盧艷雙

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司熱電部，上海 200540)

轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見(jiàn)故障之一，也是造成轉(zhuǎn)子部件過(guò)早損壞的主要原因。動(dòng)平衡的方法有平衡機(jī)上動(dòng)平衡與現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡兩大類(lèi)，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是指旋轉(zhuǎn)設(shè)備在正常安裝運(yùn)行的條件下或模擬現(xiàn)場(chǎng)工作條件，對(duì)整機(jī)由不平衡所引起的振動(dòng)大小和相位進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)加試重和配重的方法，不斷去除轉(zhuǎn)子的不平衡量，最終使轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡[1]。

1 設(shè)備概述

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)熱電部汽機(jī)聯(lián)合裝置的6號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組由上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，為CC100—8.83/3.8/1.47型雙缸、雙排汽、雙抽汽、冷凝式汽輪機(jī)，額定負(fù)荷100 MW,額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。汽缸分為高中壓缸和低壓缸兩部分，高中壓缸是單層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部裝了高壓噴嘴室、中壓噴嘴室、四級(jí)持環(huán)、平衡活塞汽封和前后汽封等套；低壓缸為雙層缸結(jié)構(gòu)，有外缸和內(nèi)缸，通流部分內(nèi)裝有左右各六級(jí)壓力級(jí)。在高中壓缸和低壓缸之間由兩根有柔性補(bǔ)償能力的聯(lián)通管連接。機(jī)組軸系共有5套徑向支撐軸承，其中高壓轉(zhuǎn)子為單支撐結(jié)構(gòu)，排汽端通過(guò)剛性聯(lián)軸器由2#瓦提供支撐，軸承布置情況見(jiàn)圖1。

機(jī)組在每個(gè)軸承上配置X、Y兩個(gè)渦流傳感器，監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子的相對(duì)振動(dòng)，信號(hào)經(jīng)汽輪機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)(TSI)輸入到振動(dòng)分析儀進(jìn)行分析診斷。

圖1 6號(hào)機(jī)組軸承布置

1.2 檢修后設(shè)備的運(yùn)行情況

6號(hào)機(jī)組于2019年進(jìn)行過(guò)大修，在大修期間將低壓轉(zhuǎn)子返上海汽輪機(jī)廠進(jìn)行末級(jí)葉片更新，即將原來(lái)水蝕嚴(yán)重的葉片更換為耐水蝕葉片。更換葉片后，低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行了高速動(dòng)平衡試驗(yàn)，合格后安裝至原機(jī)組。大修后機(jī)組啟動(dòng)沖轉(zhuǎn),升速過(guò)程中振動(dòng)報(bào)警，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。該機(jī)組運(yùn)行中的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)為：X向與Y向的振動(dòng)報(bào)警值為127 μm,保護(hù)動(dòng)作值為254 μm，3號(hào)軸承X向和Y向軸承振動(dòng)超報(bào)警值。在運(yùn)行中對(duì)各工況點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整、試驗(yàn)，3號(hào)軸承X向振動(dòng)穩(wěn)定在130 μm左右，3號(hào)軸承Y向振動(dòng)穩(wěn)定在150 μm左右，就地測(cè)量各軸承座垂直、水平、軸向振動(dòng)均在50 μm以下。

表1 6號(hào)機(jī)組大修后啟動(dòng)時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù) μm

2 機(jī)組軸承振動(dòng)超標(biāo)原因分析

2.1 時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)的處理

信號(hào)的處理與分析是進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的前提與基礎(chǔ)。由振動(dòng)傳感器輸出的模擬電信號(hào)，盡管可以直接提供一些信息，但往往十分有限，必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚?，才能表現(xiàn)出可供分析的特征信息。

信號(hào)的頻域特性有著具體的物理意義。振動(dòng)信號(hào)的頻域分析比時(shí)域分析更能揭示出各種振動(dòng)故障的基本特性。因此，通常需要將振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域信號(hào)(即信號(hào)是時(shí)間變量的函數(shù))通過(guò)數(shù)學(xué)處理的方法變換為頻域信號(hào)(即信號(hào)以頻率為獨(dú)立變量)，然后進(jìn)行分析，這種方法稱為頻譜分析。

對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域變換所使用的數(shù)學(xué)處理方法是快速傅里葉變換技術(shù)(FFT)。FFT通過(guò)計(jì)算機(jī)微處理器將測(cè)量到的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，從而使組成總振動(dòng)的各個(gè)頻率的振動(dòng)分量變得一目了然，便于查找振動(dòng)原因。通頻振動(dòng)是由各頻率振動(dòng)分量相互迭加而成的總振動(dòng)，振動(dòng)波形是復(fù)雜的波形。選頻振動(dòng)是經(jīng)過(guò)FFT快速傅里葉變換技術(shù)從通頻振動(dòng)時(shí)域信號(hào)中所分解出來(lái)的、振動(dòng)波形是單一正弦波的、某一確定頻率的振動(dòng)，如工頻、2倍頻、0.5倍頻等等。選頻原理見(jiàn)圖2。

圖2 振動(dòng)信號(hào)選頻原理

2.2 不平衡引起振動(dòng)的機(jī)理及診斷

2.2.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械不平衡引發(fā)故障的種類(lèi)

轉(zhuǎn)子不平衡按發(fā)生過(guò)程可以分為初始不平衡、漸發(fā)性不平衡和突發(fā)性不平衡。其中，初始不平衡是由制造誤差、裝配誤差、材質(zhì)不均勻、動(dòng)平衡不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻?，其表現(xiàn)為初次開(kāi)車(chē)時(shí)振動(dòng)就較大；漸發(fā)性不平衡是由介質(zhì)對(duì)轉(zhuǎn)子的不均勻性結(jié)垢、腐蝕、沖刷以及轉(zhuǎn)子的磨損等原因造成的，其表現(xiàn)為振動(dòng)值隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而逐步緩慢增大；突發(fā)性不平衡則是由轉(zhuǎn)子上零部件損壞后脫落或異物進(jìn)入后卡死附著等原因所造成的，其表現(xiàn)為振動(dòng)值突然顯著增大后又有所降低，然后大致停留在一個(gè)比原振動(dòng)值高的新水平上，在轉(zhuǎn)速不變的情況下振動(dòng)值或緩慢上升，或保持恒定不變。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械不平衡故障的診斷

(1)旋轉(zhuǎn)機(jī)械不平衡引起的振動(dòng)信號(hào)特征

旋轉(zhuǎn)機(jī)械不平衡引起的振動(dòng)信號(hào)主要有以下特征：

①通頻時(shí)域波形圖為近似的等幅正弦波；

②頻譜圖上，工頻成分為主，其他頻率成分相對(duì)較少；

③軸心軌跡圖為一個(gè)穩(wěn)定的、長(zhǎng)短軸相差不大的橢圓；

④工頻趨勢(shì)圖上，初始不平衡時(shí)初次開(kāi)車(chē)后振動(dòng)值就大，漸發(fā)性不平衡時(shí)振動(dòng)值逐步緩慢增大(其間有時(shí)可能有所降低)，相位同時(shí)產(chǎn)生較小的相應(yīng)變化，突發(fā)性不平衡時(shí)振幅突然顯著增大、相位也同時(shí)突變；

⑤旋轉(zhuǎn)方向上(徑向)各點(diǎn)的振動(dòng)存在相位差。

(2)不平衡故障與其他原因故障的信號(hào)區(qū)分

由于不平衡故障的特征頻率是工頻，而旋轉(zhuǎn)機(jī)械主要振動(dòng)頻率成分是工頻的各類(lèi)故障，有很多，因此單憑工頻成分這一特征是無(wú)法做出轉(zhuǎn)子不平衡結(jié)論的，這就需要結(jié)合方向性、轉(zhuǎn)速、相位等因素進(jìn)行區(qū)分。

①?gòu)澢?lèi)故障：彎曲類(lèi)與不平衡的主要區(qū)別是彎曲類(lèi)振動(dòng)還存在較大的軸向工頻振動(dòng)。此外，轉(zhuǎn)速變化時(shí)，永久性彎曲相位不變，臨時(shí)性彎曲相位變化不明顯；角度不對(duì)中時(shí)，聯(lián)軸器兩側(cè)徑向振動(dòng)相位相同。

②偏心類(lèi)故障：如軸承偏心、轉(zhuǎn)動(dòng)部件偏心、電機(jī)氣隙不均等，與不平衡的主要區(qū)別是偏心類(lèi)振動(dòng)振幅值隨負(fù)荷而變化，對(duì)轉(zhuǎn)速變化不敏感。

③變形類(lèi)故障：如機(jī)殼、支座、基礎(chǔ)的變形、松動(dòng)、裂紋等。此類(lèi)振動(dòng)的工頻幅值與負(fù)荷、轉(zhuǎn)速的關(guān)系均不明顯。變形類(lèi)故障使機(jī)組的支撐剛度在某一方向上明顯削弱，因此，相關(guān)各點(diǎn)的振動(dòng)均在此方向上明顯較大、相位一致；而不平衡引起的振動(dòng)，同一軸承的不同測(cè)點(diǎn)和兩端軸承的同方向測(cè)點(diǎn)都存在相位差。

④共振類(lèi)故障：如基礎(chǔ)共振、工作轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)等?；A(chǔ)共振使機(jī)組各點(diǎn)都以同一頻率、同一相位進(jìn)行振動(dòng)，而不平衡造成的振動(dòng)各點(diǎn)都存在相位差。

2.3 機(jī)組振動(dòng)異常原因分析

2.3.1 振動(dòng)信號(hào)特征

(1)波形圖近似為等幅正弦波(以3X振動(dòng)為例)，額定轉(zhuǎn)速帶負(fù)荷運(yùn)行情況下振動(dòng)平穩(wěn)，具體見(jiàn)圖3。

圖3 額定負(fù)荷時(shí)振動(dòng)情況

(2)振動(dòng)頻譜分析，主要成分是工頻(以3X振動(dòng)為例)，見(jiàn)圖4。

圖4 3X振動(dòng)頻譜圖

(3)振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化特征明顯，在900 r/min時(shí)，相頻圖中相位發(fā)生急劇變化，表明此處有明顯臨界點(diǎn)，低轉(zhuǎn)速振動(dòng)很小，在1 000 r/min前，振動(dòng)幅值僅約為20 μm。相頻圖和幅頻圖見(jiàn)圖5～6。

(4)停機(jī)過(guò)程從瀑布圖看，在每個(gè)轉(zhuǎn)速下，振動(dòng)的主要頻率均為工頻。

圖5 相頻圖

圖6 幅頻圖

2.3.2 機(jī)組振動(dòng)原因分析

從實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)看，振動(dòng)的波形圖為近似正弦波；振動(dòng)頻譜單一，基本為工頻；振幅隨轉(zhuǎn)速變化而改變的特征明顯，在低轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)很小，以上情況符合轉(zhuǎn)子初始質(zhì)量不平衡特征，從而確定該機(jī)組振動(dòng)為轉(zhuǎn)子初始質(zhì)量不平衡類(lèi)型。

該機(jī)組在大修前振動(dòng)水平良好，最近一次大修時(shí)低壓轉(zhuǎn)子換過(guò)葉片，做過(guò)低壓轉(zhuǎn)子的高速動(dòng)平衡試驗(yàn)，且殘余不平衡量符合要求。而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子沒(méi)有做過(guò)動(dòng)平衡，所以初步分析為低壓轉(zhuǎn)子的殘余不平衡量方向與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的殘余不平衡量為同一側(cè)，導(dǎo)致振動(dòng)偏大。

3 改進(jìn)措施的制定、實(shí)施和效果

轉(zhuǎn)子初始質(zhì)量不平衡，需在轉(zhuǎn)子上安裝重塊抵消初始質(zhì)量不平衡。6號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系由3根轉(zhuǎn)子組成，不具備在平衡機(jī)上進(jìn)行動(dòng)平衡的條件，因此需要開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡。根據(jù)制造廠資料，低壓轉(zhuǎn)子第1階臨界轉(zhuǎn)速為1 940 r/min，至3 000轉(zhuǎn)時(shí)其實(shí)已主要受第二階臨界的影響，因此按反對(duì)稱方式加重。在低壓轉(zhuǎn)子平衡塊槽內(nèi)進(jìn)行第一次試加重，在2#瓦和3#瓦處加重方案見(jiàn)圖7所示。

(a)2#瓦處 (b)3#瓦處

第一次沖轉(zhuǎn)后，2號(hào)軸承的振動(dòng)有明顯下降，3號(hào)軸承的振動(dòng)無(wú)明顯改善。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。經(jīng)重新核算，在機(jī)組停機(jī)冷卻后進(jìn)行第二次加重，在2#瓦和3#瓦處加重方案見(jiàn)圖8所示。加重調(diào)整后沖轉(zhuǎn)，振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，轉(zhuǎn)速均為3 000 r/min。該機(jī)組3號(hào)軸承的軸振有明顯下降，所有軸承振動(dòng)已達(dá)到合格水平，達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡降低機(jī)組振動(dòng)的目的。

(a)2#瓦處 (b)3#瓦處

表2 機(jī)組兩次加重與在線動(dòng)平衡前振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比 μm

4 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)問(wèn)題的原因有很多，不能僅從單根轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡角度考慮，要考慮整個(gè)軸系的整體情況，借助頻譜分析，查找振動(dòng)的真實(shí)原因，并制定針對(duì)性措施。在不開(kāi)缸情況下開(kāi)展在線動(dòng)平衡工作，不僅節(jié)約了開(kāi)缸成本，也大大縮短了在線動(dòng)平衡時(shí)間，解決了威脅機(jī)組安全運(yùn)行的振動(dòng)問(wèn)題。