應(yīng)力波技術(shù)在TRT發(fā)電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷中的應(yīng)用

謝宏星，高 帆，唐春陽(yáng)

(1.湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司動(dòng)力廠，湖南湘潭 411101; 2.重慶川儀軟件有限公司，重慶 401121)

引言

高效回收利用各生產(chǎn)工序產(chǎn)生的余熱余能資源是鋼鐵企業(yè)實(shí)施節(jié)能減排的趨勢(shì)，爐頂余壓發(fā)電技術(shù)（Blast Furnace Top-pressure Recovery Turbine Unit，中文譯為高爐煤氣余壓回收透平裝置，國(guó)際上簡(jiǎn)稱TRT）利用爐頂煤氣在透平機(jī)內(nèi)膨脹做功，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。利用應(yīng)力波技術(shù)對(duì)高爐TRT發(fā)電機(jī)組在多種工況下表現(xiàn)出的故障特征信息進(jìn)行綜合分析，并識(shí)別設(shè)備健康/不健康狀態(tài)、故障類型和故障的嚴(yán)重程度[1,2]，以設(shè)備開(kāi)蓋檢修的實(shí)際情況驗(yàn)證應(yīng)力波技術(shù)診斷結(jié)論的有效性以及故障定位的準(zhǔn)確性，并對(duì)設(shè)備檢修后重新開(kāi)機(jī)過(guò)程中的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為機(jī)組工藝參數(shù)的調(diào)整提供指導(dǎo)。

1 TRT發(fā)電機(jī)組常見(jiàn)故障統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程發(fā)生的實(shí)際故障，通過(guò)在機(jī)組檢修過(guò)程中積累大量的檢修經(jīng)驗(yàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、故障情況進(jìn)行分析，并以相關(guān)文獻(xiàn)為依據(jù)[3]，統(tǒng)計(jì)出旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備常見(jiàn)故障形式，具體如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備常見(jiàn)故障及其所占比例統(tǒng)計(jì)

根據(jù)TRT 發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性，本文針對(duì)性地研究了機(jī)組幾種主要故障形式及原因分析[4-7]，具體如表1所示，對(duì)此進(jìn)行分析的意義是在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提取有效故障特征進(jìn)行分析診斷，預(yù)判機(jī)組的故障部位及故障類型。

表1 TRT機(jī)組常見(jiàn)故障類型及原因分析

2 應(yīng)力波技術(shù)在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)力波分析技術(shù)原理介紹

旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)都伴隨著摩擦的變化，振動(dòng)、碎屑和溫度是對(duì)摩擦變化的二階響應(yīng)（量變的積累效應(yīng)），摩擦是載荷、潤(rùn)滑和機(jī)械狀態(tài)的復(fù)合函數(shù)。摩擦和沖擊在部件相互作用處產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波是一種超聲波能量脈沖（彈性波），在部件內(nèi)部（固、液、氣）輻射傳導(dǎo)，應(yīng)力波分析技術(shù)通過(guò)量化摩擦/沖擊事件的劇烈程度，進(jìn)而判斷機(jī)械部件的內(nèi)部動(dòng)態(tài)變化。其中摩擦事件的劇烈程度與以下因素相關(guān)：表面面積和光滑度、相對(duì)表面速度、接觸壓力、潤(rùn)滑條件、速度/負(fù)載變化。沖擊事件的劇烈程度與以下因素相關(guān)：沖擊速度、受損深度、受損尺寸和面積。圖2所示為應(yīng)力波技術(shù)對(duì)設(shè)備內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦/沖擊事件的劇烈程度進(jìn)行量化顯示?；诖?，應(yīng)力波分析技術(shù)可以量化損傷區(qū)的深度和廣度，即量化損傷區(qū)的面積大小。

應(yīng)力波分析技術(shù)只檢測(cè)能夠激發(fā)傳感器在超聲波頻率段的共振信號(hào)，所有與設(shè)備動(dòng)力學(xué)相關(guān)的低頻振動(dòng)、設(shè)備機(jī)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)以及可聽(tīng)到的噪聲都被過(guò)濾掉，因此不受外部運(yùn)動(dòng)及噪音的影響；同時(shí)，應(yīng)力波技術(shù)不受低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，低轉(zhuǎn)速情況下，設(shè)備任何損壞所產(chǎn)生的能量異常太小，無(wú)法激勵(lì)機(jī)器產(chǎn)生足以被檢測(cè)出來(lái)的振動(dòng)能量?；跈C(jī)械故障早期特征以高頻信號(hào)呈現(xiàn)這一特征，應(yīng)力波分析技術(shù)的頻率選取范圍為38±2 kHz。旋轉(zhuǎn)部件的使用時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)生漸變故障的概率也就越大，漸變性使得部分故障可以進(jìn)行預(yù)防。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷手段相比，應(yīng)力波技術(shù)能夠有效提取設(shè)備早期故障特征，捕捉設(shè)備出現(xiàn)實(shí)際損壞時(shí)的突變狀態(tài)，從而在其它傳統(tǒng)技術(shù)如溫度檢測(cè)、振動(dòng)、油品檢測(cè)等技術(shù)診斷出故障情況之前提前預(yù)判設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，體現(xiàn)對(duì)于早期故障的前瞻性[8,9]。

圖2 應(yīng)力波分析技術(shù)基本原理圖

2.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)

完整的應(yīng)力波監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)包括三大部分：應(yīng)力波傳感器、數(shù)據(jù)采集箱、分析軟件。應(yīng)力波傳感器布置在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上，感知設(shè)備內(nèi)部的應(yīng)力波能量變化；數(shù)據(jù)采集箱就地布置在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，收集、處理現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)應(yīng)力波傳感器的監(jiān)測(cè)信息；分析軟件布置在控制室或者管理辦公室，用于診斷分析和處理多個(gè)數(shù)據(jù)采集箱匯聚的設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。基于在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，判斷設(shè)備的健康/不健康狀態(tài)、識(shí)別設(shè)備劣化趨勢(shì)及發(fā)生故障的時(shí)間點(diǎn)。該系統(tǒng)同時(shí)配置設(shè)備健康監(jiān)測(cè)手機(jī)APP 軟件，幫助設(shè)備運(yùn)維人員更加方便完成設(shè)備健康監(jiān)測(cè)，結(jié)合應(yīng)力波診斷技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷效率。如圖3 所示，通過(guò)設(shè)備健康監(jiān)測(cè)APP，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警分級(jí)發(fā)送、設(shè)備異常報(bào)警分級(jí)確認(rèn)、診斷建議即時(shí)發(fā)布等功能。

圖3 設(shè)備健康管家手機(jī)APP軟件界面

3 高爐TRT機(jī)組故障分析及處理

3.1 TRT狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

湘鋼2#高爐TRT 是陜西鼓風(fēng)機(jī)（集團(tuán)）公司2009 年6 月生產(chǎn)，2010 年投入運(yùn)行的干法除塵TRT機(jī)組，機(jī)組型號(hào)為MPG19.2-295.6/180。設(shè)計(jì)參數(shù)為：高爐容積2 580 m3，高爐爐頂煤氣發(fā)生量：最大值為530 000 m3/h，正常情況下為435 000 m3/h；輸出功率最大值為19.2 MW，正常情況為13.9 MW。用應(yīng)力波系統(tǒng)對(duì)TRT進(jìn)行監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)點(diǎn)2個(gè)，分別為1#軸瓦、2#軸瓦，如圖4 所示，應(yīng)力波傳感器采用夾持安裝的方式（軸承座端蓋處有螺栓），夾持底座通過(guò)螺栓和設(shè)備固定到一起，傳感器實(shí)際固定于夾持底座上。

圖4 TRT狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷

3.2.1 應(yīng)力波能量趨勢(shì)圖。應(yīng)力波能量趨勢(shì)圖通過(guò)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中采集數(shù)據(jù)而生成，它顯示出應(yīng)力波能量隨時(shí)間推移的變化趨勢(shì)，以圖形化的方式表示設(shè)備的健康狀態(tài)、設(shè)備惡化趨勢(shì)及故障發(fā)生時(shí)間點(diǎn)。如圖5所示。

圖5 1#軸瓦應(yīng)力波能量趨勢(shì)圖

1#軸瓦的應(yīng)力波能量存在明顯波動(dòng)，并隨著時(shí)間推移，波動(dòng)幅值逐漸升高，表明1#軸瓦的異常情況逐漸加劇。而2#軸瓦的應(yīng)力波能量相對(duì)較穩(wěn)定。

3.2.2 時(shí)域信號(hào)圖。如圖6 所示，時(shí)域信號(hào)圖中的周期性波峰非常明顯，表明存在周期性的摩擦/沖擊事件。

圖6 1#軸瓦時(shí)域信號(hào)圖

3.2.3 FFT 頻譜。應(yīng)力波分析技術(shù)只檢測(cè)能夠激發(fā)傳感器在超聲波頻段的共振信號(hào)，濾除與設(shè)備故障無(wú)關(guān)的背景噪聲，因此定位設(shè)備故障原因及具體位置時(shí)，只保留純粹的故障信息，從而使故障定位更加精準(zhǔn)。如圖7 所示，F(xiàn)FT 頻譜圖1（應(yīng)力波能量波峰上升后）中出現(xiàn)49.44 Hz 軸頻及其倍頻，幅值為0.066 V，表明軸與軸瓦之間存在碰摩；頻譜圖2（應(yīng)力波能量波峰有明顯上升后）中的49.44 Hz 軸頻及其倍頻幅值增大為0.29 V，表明軸與軸瓦之間碰摩嚴(yán)重。

圖7 1#軸瓦FFT頻譜圖對(duì)比

3.2.4 直方圖。該工具檢測(cè)應(yīng)力波脈沖串中每個(gè)脈沖的峰值幅度，Y 軸表示摩擦事件的數(shù)量，X 軸表示單個(gè)摩擦脈沖的峰值幅度，圖8 所示的1#軸瓦直方圖，偏態(tài)分布非常明顯，且隨著時(shí)間推移，狀態(tài)越來(lái)越差，懷疑1#軸瓦部位存在潤(rùn)滑不良或潤(rùn)滑油污染問(wèn)題，并且未形成有效的油膜。

圖8 1#軸瓦FFT直方圖（存在嚴(yán)重潤(rùn)滑不良或潤(rùn)滑油污染）

3.3 設(shè)備開(kāi)蓋檢修

滑動(dòng)軸承故障發(fā)展至一定階段時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致軸承與軸頸產(chǎn)生接觸摩擦或磨粒磨損[10-12]，基于上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明確體現(xiàn)出軸與軸瓦之間的碰摩逐漸加劇以及潤(rùn)滑不良的情況到了非常嚴(yán)重的程度，設(shè)備管理人員立即安排更換1#軸瓦，隨即將該設(shè)備停機(jī)，開(kāi)蓋檢查1#軸瓦部位是否存在故障。1#軸瓦開(kāi)蓋檢查，該軸瓦的巴氏合金顆粒脫落于潤(rùn)滑油中，造成潤(rùn)滑油污染。由于該故障處理及時(shí)，避免了抱軸、非計(jì)劃停機(jī)等更嚴(yán)重的事故。

4 更換軸瓦后開(kāi)機(jī)過(guò)程分析及處理

4.1 開(kāi)機(jī)過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

更換1#軸瓦后，機(jī)組重新恢復(fù)運(yùn)行，在暖機(jī)過(guò)程中，應(yīng)力波監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，傳感器測(cè)點(diǎn)的布置依然為1#軸瓦、2#軸瓦部位，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析如下：4.1.1 應(yīng)力波能量趨勢(shì)圖。如圖9 所示，從1#、2#軸瓦的應(yīng)力波能量趨勢(shì)圖可以看出，機(jī)組重新開(kāi)機(jī)后，帶載過(guò)程中1#、2#軸瓦應(yīng)力波能量波動(dòng)較大，同時(shí)參照DCS 系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，1 瓦、2 瓦的振動(dòng)值在機(jī)組帶載后持續(xù)上升，綜合應(yīng)力波能量趨勢(shì)以及振動(dòng)值的上升情況，表明1#、2#軸瓦部位均處于不健康狀態(tài)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)人員調(diào)整工藝參數(shù)后，1瓦、2瓦的應(yīng)力波能量值明顯下降且保持平穩(wěn)，同時(shí)DCS 系統(tǒng)中的振動(dòng)值明顯下降且保持平穩(wěn)，表明該監(jiān)測(cè)部位狀態(tài)恢復(fù)穩(wěn)定。

圖9 重新開(kāi)機(jī)過(guò)程中1#軸瓦應(yīng)力波能量趨勢(shì)圖

4.1.2 時(shí)域信號(hào)圖。如圖10 所示，調(diào)整工藝參數(shù)前，1#軸瓦監(jiān)測(cè)部位時(shí)域圖中周期性摩擦/沖擊事件較為明顯，表明軸與軸瓦存在碰摩。調(diào)整工藝參數(shù)后，時(shí)域圖中無(wú)明顯波峰，表明不存在摩擦/沖擊事件，認(rèn)為碰摩現(xiàn)象未再出現(xiàn)。

圖10 1#軸瓦時(shí)域信號(hào)圖對(duì)比

4.1.3 FFT 頻譜。如圖11 所示，調(diào)整工藝參數(shù)前，F(xiàn)FT 頻譜圖1 中出現(xiàn)49.44 Hz 頻率（軸頻）及其倍頻，幅值為0.17 V，表明軸與軸瓦之間存在碰摩；調(diào)整工藝參數(shù)后，F(xiàn)FT 頻譜圖2 中無(wú)明顯波峰存在，表明軸與軸瓦之間碰摩現(xiàn)象消失。

圖11 1#軸瓦FFT頻譜圖對(duì)比

4.1.4 直方圖。如圖12所示，調(diào)整工藝參數(shù)前，直方圖偏態(tài)分布情況較為明顯，表明該監(jiān)測(cè)部位存在潤(rùn)滑不良，懷疑1#軸瓦未形成有效的油膜；調(diào)整工藝參數(shù)后，直方圖2 的分布情況表明滑動(dòng)軸承油膜建立良好，該監(jiān)測(cè)部位恢復(fù)正常的潤(rùn)滑狀態(tài)。

4.2 開(kāi)機(jī)異常分析及處理

機(jī)組帶載后，通過(guò)應(yīng)力波監(jiān)測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)力波能量、時(shí)域信號(hào)、直方圖、頻譜信號(hào)等分析工具均發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)軸承部位潤(rùn)滑不良、軸與軸瓦存在輕微碰摩等異常狀況，判斷受外界干擾力大引起的可能性較小，懷疑軸瓦穩(wěn)定性較差。帶負(fù)荷過(guò)程中狀態(tài)異常是產(chǎn)生了油膜渦動(dòng)，之后額定轉(zhuǎn)速下加勵(lì)磁時(shí)振動(dòng)值產(chǎn)生了大幅增加，也是受油膜渦動(dòng)影響所致。調(diào)整工藝參數(shù)后，帶負(fù)荷運(yùn)行機(jī)組應(yīng)力波能量保持穩(wěn)定，碰摩現(xiàn)象消失，滑動(dòng)軸承恢復(fù)良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，未再出現(xiàn)油膜渦動(dòng)。

圖12 1#軸瓦直方圖對(duì)比

5 總結(jié)

對(duì)高爐工序中的透平發(fā)電機(jī)組在各種工況下表現(xiàn)出的故障特征信息綜合分析，識(shí)別設(shè)備工作狀態(tài)、故障類型和故障的嚴(yán)重程度，并以設(shè)備開(kāi)蓋檢修的情況驗(yàn)證了應(yīng)力波技術(shù)對(duì)于滑動(dòng)軸承軸與軸瓦之間存在嚴(yán)重碰摩、潤(rùn)滑污染、潤(rùn)滑不良等診斷結(jié)論的有效性及準(zhǔn)確性，以此診斷結(jié)論為指導(dǎo)對(duì)機(jī)組滑動(dòng)軸承故障進(jìn)行修復(fù)。并對(duì)更換軸瓦后重新開(kāi)機(jī)過(guò)程中的異常情況分析并進(jìn)行處理，使帶負(fù)荷運(yùn)行機(jī)組恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。該監(jiān)測(cè)診斷案例為湘鋼動(dòng)力廠實(shí)施預(yù)知維修、提高設(shè)備利用率、降低維護(hù)成本、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效益最大化提供了實(shí)踐指導(dǎo)。