火電廠汽輪機常見的振動故障分析及故障診斷技術(shù)

楊 鵬 陳 佳 許文釗

（湖北能源集團(tuán)鄂州發(fā)電有限公司，湖北 鄂州 436032）

汽輪機是火電廠的主要裝置之一，加強機組設(shè)備管理對保障火電廠的生產(chǎn)效益有積極幫助。樹立預(yù)防為主的理念，在監(jiān)控機組設(shè)備運行工況的基礎(chǔ)上，及時發(fā)現(xiàn)異常振動，并進(jìn)一步調(diào)查振動發(fā)生的位置、引發(fā)振動的原因，在完成故障診斷后立即展開維修，才能將異常振動對機組運行造成的不良影響降至最低。轉(zhuǎn)子是汽輪機上的核心零件，轉(zhuǎn)子與靜子發(fā)生碰撞摩擦，或者轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不對中、質(zhì)量不平衡等問題，都會引起汽輪機的異常振動。因此，在開展汽輪機日常檢修時如果發(fā)現(xiàn)有異常振動，應(yīng)重點對轉(zhuǎn)子部分展開分析，在診斷故障原因后采取有效措施予以解決。

1 汽輪機常見振動故障分析

1.1 動靜碰摩故障

為了追求更高的性能與效率，汽輪機的結(jié)構(gòu)組成呈現(xiàn)出精密化、集成化的發(fā)展趨勢，部件之間的間隙變小，在運行時發(fā)生碰撞摩擦的幾率升高。轉(zhuǎn)子與靜子之間的碰撞摩擦是引起汽輪機異常振動一種常見故障形式。正常情況下，轉(zhuǎn)子與靜子的中心相互重合，轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動時不會與靜子直接接觸。但是由于各種因素（如零件老化、磨損等）的影響，轉(zhuǎn)子中心發(fā)生偏離，當(dāng)偏移量達(dá)到一定值后，轉(zhuǎn)子與靜子接觸、摩擦，如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)子碰摩故障的受力示意圖

圖1 中，碰撞摩擦的切向力（FN）和法向力（FT）可表示為：上式中，e 為轉(zhuǎn)子位移，δ 為轉(zhuǎn)子與靜子間距，Kc 為靜子的剛度，f 為轉(zhuǎn)子和靜子之間的動摩擦系數(shù)。其中，e 可根據(jù)轉(zhuǎn)子中心在x 軸和y 軸上的偏移量求得，公式為：

在X-Y 二維坐標(biāo)系中，切向力與法向力的關(guān)系可以表示為：

由于存在sinα=y/e，cosα=x/e，則式（4）可以轉(zhuǎn)化為：

1.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

轉(zhuǎn)子的橫截面為標(biāo)準(zhǔn)的圓形，正常轉(zhuǎn)動時質(zhì)心和圓心在同一點上，保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動平穩(wěn)。相反，如果質(zhì)量中心與圓心不再同一點上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的離心力會呈現(xiàn)出周期性的大小變化，由此引發(fā)周期性振動。其中，離心力（F）主要與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度（ω）、偏心距離（e）和轉(zhuǎn)子偏心質(zhì)量（m）三個因素有關(guān)，可表示為：

造成汽輪機轉(zhuǎn)子不平衡的原因主要有三種：其一是轉(zhuǎn)子原始質(zhì)量不平衡，轉(zhuǎn)子在加工制造時因為工藝不合格，導(dǎo)致局部質(zhì)量偏大或偏小。在低轉(zhuǎn)速下原始質(zhì)量不平衡對振動的影響不明顯，隨著轉(zhuǎn)速增加，因為原始質(zhì)量不平衡導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子振動也會逐漸增加。其二是部件松動或脫落，例如葉片上的圍帶脫落，轉(zhuǎn)子線圈松動等，都會打破原本的質(zhì)量平衡狀態(tài)，進(jìn)而引起振動波動。其三是轉(zhuǎn)子熱彎曲，在彎曲部位質(zhì)量的均勻度和平衡性也會受到嚴(yán)重破壞。

1.3 轉(zhuǎn)子不對中

根據(jù)相鄰轉(zhuǎn)子之間的偏移情況，可以將轉(zhuǎn)子不對中分為3 種情況，即平行不對中（圖2b）、角度不對中（圖2c）和組合不對中（圖2d）。

結(jié)合圖2 可知，平行不對中是相鄰兩個轉(zhuǎn)子的軸線互為平行，但是連接點存在一定的高度差e；角度不對中則是兩個轉(zhuǎn)子的軸線連接點正常，但是兩個轉(zhuǎn)子的軸線成一定的夾角α；組合不對中是同時存在距離和角度不對中的情況，即前面兩種情況的疊加。

圖2 正常轉(zhuǎn)子對中與3 種不對中示意圖

1.4 轉(zhuǎn)子裂痕

造成轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂痕的原因有以下幾種：第一是熱應(yīng)力。汽輪機在運行時，負(fù)荷升降過快，這種情況下轉(zhuǎn)子在高溫與低溫狀態(tài)下頻繁轉(zhuǎn)換。而溫度的快速、反復(fù)變化，會導(dǎo)致金屬材料過快疲勞，并且在不斷的熱脹冷縮中出現(xiàn)裂痕。第二是應(yīng)力集中。轉(zhuǎn)子在加工制造或者安裝時，因為操作不規(guī)范導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部存在應(yīng)力集中情況，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值后會出現(xiàn)裂痕。第三是轉(zhuǎn)子腐蝕。蒸汽中存在雜質(zhì)，在高溫、高壓環(huán)境下這些雜質(zhì)會與轉(zhuǎn)子高速碰撞產(chǎn)生磨蝕，或者是雜質(zhì)本身呈酸性，也會對轉(zhuǎn)子造成腐蝕。根據(jù)裂痕形態(tài)不同，可分為縱向裂痕、螺旋裂痕、軸向?qū)ΨQ裂痕等幾種。

2 汽輪機振動故障診斷技術(shù)

2.1 動靜碰摩的特征表現(xiàn)與診斷方法

了解動靜碰摩的典型特征可以幫助檢修人員初步判斷故障類型。轉(zhuǎn)子與靜子發(fā)生碰摩時主要有以下特征表現(xiàn)：其一是異常振動具有明顯的周期性。這是由轉(zhuǎn)子運行時周期性地與靜子碰撞決定的；其二是碰摩點局部發(fā)熱現(xiàn)象明顯。轉(zhuǎn)子碰撞摩擦靜子時，由于轉(zhuǎn)速較快，加上沒有潤滑油的保護(hù)，干摩擦?xí)?dǎo)致碰撞部位產(chǎn)生大量的熱，因此靜子的碰撞點處的溫度要明顯高于其他位置。根據(jù)上述特征初步確定動靜碰摩故障后，還需要借助于儀器做進(jìn)一步的診斷。通常是使用渦流傳感器采集汽輪機運行是轉(zhuǎn)子的振幅、頻率等參數(shù)型號，然后與正常工況下的參數(shù)進(jìn)行對比，如果發(fā)現(xiàn)參數(shù)有明顯異常可以確定故障類型。

2.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的特征表現(xiàn)與診斷方法

根據(jù)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡下的振動特性可以診斷這一故障。其特征主要表現(xiàn)為：（1）轉(zhuǎn)子的軸心軌跡為橢圓形；（2）轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，振動相位角相對平穩(wěn)；（3）轉(zhuǎn)速與振幅之間呈正相關(guān)，轉(zhuǎn)速增加后振幅也會有所上升。其他的特征參量如特征頻率、矢量區(qū)域等如表1 所示。

表1 轉(zhuǎn)子不平衡故障特征

汽輪機的轉(zhuǎn)子在運行時，不平衡現(xiàn)象無法徹底消除，即頻譜中1x 頻率始終存在。但是只要相位振幅保持在一定范圍內(nèi)，不影響汽輪機的正常運行。在故障診斷時，可以分別測量轉(zhuǎn)子的振動矢量（XN）與通頻矢量（XM），如果兩者存在以下關(guān)系：

并且相位角和幅值沒有動態(tài)變化，則基本能夠確定存在質(zhì)量不平衡現(xiàn)象。

2.3 轉(zhuǎn)子不對中的特征表現(xiàn)與診斷方法

汽輪機組運行時出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不對中時，觀察轉(zhuǎn)子的頻率圖，如果發(fā)現(xiàn)在徑向方向上以2 倍頻為主，1 倍頻和多倍頻為輔，可以診斷為平行不對中。其中，在垂直和水平方向上的振幅越大，說明不對中偏差越嚴(yán)重，據(jù)此可以判斷轉(zhuǎn)子不對中故障的嚴(yán)重程度。如果發(fā)現(xiàn)在軸向方向上以1x 頻率振動，并且聯(lián)軸器處兩個轉(zhuǎn)子的軸向振動相位差達(dá)到π 左右，可診斷為角度不對中。如果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子振動頻率以2 倍頻為主，并且波形穩(wěn)定，聯(lián)軸器兩側(cè)的徑向和軸向相位差在180°左右，可診斷為組合不對中。

2.4 轉(zhuǎn)子裂痕的特征表現(xiàn)與診斷方法

對于轉(zhuǎn)子裂痕也可根據(jù)其特征表現(xiàn)予以診斷。由于轉(zhuǎn)子發(fā)生裂痕后，局部剛度下降，因此整體剛度會表現(xiàn)出不對稱性。當(dāng)轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時，會出現(xiàn)以2x 振動為主的振動模式。轉(zhuǎn)子裂痕的故障特征如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子裂痕特征匯總圖

在故障診斷時，判斷轉(zhuǎn)子運動狀態(tài)是否符合上述頻率特征、時域特征和升速特征，若符合則可診斷為轉(zhuǎn)子裂痕故障。

3 一種汽輪機振動在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)基本組成

以往汽輪機的振動監(jiān)測主要由人工觀測或者借助于儀器設(shè)備來完成，無法實現(xiàn)全天候、動態(tài)化的振動監(jiān)測。為解決這一問題，火電廠可以推廣使用在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，利用工業(yè)以太網(wǎng)將前端的傳感器與工控計算機連接起來，在實時采集前端振動信號的基礎(chǔ)上，由計算機展開分析并判斷有無異常振動，進(jìn)而準(zhǔn)確、及時地識別振動故障。該系統(tǒng)的核心組成有4 部分：

（1）現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊的核心元件為分布在汽輪機各處的振動傳感器，可以全天候、不間斷地采集汽輪機運行期間的振動信號。（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。為減輕工控中心的運行壓力，設(shè)計了本模塊。其作用是對前端采集的振動信號進(jìn)行調(diào)理，包括降噪、濾波、放大等。同時，還能根據(jù)振動信號的來源或類型，將其分類并分別存儲到數(shù)據(jù)庫的不同分區(qū)中，以便于振動故障的追溯和診斷。（3）中心服務(wù)器模塊。核心設(shè)備為1 臺工控計算機，可將前端反饋的振動信號，與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行比對，如果振幅超過標(biāo)準(zhǔn)，則診斷為震動異常故障，實現(xiàn)故障報警。（4）通信模塊。采用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置和中心服務(wù)器的雙向通信。

3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

該系統(tǒng)有兩個功能單元：其一是振動監(jiān)測單元（TSI），可實現(xiàn)軸振監(jiān)測、瓦振監(jiān)測以及軸向位移和脹差監(jiān)測。以軸向位移監(jiān)測為例，在汽輪機轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)水平布置位移傳感器。當(dāng)軸向位移發(fā)生突變時，可以立即報警并停機，避免因為軸向位移偏大而造成動靜部件的摩擦碰撞。其二是振動診斷單元（TDM），可實現(xiàn)對汽輪機常見故障的診斷。采用專家系統(tǒng)基于海量的數(shù)據(jù)樣本訓(xùn)練，能夠根據(jù)振動信號分析結(jié)果，實現(xiàn)對常見故障的準(zhǔn)確判斷。同時還能自動生成故障診斷報告，為技術(shù)人員了解故障原因、制定維修方案提供了必要的依據(jù)。

結(jié)束語

振動故障是火電廠汽輪機日常運行是比較常見的故障形式之一，除了會影響汽輪機的性能、效率外，還有可能導(dǎo)致汽輪機轉(zhuǎn)子失速或破損，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，設(shè)備維修人員應(yīng)熟悉造成汽輪機振動故障的常見原因，掌握診斷方法，在診斷故障后及時采取維修措施，才能保障汽輪機穩(wěn)定運行，維護(hù)火電廠的生產(chǎn)效益。