در آنالیز ارتعاشات، فرکانس ارتعاش در دور کارکرد (1X) از اهمیت ویژهای برخوردار است. زیرا مهمترین و شایعترین عیوب شناخته شده مانند آنبالانسی ، ناهم محوری و تشدید در این فرکانس ایجاد میشوند. با این حال فرکانس بعضی از عیوب در فرکانسهای کمتر از 1X نمایان میشود. از مهمترین این عیوب میتوان به لقی ، چرخش روغن (OIL WHIRL) ، شلاق روغن (OIL WHIP) و در بعضی موارد چرخش سیال را نام برد. بنابراین شناسایی و تشخیص این عیوب بر اساس فرکانسهای خرابی کمتر از 1X ضروری به نظر میرسد. در علم ارتعاش سنجی این فرکانسها به نام SUB-SYNCHRONOUS شناخته میشوند. در این مقاله ابتدا مقدمهای بر پدیده OIL WHIRL بیان میشود و سپس ماشین مورد مطالعه معرفی میگردد. در ادامه وضعیت ارتعاشی ماشین و نحوه شناسایی فرکانسهای خرابی ذکر شده است.
مشخصات ماشین مورد مطالعه (Turbo Expander)
این ماشین در واحد هوا- ازت مجتمع پتروشیمی خارگ جهت انبساط هوای فشرده به منظور جداسازی و تولید ازت بکار میرود و با توجه به مصرف ازت در کارخانه متانول و LPG و همچنین حجم مخزن ذخیره ازت، توقف بیشتر از چهار روز این ماشین باعث توقف روند تولید کارخانه میگردد و از این جهت از اهمیت زیادی برخوردار میباشد. مشخصات ماشین مورد مطالعه در جدول (1) آورده شده است.
جدول 1: مشخصات ماشین مورد مطالعه
سیستم کاری توربین به این صورت است که انرژی جنبشی سیال ورودی با استفاده از سیستم ترمز به صورت گرما تلف میشود. همانطور که در شکل (1) نشان داده شده است، روغن با فشار معین وارد محفظه ترمز شده و باعث کنترل میزان چرخش توربین میشود.
شکل 1: نمای شماتیک از دستگاه توربین اکسپندر
ارتعاش در فرکانس 0.37X
با توجه به عدم امکان تهیه قطعات یدکی از شرکت سازنده، بنابراین این قطعات از شرکتهای سازنده داخلی تهیه شدند. در هنگام تعمیرات اساسی ماشین، دو عدد بیرینگ ساخت داخل، بر روی توربین نصب شد و توربین راهاندازی گردید. بعد از راه اندازی ماشین، اندازهگیری ارتعاشات صورت گرفت که مشخص شد میزان ارتعاشات نسبت به قبل از تعمیرات، افزایش یافته است. میزان افزایش مقادیر ارتعاشی در جدول (2) نشان داده شده است.
جدول 2 : مقایسه مقادیر ارتعاشی قبل و بعد از تعمیرات
جهت بررسی وضعیت ارتعاشی و عیبیابی ماشین، از نقاط مختلف توربین طیف فرکانسی ثبت شد. نمودارهای نشان داده شده در این مقاله مربوط به سمت NDE H میباشند. همانطور که در شکل (2) نشان داده شده است، پیک غالب در 0.37X ایجاد شده است. این فرکانس خرابی میتواند نشانه چرخش سیال ، OIL WHIRL ، لقی و افزایش کلرنس باشد.
شکل 2: نمودار طیف فرکانسی در زمان شروع خرابی مربوط به بیرینگ سمتNDE [4]
از آنجایکه بیرینگها نو بودند و دمای خروجی روغن نرمال بود و همچنین طبق منابع مختلف، عموماً پدیده OIL WHIRL ناشی از خرابی بیرینگها در محدوده فرکانسی 0.42X تا 0.47X اتفاق میافتد، در نتیجه احتمال کمتری وجود داشت که بیرینگها خراب شده باشند. ولی با توجه به طیف فرکانسی به نظر میرسید که چرخش سیال روغن با سرعت 0.37 دور کارکرد، عامل این ارتعاش باشد شکل (3).
شکل 3: نحوه چرخش روغن در محفظه ترمز
بررسیهای بیشتر نشان داد که اگر روغن در محفظه ترمز تحت فشار نباشد، این روغن میتواند با سرعتی کمتر از سرعت دور کارکرد، حول شافت بچرخد. لازم به ذکر میباشد موقع بستن توربین میزان کلرنس در قسمت ترمز رعایت شده بود. بعد از باز شدن توربین مشخص شد پلاگی که در شکل (1) نشان داده شده است، در محل خود نصب نشده است. وظیفه پلاک جلوگیری از تخلیه روغن محفظه ترمز میباشد و عدم نصب آن مانع از تحت فشار بودن محفظه ترمز شده است. در این حالت روغن با سرعت 0.37 سرعت شافت حول آن میچرخیده و باعث افزایش ارتعاش شده است. در نهایت پلاگ در جای خود نصب شد و توربین راهاندازی گردید. همانطور که در شکل (4) نشان داده شده است، میزان ارتعاشات کاهش محسوسی داشتند.
شکل 4: کاهش چشمگیر ارتعاشات کلی بعد از رفع عیب
طيف فرکانسی نشان داده شده در شکل (5) نشان میدهد که رفتار ارتعاشی ماشین به طور کامل تغییر کرده است.
شکل 5: تغییر رفتار ارتعاشی ماشین بعد از تعمیر
ارتعاش در فرکانس 0.43X
بعد از گذشت سه ماه از زمان راهاندازی، در اندازهگیریهای دورهای مشخص شد که ارتعاش توربین، مجددا افزایش یافته است. بنابراین بررسی وضعیت ارتعاشی ماشین در دستور کار قرار گرفت. میزان افزایش ارتعاش در شکل (6) نشان داده شده است. در بعضی از نقاط ارتعاش تا هشت برابر افزایش یافته بود.
شکل 6: افزایش مجدد ارتعاشات
طیفهای فرکانسی ثبت شده یک پیک غالب در 0.43X را نشان میدادند. با توجه به وجود فرکانس خرابی 0.43X احتمال خرابی بیرینگها و افزایش کلرنس آنها و ایجاد پدیده OIL WHIRL وجود داشت. شكل (7).
شکل 7: نمایان شدن رفتار ارتعاشی متفاوت
جهت اطمینان از کیفیت و همچنین میزان ذرات موجود در روغن، آنالیز روغن انجام شد. روغن آنالیز شده از نظر ذرات ناخالصی شرایط مناسبی نداشت. جدول (3)
جدول 3 : تست شمارش ذرات در نمونه روغن خروجی بیرینگ
باتوجه به نمودارهای ارتعاشی و جواب آنالیز روغن، خرابی بیرینگها تشخیص داده شد. در نتیجه توربین از سرویس خارج گردید و بعد از باز کردن مشاهده شد که هر دو عدد بیرینگ آسیب جدی دیدهاند. شکلهای (8),(9).
شکل 8: آسیب دیدگی بیرینگها و افزایش کلرنس آنها
شکل 9: خرابی در سطح بیرینگ تراست
همانطور که در شکل (10) نشان داده شده است، کلرنس بیرینگها اندازهگیری شد و مشخص شد که میزان آن از حد مجاز خارج شده است. میزان افزایش کلرنس بیرینگها در جدول (4) نشان داده شده است.
شکل 10: نحوه اندازهگیری کلرنس بیرینگها
جدول 4: میزان افزایش کلرنس بیرینگها
پس میتوان نتیجه گرفت با خرابی بیرینگها و افزایش کلرنسها، پدیده OIL WHIRL اتفاق افتاده و باعث ایجاد پیک ارتعاشی در فرکانس 0.43X شده است. بعد از تعویض بیرینگها، توربین راهاندازی گردید. همانطور که در شکل (11) مشخص است ارتعاشات به میزان چشمگیری کاهش و رفتار ارتعاشی ماشین بهبود یافته است.
شکل 11- کاهش میزان ارتعاشات بعد از تعویض بیرینگها
بعد از تعمیر و ثبت طيف فرکانسی، همانطور که در شکل (12) نشان داده شده است پیک غالب که در 0.43X وجود داشت برطرف گردید. نمودار خط چین مربوط به قبل از تعمیر میباشد. تمامی نمودارها مربوط به بیرینگ سمت NDE میباشد ولی لازم به ذکر میباشد که ارتعاشات کلی بیرینگ سمت DE هم کاهش محسوسی داشت.
شكل 12: بر طرف شدن پیک ارتعاشی در فرکانس 0.43X بعد از تعویض بیرینگها
نتیجه گیری ارتعاشات شلاق روغن
همانطور که در مقاله شرح داده شد، على الرغم اینکه درصد بالایی از پیکهای ارتعاشی در فرکانسهای 1X و بالاتر ایجاد میشوند ولی فرکانس بعضی از خرابیها از جمله OIL WHIRL در محدوده کمتر از 1X میباشد که با بررسی و تحلیل نمودارهای ارتعاشی و همچنین بکارگیری آنالیز روغن میتوان آنها را مشخص کرد. اگر قطعات یدکی ساخت شرکت سازنده ماشین نباشند نیاز است تا بعد از راهاندازی، پایش این ماشین آلات با دقت بیشتری صورت گیرد تا از وضعیت این قطعات نصب شده اطمینان حاصل شود.
منبع: سید محسن موسوی ریگی، مرتضی مدبر، مهدی قائمی منش ” ارتعاش در فرکانسهای کمتر از 1X (مطالعه موردی توربین اکسپندر مجتمع پتروشیمی خارگ) – هفتمین کنفرانس تخصصی پایش وضعیت و عیب یابی ماشین آلات ایران، تهران، دانشگاه صنعتی شریف، اسفند ۱۳۹۱
