海洋石油設(shè)施燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測方法研究及應(yīng)用

劉 超

中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)通常用作海洋石油設(shè)施（包括海洋石油平臺(tái)、浮式儲(chǔ)油裝置和FPSO）的主電站，為生產(chǎn)和生活設(shè)施提供電力能源，以保證設(shè)施正常、連續(xù)、安全地進(jìn)行生產(chǎn)。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈一般為：燃?xì)廨啓C(jī)→減速齒輪箱→發(fā)電機(jī)，其中減速齒輪箱在該系統(tǒng)中發(fā)揮傳遞扭矩、變換轉(zhuǎn)速的作用。

經(jīng)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，某海域海洋石油設(shè)施擁有70余臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)/齒輪箱，其中與SOLAR TURBINE配套使用的ALLEN ASG32和ACSG32燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱占60%以上，該類型齒輪箱維保過程中存在未按ALLEN工作指導(dǎo)手冊中“累計(jì)運(yùn)行時(shí)間3萬h后實(shí)施內(nèi)窺檢查及振動(dòng)與噪音監(jiān)測，累計(jì)運(yùn)行6萬h后實(shí)施解體檢查”規(guī)定執(zhí)行的情況。隨著運(yùn)行時(shí)間不斷累積，故障停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)也隨之不斷增加。

為保證設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定健康運(yùn)轉(zhuǎn)，改變原有故障性維修的思維，減少因齒輪箱突發(fā)故障造成的非計(jì)劃性停機(jī)和由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失，有必要對(duì)該型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱進(jìn)行研究，制訂一套可行的狀態(tài)監(jiān)測及評(píng)估方法，即通過了解齒輪箱的基本參數(shù)及海洋石油設(shè)施現(xiàn)場運(yùn)轉(zhuǎn)情況，有針對(duì)性地制訂該類型燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測及評(píng)估方法，通過監(jiān)測及評(píng)估為燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱檢修方案的制訂提供決策依據(jù)。

1 齒輪箱現(xiàn)場運(yùn)轉(zhuǎn)情況統(tǒng)計(jì)及分析

通過對(duì)現(xiàn)場74臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)：部分燃?xì)廨啓C(jī)存在潤滑油泄漏、振動(dòng)幅值攀升、異常噪音等問題；隨著齒輪箱累計(jì)運(yùn)行時(shí)間的增長，相關(guān)問題顯現(xiàn)的頻次隨之增加。

例如，對(duì)某作業(yè)公司28臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱（ALLEN ASG32共4臺(tái)，ACSG32共24臺(tái)） 的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間（見圖1）及現(xiàn)場運(yùn)轉(zhuǎn)情況統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過6萬h甚至12萬h的燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱的振動(dòng)幅值較其他設(shè)備大，部分已接近甚至超過預(yù)警值；且異常噪音、滑油泄漏比例超過其他累計(jì)運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較少的齒輪箱，這些齒輪箱視為重點(diǎn)關(guān)注及待檢修對(duì)象。

圖1 28臺(tái)齒輪箱累計(jì)運(yùn)行時(shí)間

2 齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測及評(píng)估方法

ALLEN ASG32燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱廣泛用于SOLAR MARS100燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，ALLEN ACSG32燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱廣泛用于SOLAR TITANS130燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)齒輪箱基本參數(shù)及內(nèi)部構(gòu)造，結(jié)合ALLEN工作指導(dǎo)手冊，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱實(shí)施振動(dòng)監(jiān)測、內(nèi)窺檢查、油品檢測等監(jiān)測工作，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析客觀評(píng)估燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱狀況，為燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱大修計(jì)劃及方案制訂做準(zhǔn)備。

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱振動(dòng)監(jiān)測方法

2.1.1 齒輪箱振動(dòng)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)嚙合頻率等參數(shù)，使用Machine Analyst振動(dòng)數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行組態(tài)。使用SKF Microlog數(shù)據(jù)采集器在齒輪箱的輸入（高速）端P1和輸出（低速）端P2盡可能地靠近軸承座處，采集水平（H）、垂直（V）、軸向（A）三個(gè)方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖4所示。振動(dòng)數(shù)據(jù)包括：振動(dòng)加速度值A(chǔ)cc、振動(dòng)加速度包絡(luò)值Env、振動(dòng)速度值Vel和振動(dòng)位移值Dis。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱振動(dòng)監(jiān)測測點(diǎn)示意

2.1.2 齒輪箱振動(dòng)數(shù)值分析

根據(jù)測量的加速度及速度幅值，參照速度/加速度值的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（見表1），初步判斷并了解齒輪箱的整體運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，關(guān)注機(jī)組后續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)趨勢，做好連續(xù)監(jiān)測或檢修準(zhǔn)備，必要時(shí)實(shí)施檢修[1]。

表1 速度/加速度值的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.3 齒輪箱振動(dòng)信號(hào)分析

齒輪箱正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)信號(hào)（各軸的轉(zhuǎn)頻和嚙合頻率）平穩(wěn)，發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)頻率成分和幅值的變化特點(diǎn)，借助Machine Analyst振動(dòng)數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)估齒輪箱狀態(tài)，判斷齒輪箱故障。在燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，最常見的齒輪箱故障有：齒形均勻磨損、斷齒、軸不對(duì)中等[2-5]。

2.2 燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱內(nèi)窺檢查

使用工業(yè)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)對(duì)齒輪箱內(nèi)部齒輪嚙合情況進(jìn)行檢查，可以直觀掌握、評(píng)估齒輪箱內(nèi)部關(guān)鍵零部件磨損情況，齒輪內(nèi)窺鏡監(jiān)測評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 齒輪內(nèi)窺鏡監(jiān)測評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

2.3 燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱油品檢測

潤滑工作是燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱管理的基礎(chǔ)工作之一，良好的潤滑狀態(tài)有利于保障齒輪箱的可靠運(yùn)行、性能改善、降低摩擦功耗、減少溫升和磨損及潤滑劑的消耗量，反之潤滑失效極易造成軸承、齒輪等關(guān)鍵零部件的過度磨損。

通過潤滑油檢驗(yàn)監(jiān)測手段可以及時(shí)了解齒輪箱潤滑狀態(tài)，必要時(shí)進(jìn)行潤滑油更換及實(shí)施機(jī)組潤滑系統(tǒng)檢查，保障齒輪箱處于良好潤滑狀態(tài)。

3 實(shí)例分析

按照海洋石油設(shè)施燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測評(píng)估方法，對(duì)海洋石油平臺(tái)所用兩種型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)（ALLEN ASG32和ACSG32）的齒輪箱進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測、內(nèi)窺檢查和潤滑油檢驗(yàn)等監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果評(píng)估齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.1 振動(dòng)監(jiān)測及評(píng)估

經(jīng)監(jiān)測，圖3為某ALLEN ASG32型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱高速端軸瓦處垂直（V）向振動(dòng)監(jiān)測信息，其加速度峰值為329.3 m/s2，嚙合頻率3 445 Hz和二倍頻率6 890 Hz處幅值最大分別為239.7 m/s2和25.6 m/s2。結(jié)果顯示該設(shè)備的振動(dòng)值超標(biāo)，已經(jīng)威脅到機(jī)組的正常運(yùn)行，應(yīng)及時(shí)安排檢修。齒輪的嚙合頻率及其諧波的幅值最大同樣說明機(jī)組軸瓦、齒輪等關(guān)鍵零部件出現(xiàn)較明顯的磨損，處于正常磨損階段向劇烈磨損階段的過渡期。

圖3 AL L ENASG32燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱振動(dòng)監(jiān)測信息

某ALLEN ACSG32型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱高速端軸瓦處水平（H）向振動(dòng)監(jiān)測信息顯示，其加速度峰值144.9 m/s2，其中二級(jí)行星輪/齒圈嚙合頻率2 575 Hz及二、三、四、五、六倍頻率幅值明顯，二倍頻率5 148 Hz處最大幅值114.7 m/s2；太陽輪/一級(jí)行星輪嚙合頻率7 648 Hz處最大幅值45.05 m/s2。該設(shè)備的振動(dòng)加速度值接近預(yù)警值，應(yīng)引起重點(diǎn)關(guān)注或做好檢修準(zhǔn)備。齒輪的嚙合頻率及其諧波的幅值最大同樣說明機(jī)組軸瓦、齒輪等關(guān)鍵零部件出現(xiàn)較明顯的磨損，處于正常磨損階段向劇烈磨損階段的過渡期。

3.2 內(nèi)窺檢查及評(píng)估

圖4為某平臺(tái)3臺(tái)（A、B、C）ALLENACSG32型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱內(nèi)窺檢查結(jié)果及評(píng)估情況，相關(guān)等級(jí)說明見表2。其中B機(jī)內(nèi)齒圈有明顯嚙合橫紋，C機(jī)行星輪出現(xiàn)明顯嚙合亮斑，即出現(xiàn)了目視可見的清晰磨損，初步判斷相關(guān)部件已處于點(diǎn)蝕形成初期，已建議設(shè)施關(guān)注齒輪箱運(yùn)行振動(dòng)、噪音等變化趨勢。

圖4 某平臺(tái)3臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)齒輪內(nèi)窺鏡檢查結(jié)果及狀態(tài)評(píng)估

3.3 滑油檢驗(yàn)及評(píng)估

根據(jù)理化指標(biāo)、污染指標(biāo)檢測確定油品狀態(tài)、機(jī)組潤滑狀態(tài)，根據(jù)光譜分析結(jié)果確定設(shè)備磨損狀態(tài)。進(jìn)而提出建議：油品繼續(xù)使用、加強(qiáng)過濾凈化處理、更換清潔濾芯、更換滑油。

綜合振動(dòng)監(jiān)測、內(nèi)窺檢查、潤滑油檢驗(yàn)等監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以客觀評(píng)估齒輪箱狀況，為檢維修計(jì)劃的制訂及實(shí)施提供依據(jù)。

4 結(jié)論及展望

由于海洋石油設(shè)施燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際工作功率普遍處于80%額定功率的水平，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)低于50%的情況，造成等效運(yùn)行小時(shí)低于累計(jì)運(yùn)行小時(shí)的現(xiàn)象普遍存在?；诤Ｑ笫驮O(shè)施的特殊工況，一方面相關(guān)設(shè)施未按照廠家工作指導(dǎo)手冊規(guī)定實(shí)施機(jī)組解體大修，另一方面如果拋開工作手冊中的指導(dǎo)建議實(shí)施故障性維修，極易擾亂設(shè)施生產(chǎn)計(jì)劃，同時(shí)必因設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)帶來經(jīng)濟(jì)損失。

開展海洋石油設(shè)施燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測方法的研究及應(yīng)用，有助于設(shè)備維保人員客觀評(píng)估齒輪箱狀況，使設(shè)施管理人員及時(shí)掌握齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，可為燃?xì)廨啓C(jī)齒輪箱維修計(jì)劃及方案的制訂提供決策性依據(jù)。

雖然采用振動(dòng)監(jiān)測、內(nèi)窺檢查、潤滑油檢驗(yàn)等狀態(tài)監(jiān)測及評(píng)估方法能夠從某種程度上掌握齒輪箱階段性運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，但是這種非連續(xù)的檢測手段效果受時(shí)間間隔及監(jiān)測頻次的限制，仍不理想。因此應(yīng)根據(jù)齒輪箱現(xiàn)場環(huán)境綜合考慮設(shè)備重要性、相關(guān)零部件強(qiáng)度校核結(jié)果等因素，開發(fā)在線監(jiān)測系統(tǒng)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)組狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測具有重要意義。