轉(zhuǎn)爐煤氣加壓機(jī)振動(dòng)在線監(jiān)測與故障診斷

代琳娜

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200

一、緒論

我部門采用OneproD設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)本部門轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及振動(dòng)故障判斷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組的預(yù)防性維修。

某分廠煤氣加壓機(jī)有焦?fàn)t煤氣加壓機(jī)、高爐煤氣加壓機(jī)和轉(zhuǎn)爐煤氣加壓機(jī)三種，分別為煤氣進(jìn)行加壓輸送，常見的振動(dòng)故障有轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中、軸彎曲、碰磨等?，F(xiàn)就最常見的轉(zhuǎn)子不平衡故障機(jī)理進(jìn)行闡述，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣加壓機(jī)的預(yù)防性維修。

二、故障機(jī)理分析

轉(zhuǎn)子不平衡故障產(chǎn)生的機(jī)理是轉(zhuǎn)子各橫截面的質(zhì)心連線與各截面的幾何中心連線不重合，從而使轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)，各截面離心力構(gòu)成一個(gè)空間連續(xù)力系，轉(zhuǎn)子的撓度曲線為一連續(xù)的三維曲線，如圖1所示。這個(gè)空間離心力力系和轉(zhuǎn)子的撓度曲線是旋轉(zhuǎn)的，其旋轉(zhuǎn)的速度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相同，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生工頻振動(dòng)。

實(shí)際的轉(zhuǎn)子，由于軸的各向彎曲有差別，特別是由于支撐剛度各向不同，因而轉(zhuǎn)子對(duì)不平衡質(zhì)量的響應(yīng)，在X、Y方向不僅振幅不同，而且相位差也不是90°，因而轉(zhuǎn)子的軸心軌跡為橢圓形，如圖2所示。

所以，當(dāng)轉(zhuǎn)子有質(zhì)量不平衡故障時(shí)，在不平衡力的作用下轉(zhuǎn)子將發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)的主要特征如下。

（1）振動(dòng)的時(shí)域波形為正弦波。

（2）轉(zhuǎn)子的振動(dòng)是一個(gè)與轉(zhuǎn)速同頻的強(qiáng)迫振動(dòng)，振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速按共振曲線規(guī)律變化，在臨界轉(zhuǎn)速處達(dá)到最大值。因此，轉(zhuǎn)子不平衡故障的突出表現(xiàn)為一倍頻（1X）振動(dòng)幅值大。同時(shí)，出現(xiàn)較小的高次諧波（如2X、3X、4X振動(dòng)），整個(gè)頻譜呈所謂的“樅樹形”。

（3）在一定的轉(zhuǎn)速下，振動(dòng)的幅值和相位基本上不隨時(shí)間發(fā)生變 化。

（4）軸心運(yùn)動(dòng)軌跡為圓形或橢圓形。

（5）動(dòng)態(tài)下軸線彎曲成三維曲線，并以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速繞靜態(tài)軸心線旋 轉(zhuǎn)。

對(duì)于各機(jī)組而言，無論其平衡狀況有多么好，總是或多或少地存在質(zhì)量不平衡。所以，其振動(dòng)頻譜中始終有1倍頻分量，這種情況是允許的。這里有必要引入一個(gè)判斷轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡故障的標(biāo) 準(zhǔn)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡故障時(shí)，轉(zhuǎn)子的整體振動(dòng)水平會(huì)超標(biāo)，可利用如下方法來判斷轉(zhuǎn)子不平衡故障：設(shè)診斷開始時(shí)與轉(zhuǎn)速同步的振動(dòng)矢量為XN，通頻矢量為XM，當(dāng)滿足│XN│≥α│XM│(α=0.7)，且相位角和振動(dòng)信號(hào)的通頻幅值不隨時(shí)間變化（或變化很小）時(shí)可判斷機(jī)組存在轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡故障。

圖1 轉(zhuǎn)子質(zhì)心的空間分布

圖2 轉(zhuǎn)子不平衡的軸心軌跡

三、轉(zhuǎn)爐煤氣加壓機(jī)振動(dòng)監(jiān)測和故障診斷

1.機(jī)組概況

轉(zhuǎn)爐煤氣加壓機(jī)采用D900-11型單向進(jìn)氣單級(jí)離心式鼓風(fēng)機(jī)，是專供壓縮輸送轉(zhuǎn)爐煤氣之用，轉(zhuǎn)子呈簡支梁型。其在線監(jiān)測有兩個(gè)測點(diǎn)，分別位于鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端(F1Y)和非驅(qū)動(dòng)端(F2Y)軸承處，均為加速度傳感器，測量振動(dòng)速度值（圖3）。正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速為2 985r/min，振動(dòng)報(bào)警值4.5mm/s，連鎖停機(jī)值7.1mm/s。

以4#轉(zhuǎn)爐煤氣加壓機(jī)為例進(jìn)行分析。2013年7月29日，該機(jī)啟機(jī)運(yùn)行，鼓風(fēng)機(jī)F1Y和F2Y振動(dòng)速度值分別為0.604mm/s和0.767mm/s，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)良好，運(yùn)行至8月18日開始，兩測點(diǎn)振動(dòng)值呈明顯上升趨勢，F(xiàn)1Y和F2Y測點(diǎn)振動(dòng)速度值分別為0.886mm/s和1.26mm/s，振動(dòng)值不大，重點(diǎn)觀察運(yùn)行。運(yùn)行至9月1日時(shí)，F(xiàn)1Y和F2Y測點(diǎn)振動(dòng)值上升至2.57mm/s和3.72mm/s，直逼報(bào)警值4.5mm/s，振動(dòng)趨勢圖如圖4。

圖3 機(jī)組及測點(diǎn)分布

圖4 4#轉(zhuǎn)爐煤氣加壓機(jī)本次故障運(yùn)行期間振動(dòng)趨勢圖

2.振動(dòng)原因分析

應(yīng)用在線監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)4#轉(zhuǎn)爐煤氣加壓機(jī)振動(dòng)大問題進(jìn)行故障分析。圖5為2013年7月29日和9月1日F1Y、F2Y兩測點(diǎn)振動(dòng)頻譜對(duì)比圖，圖中顯示F1Y測點(diǎn)1倍頻振動(dòng)值由0.35mm/s上升至2.29mm/s，F(xiàn)2Y測點(diǎn)1倍頻振動(dòng)值由0.64mm/s上升至3.49mm/s。由頻譜對(duì)比圖可見，兩測點(diǎn)頻率成分主要為1倍頻，同時(shí)有很小的高次諧波；且振動(dòng)通頻值增大的主要成分為1倍頻。

對(duì)比1倍頻振動(dòng)值│XN│同振動(dòng)通頻值│XM│的關(guān)系，F(xiàn)1Y測點(diǎn)│XN│=2.29mm/s，│XM│=2.57mm/s，F(xiàn)2Y測點(diǎn)│XN│=3.49mm/s，│XM│=3.72mm/s，均有│XN│≥α│XM│(α=0.7)關(guān)系。

圖5 振動(dòng)頻譜對(duì)比圖

圖6 振動(dòng)時(shí)域波形對(duì)比圖

圖7 4#轉(zhuǎn)爐煤氣加壓機(jī)振動(dòng)趨勢圖

圖6所示為2013年7月29日和9月1日F1Y、F2Y兩測點(diǎn)振動(dòng)時(shí)域波形對(duì)比圖，由圖可見，各測點(diǎn)振動(dòng)時(shí)域波形在一個(gè)周期內(nèi)為典型的正弦波，故障狀態(tài)下的時(shí)域波形較正常運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)域波形振幅增大。再根據(jù)通頻振動(dòng)值是隨著時(shí)間的推移緩慢爬升的特點(diǎn)，可以判斷振動(dòng)是由轉(zhuǎn)子不均勻結(jié)垢或腐蝕，引起轉(zhuǎn)子不平衡。

如果轉(zhuǎn)爐煤氣的品質(zhì)長期不良，隨著時(shí)間的推移，將在鼓風(fēng)機(jī)的葉片表面結(jié)垢或腐蝕葉片，使轉(zhuǎn)子原有的平衡遭到破壞，振動(dòng)增大。由于結(jié)垢或腐蝕需要相當(dāng)長的時(shí)間，所以振動(dòng)是隨著時(shí)間而增大的。并且由于流通部分結(jié)垢或腐蝕，導(dǎo)致流通條件變差，軸向推力增加，效率逐漸下降。

觀察在線監(jiān)測系統(tǒng)使用以來4#轉(zhuǎn)爐煤氣加壓機(jī)振動(dòng)趨勢圖（圖7）可見，機(jī)組平均運(yùn)行周期為45天，此次設(shè)備已運(yùn)行近40天，且振動(dòng)值接近報(bào)警值，同以往停機(jī)檢修時(shí)振值大小相近，故決定停機(jī)檢修，避免出現(xiàn)生產(chǎn)事故。

3.停機(jī)檢修

2013年9月2日對(duì)4#轉(zhuǎn)爐煤氣加壓機(jī)進(jìn)行了解體檢修，發(fā)現(xiàn)葉輪、擴(kuò)壓器和殼體表面積灰嚴(yán)重。為解決其振動(dòng)故障，對(duì)轉(zhuǎn)子、擴(kuò)壓器和殼體進(jìn)行除垢，并對(duì)轉(zhuǎn)子做動(dòng)平衡。檢修后，振動(dòng)值明顯下降，F(xiàn)1Y和F2Y兩測點(diǎn)振動(dòng)值分別為0.44mm/s和0.45mm/s。

[1]虞和濟(jì)，韓慶大，李沈等.設(shè)備故障診斷工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[2]李錄平，盧緒祥.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)與處理[M].北京：中國電力出版社，2007.