油液分析技術(shù)在水輪機(jī)組故障診斷中的應(yīng)用

李志祥，劉連偉，張沖林

（三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌443133）

油液分析是設(shè)備潤滑磨損狀態(tài)的一項重要監(jiān)測手段，它通過分析被監(jiān)測機(jī)器的在用潤滑油的性能變化和攜帶的磨損磨粒，獲得機(jī)器的潤滑和磨損狀態(tài)信息，評價機(jī)器的工況和預(yù)測故障，并確定故障原因、類型的技術(shù)[1-3]。油液分析通常包含常規(guī)理化分析、光譜分析和鐵譜分析3種分析手段，其中常規(guī)理化分析對監(jiān)測設(shè)備的潤滑狀態(tài)比較有效，光譜分析對于磨損狀態(tài)的監(jiān)測比較有效，鐵譜技術(shù)則對故障診斷有效[4-5]。綜合各種油液分析技術(shù)，并結(jié)合其他診斷方法如振動分析[6-7]，就可以充分獲知設(shè)備潤滑與磨損相關(guān)信息，避免單一分析方法因信息不完整而可能導(dǎo)致的誤判。綜合分析的目的是減少設(shè)備的失效，降低其停運(yùn)時數(shù)和維護(hù)費(fèi)用。

水輪機(jī)組是水力發(fā)電的主要設(shè)備，由多種機(jī)械部件組合而成，在運(yùn)行過程中由于受到高壓水流的沖擊，會產(chǎn)生機(jī)械磨損和振動[8]。為了避免水輪機(jī)組故障影響到生產(chǎn)，某公司自2010年起對該公司所屬的30多臺水輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵潤滑點(diǎn)開展油液監(jiān)測，通過對設(shè)備潤滑油的污染、變質(zhì)程度的檢測，及時掌握設(shè)備潤滑油性能及磨損狀況以及其發(fā)展變化趨勢，實現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，從而及時預(yù)報潛在的故障，避免任何可能的災(zāi)難性損壞發(fā)生，減少不必要的維修，提高設(shè)備利用率和安全性能。

1 油液分析的內(nèi)容

某公司開展油液分析的水輪機(jī)組共有32臺，每臺水輪機(jī)組有4個獨(dú)立的用油部位，分別是上導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承、推力軸承及調(diào)速器液壓系統(tǒng)，所使用的均為46號汽輪機(jī)油，每年對每臺機(jī)組的各用油部位至少進(jìn)行一次油液分析。

對水輪機(jī)組的油液分析主要包含2個方面的內(nèi)容，即狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，如圖1所示。狀態(tài)監(jiān)測是指通過對在用潤滑油進(jìn)行分析，判斷設(shè)備的潤滑磨損狀態(tài)。故障診斷是指通過鐵譜、電鏡能譜等多種分析手段，對已經(jīng)出現(xiàn)故障的設(shè)備進(jìn)行診斷，判斷磨損部位及程度，尋找故障原因。

圖1 水輪機(jī)組的油液分析內(nèi)容

2 油液分析在水輪機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

油液監(jiān)測是通過對在用潤滑油進(jìn)行分析，判斷設(shè)備的潤滑磨損狀態(tài)，指導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行換油及視情維修，它主要包括3方面的內(nèi)容，即油品性能監(jiān)測、污染監(jiān)測及磨損狀態(tài)監(jiān)測。

2.1 油品性能監(jiān)測

油品性能監(jiān)測是對潤滑油關(guān)鍵理化指標(biāo)如運(yùn)動黏度、總酸值、抗氧化性能、防銹性能等定期檢測，根據(jù)檢測結(jié)果來評價油品的劣化程度，預(yù)估其剩余使用壽命。

2.2 污染狀態(tài)監(jiān)測

油液污染是造成設(shè)備潤滑磨損故障最主要的原因，只要控制好潤滑油的污染度，就能有效地預(yù)防機(jī)械磨損，延長設(shè)備的使用壽命[3-5]。潤滑油污染狀態(tài)監(jiān)測主要從3個方面進(jìn)行，即水分、污染度和污染元素。

2.3 磨損狀態(tài)監(jiān)測

磨損狀態(tài)監(jiān)測是指通過對設(shè)備在用油進(jìn)行光譜元素分析和直讀鐵譜來綜合評價設(shè)備的磨損狀態(tài)。其中光譜元素分析可以檢測油中的磨損金屬如Fe、Cu、Pb、Sn的含量，通過這些元素的含量高低來判斷設(shè)備的磨損程度，而直讀鐵譜則是通過檢測在用油中鐵磁性磨粒的大小及數(shù)量，來判斷設(shè)備的磨損程度。

2.4 油液監(jiān)測實例

2010年6月，對5號機(jī)組推導(dǎo)油槽進(jìn)行油液取樣分析，油品的各項理化性能指標(biāo)測試結(jié)果正常，但污染度NAS等級高達(dá)14級，嚴(yán)重偏高，油中磨損金屬元素Fe含量達(dá)28 mg/kg，直讀鐵譜大磨損顆粒DL讀數(shù)28.5，小磨損顆粒DS讀數(shù)26.7，磨損金屬數(shù)量要遠(yuǎn)高于其他機(jī)組的平均水平，詳細(xì)檢測結(jié)果見表1。

表1 5號機(jī)組推導(dǎo)軸承2010～2011年的油液分析數(shù)據(jù)

對該次取樣進(jìn)行鐵譜分析，油中發(fā)現(xiàn)少量的油泥及鐵銹蝕顆粒（圖2），但現(xiàn)場反映此時設(shè)備運(yùn)行各項參數(shù)都正常，并未發(fā)現(xiàn)異常情況。

6月份的分析結(jié)果引起了電站工程師的高度重視，2010年10月，再次對5號機(jī)組推導(dǎo)油槽取樣進(jìn)行分析。結(jié)果表明該油顏色明顯加深，短短4個月內(nèi)，總酸值由0.14 mgKOH/g上升到了0.22 mgKOH/g，表明油品氧化速度較快；污染度NAS等級高達(dá)15級，嚴(yán)重偏高；磨損金屬元素Fe含量、直讀鐵譜磨損顆粒讀數(shù)明顯增高，油中存在大量的鐵銹蝕顆粒，如圖3所示。

圖2 5號機(jī)組推導(dǎo)軸承2010年6月在用油中的顆粒

圖3 5號機(jī)組推導(dǎo)軸承2010年10月在用油中的顆粒

經(jīng)調(diào)查，該機(jī)組從國外采購，經(jīng)海上長途運(yùn)輸?shù)絿鴥?nèi)，在海上運(yùn)輸過程中受到了海水的污染，而機(jī)器在現(xiàn)場安裝后條件所限，沒有將系統(tǒng)中的殘余海水全部清理干凈，系統(tǒng)中鋼質(zhì)部件長期受到殘余海水的浸潤，由于海水腐蝕性極強(qiáng)，造成了系統(tǒng)內(nèi)部鋼質(zhì)部件發(fā)生銹蝕，鐵銹蝕顆粒不斷浸入5號機(jī)組推導(dǎo)油槽的在用潤滑油中。

根據(jù)潤滑油監(jiān)測結(jié)果，對5號機(jī)組推力軸承的油箱、油槽和油路進(jìn)行了徹底清洗，除去系統(tǒng)中沉積的鐵銹蝕顆粒并將潤滑油進(jìn)行更換；由于無法對殘留的海水進(jìn)行徹底清除，在后期加強(qiáng)了跟蹤監(jiān)測，當(dāng)油質(zhì)明顯劣化時就及時換油。經(jīng)處理后，2011年6月和10月取樣監(jiān)測時，5號機(jī)組運(yùn)行情況良好。

3 油液分析在水輪機(jī)組故障診斷上的應(yīng)用

與狀態(tài)監(jiān)測不同，故障診斷綜合運(yùn)用多種分析手段（如理化指標(biāo)分析、光譜分析、鐵譜分析、電鏡能譜分析以及紅外光譜分析等）對設(shè)備在用潤滑油、失效零部件、油泥等故障樣品進(jìn)行綜合分析，最終找出故障成因，其主要包括兩個方面的內(nèi)容，即油質(zhì)分析和磨粒分析。

3.1 油質(zhì)分析

油質(zhì)分析是指對故障設(shè)備在用油的油品性能和污染情況進(jìn)行檢測，分析油品性能變化與設(shè)備故障之間的關(guān)系。除常規(guī)的理化指標(biāo)分析外，油質(zhì)分析還通常采用紅外光譜對油品的劣化程度進(jìn)行評價。

3.2 磨粒分析

磨粒分析是指對樣品中（包括潤滑油樣品和油泥沉積物樣品）的磨粒及污染物顆粒形態(tài)進(jìn)行分析，找出失效部位及失效原因。磨粒分析的主要方法有鐵譜分析、電鏡能譜分析。磨粒分析通常與油質(zhì)分析相結(jié)合進(jìn)行綜合判斷。

3.3 故障診斷實例

同樣是5號機(jī)組推力軸承，在2012年12月維護(hù)時，發(fā)現(xiàn)其推力頭與鏡板之間滲出了較多深褐色的潤滑油，工程師推斷應(yīng)該是來源于推力頭與鏡板連接螺栓的磨損，因此對機(jī)組該螺栓、推力頭部位取樣進(jìn)行檢測，希望通過油液分析找出油品變色原因。

油品油質(zhì)分析結(jié)果表明，油品的主要性能如黏度、抗氧化性能、總酸值等并沒有發(fā)生明顯劣化，但光譜分析時發(fā)現(xiàn)油中的Fe元素含量嚴(yán)重超標(biāo)，污染元素Ca、Si、Mg含量超標(biāo)，如表2所示。

表2 5號機(jī)組推導(dǎo)軸承在用油2012年12月分析結(jié)果

通常Fe元素來源于鋼或鑄鐵質(zhì)部件的腐蝕與磨損，Ca、Si、Mg元素通常來源于外界的粉塵、泥漿等。因此從檢測數(shù)據(jù)上分析，該油變色與油質(zhì)劣化關(guān)系不大，更可能源于油品受到污染。

對該樣品進(jìn)行鐵譜分析，鐵譜圖見圖4所示。從圖中可以看出，油中含有大量的黑色和紅色鐵系氧化物、粉塵顆粒和少量亮白色的未知金屬顆粒，這些顆粒尺寸較小，集中分布在5～15 μm之間。通過電鏡能譜對亮白色未知顆粒進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Sn元素含量較高，為錫基巴氏合金，如圖5所示。

根據(jù)磨粒的形態(tài)，對鐵譜上的顆粒來源進(jìn)行分析，其中黑色鐵系氧化物為系統(tǒng)的磨損產(chǎn)物，極有可能源于推力頭與鏡板、螺栓之間的微動磨損；紅色氧化物則為鐵銹蝕，來源于系統(tǒng)中鋼或鑄鐵部件的銹蝕；粉塵可能是由空氣帶入潤滑系統(tǒng)，而巴氏合金通常來源于滑動軸瓦的磨損。

圖4 5號機(jī)組推導(dǎo)軸承2012年12月在用油中的顆粒

圖5 5號機(jī)組推導(dǎo)軸承在用油中的巴氏合金電鏡能譜分析

因此，對5號機(jī)組推導(dǎo)軸承在用油的分析表明，該機(jī)組的推力頭與鏡板、螺栓之間可能存在微動磨損，產(chǎn)生了大量的磨粒；加之前文提到的該機(jī)組系統(tǒng)中殘留了少量海水，致使零部件銹蝕生成了大量銹蝕顆粒；此外，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，還受到了外界粉塵的污染，這些磨粒、銹蝕顆粒及粉塵等硬質(zhì)顆粒懸浮在油中，一方面導(dǎo)致油品顏色加深，另一方面隨潤滑油進(jìn)入到摩擦副表面之間，使推力軸瓦表面也發(fā)生了一定程度的異常磨損。

根據(jù)故障分析的結(jié)論，現(xiàn)場對5號機(jī)組推力軸承進(jìn)行了檢查和維修，并更換了新油，2013年進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，油液分析的各項數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

4 結(jié)語

（1）通過對5號機(jī)組推力軸承在用油的分析，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組因運(yùn)輸途中受到海水污染導(dǎo)致設(shè)備零部件銹蝕，由于發(fā)現(xiàn)及時，對設(shè)備潤滑系統(tǒng)進(jìn)行徹底清洗后并做換油處理，未影響到設(shè)備的正常運(yùn)行。

（2）通過油液檢測對5號機(jī)組推力軸承的螺栓、推力頭部的在用油顏色變深的原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，該機(jī)組的推力頭與鏡板、螺栓之間可能存在微動磨損，且推力軸瓦表面也已發(fā)生了一定程度的異常磨損；經(jīng)過處理后，在后期跟蹤監(jiān)測時，設(shè)備運(yùn)行恢復(fù)正常。

（3）對水輪機(jī)組開展油液監(jiān)測可以為設(shè)備預(yù)防性維修提供依據(jù)，能有效避免設(shè)備的故障發(fā)生，提高了設(shè)備總體運(yùn)行效率；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，可以通過油液分析來找出故障部位，查明故障原因，對設(shè)備維修起指導(dǎo)作用。