初是在首届亚洲涡轮机械与泵研讨会(ATPS)2016年2月22日至25日,新加坡,作者:Jong Kim博士,Waukesha轴承高级咨询工程师和高级首席工程师。该报告由南美一家大型石油公司的高级维护工程师Marcio Felipe dos Santos和Waukesha轴承公司的首席工程师Barry JBOB电竞怎样.Blair共同撰写。经作者和德克萨斯农工大学涡轮机械实验室,德克萨斯大学站。

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