陳明華，葉劍，肖宇

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

海洋石油大型泵類，如外輸泵、注水泵以及高速渦輪機械類，如燃氣輪機、離心壓縮機都屬于關(guān)鍵動設(shè)備，為保障設(shè)備運行可靠性，普遍應(yīng)用了狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)。這兩類設(shè)備因結(jié)構(gòu)及運行環(huán)境不同，在監(jiān)測硬件系統(tǒng)、軟件工具、數(shù)據(jù)分析特點方面又存在諸多差異，詳述如下。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及運行環(huán)境差異（表1）

表1

2 監(jiān)測系統(tǒng)差異（表2）

表2

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析工具差異（表3）

表3

對于振動監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析方面的差異下文結(jié)合設(shè)備轉(zhuǎn)子簡單模型的轉(zhuǎn)子動力學數(shù)學模型，以不平衡為例進行討論。

對于同樣使用動壓滑動軸承的旋轉(zhuǎn)機械，包括離心泵及離心壓縮機，其簡單模型中在不平衡力作用下強迫振動的振動響應(yīng)數(shù)學表達式，式（1）。

其中，Aejα為振動矢量，α為振動高點位置，δ為質(zhì)量重點位置；m為不平衡質(zhì)量；r為不平衡質(zhì)量距旋轉(zhuǎn)中心距離；Ω為轉(zhuǎn)速，不平衡質(zhì)量與轉(zhuǎn)速同步；K為轉(zhuǎn)子靜態(tài)剛度；M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；D為轉(zhuǎn)子阻尼常數(shù)；λ為油膜流體周向平均速度比。

由式（1）可知，轉(zhuǎn)子的振動大小取決于不平衡力與轉(zhuǎn)子的動態(tài)剛度的比。

海上燃機等高速渦輪機械設(shè)計上均在一階臨界轉(zhuǎn)速上運行，設(shè)K、D、λ為常數(shù)，則僅與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大小相關(guān)；當時，徑向動態(tài)剛度為零，轉(zhuǎn)子共振，振動最大，相位滯后90度。當轉(zhuǎn)速遠大于一階臨界轉(zhuǎn)速時，以轉(zhuǎn)子質(zhì)心為中心旋轉(zhuǎn)，振動大小接近于質(zhì)量偏心距r。

上文假設(shè)轉(zhuǎn)子的剛度、阻尼不變，適用于設(shè)備工作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工況下。在設(shè)備實際運行過程中，隨著轉(zhuǎn)速的變化，轉(zhuǎn)子軸頸在軸承中的位置，即偏心率，始終隨著轉(zhuǎn)子受力變化而不斷調(diào)整。對于橢圓瓦軸承，軸心在啟動過程中，不斷抬升。油膜軸承油膜剛度和阻尼是軸心偏心率非線性函數(shù)關(guān)系，總體上，高偏心率時，油膜軸承剛度大，阻尼大，低偏心率時，剛度小、阻尼小。油膜軸承在轉(zhuǎn)子承受動態(tài)、靜態(tài)載荷是其偏心率也會顯著變化，如，進氣載荷、不對中和齒輪嚙合力施加的載荷等，因此，油膜軸承不論是在起停車，還是在定速運轉(zhuǎn)的過程中，其剛度和阻尼是動態(tài)變化的，并影響動態(tài)剛度、臨界轉(zhuǎn)速和振型，并最終影響振動幅值的大小。

海上大多數(shù)離心泵轉(zhuǎn)子支撐軸承為滾動軸承，其振動響應(yīng)的數(shù)學表達式可簡化為公式（3）。

海上平臺離心泵與高速渦輪機械不同，工作于轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速之下為剛性轉(zhuǎn)子，只有當靜態(tài)剛度K發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)子振動才會進入共振影響區(qū)域。由此可知，剛性軸滾動軸承的泵類，工作轉(zhuǎn)速運行時，振幅大小主要受激振力不平衡力大小、轉(zhuǎn)子軸系的靜態(tài)剛度影響，轉(zhuǎn)子振動矢量與激振力之間的夾角近似為零，因此很少用到瞬態(tài)分析工具分析離心泵啟停車過程的瞬態(tài)振動響應(yīng)。

4 監(jiān)測與診斷評估標準異同（表4）

表4

5 結(jié)語

綜上，離心泵與高速渦輪機械的振動監(jiān)測技術(shù)存在諸多差異，對高速渦輪機械進行數(shù)據(jù)分析除了監(jiān)測正常運行條件下的振動數(shù)據(jù)外，還應(yīng)關(guān)注以下數(shù)據(jù)。

（1）設(shè)備啟停車瞬態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）觀察設(shè)備慢滾動矢量數(shù)據(jù)及其變化。

（3）關(guān)注設(shè)備運行過程的操作、工藝量數(shù)據(jù)、振動數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)變化情況。

（4）觀察設(shè)備較長時間段的振動矢量幅值與方向變化趨勢。

必要時，還應(yīng)進行與故障診斷相關(guān)單位專項測試，主要包括以下測試。

（1）機組升、降速振動試驗，以確定機組實際軸系臨界轉(zhuǎn)速及過臨界的振動特性。

（2）發(fā)電機的勵磁電流試驗，判斷機組故障時電氣故障還是機械故障。

（3）汽輪機組的有功負荷試驗，判斷機組負荷調(diào)整過程中，汽輪機機械狀態(tài)和熱狀態(tài)變化對機組振動的影響。

（4）軸承動剛度測試及軸承座外部振動特性試驗，測量軸承及其連接部位的振動，以確定其振動特性和連接狀況。

（5）結(jié)構(gòu)固有頻率測試，確定軸承座，端蓋等固定鋼結(jié)構(gòu)固有頻率，確定是否存在結(jié)構(gòu)共振。

（6）機組軸系動態(tài)標高試驗，測量機組在升、降速和帶負荷過程中軸系個軸承標高的變化。