薛潤鋒,李強,任鵬

(陜煤集團榆林化學(xué)責(zé)任有限公司,陜西 榆林 719000)

1 機械設(shè)備故障診斷常用圖譜介紹

1.1 診斷趨勢圖

當(dāng)機組正常工作時,我們可以使用趨勢圖來捕捉和記錄機器的頻率、振幅、相位等參數(shù)的變化情況。這個圖表用時間的變化來表示,而振幅、頻率和其他參數(shù)則用來描述這些變化。通過分析機組振動的時間、負(fù)荷、軸位移和其他工藝參數(shù)的變化,這種圖表可以清晰地展示出機組的運行情況,為運行管理人員提供了一個可靠的參考依據(jù)。

1.2 波形頻譜圖

通過對振動信號的分析,可以從時域波形圖中獲取有關(guān)振幅、周期 、相位以及波形形狀及其變化的重要信息。通過使用這些數(shù)據(jù),我們可以更好地分析和探索振動的原因和機制。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于動態(tài)失衡狀態(tài)時,其波形圖將會表現(xiàn)出接近等幅正弦波的特征;當(dāng)處于不利狀態(tài)時,波峰會增加,整體波形會變得平滑而穩(wěn)定;當(dāng)存在摩擦和磨損時,波峰會變得更加明顯,波形變得不穩(wěn)定,甚至可能出現(xiàn)削波;在自激振動中,波形會變得混亂 ,重復(fù)性較差,波動幅度較大;通過傅里葉級數(shù)展開,我們可以獲得復(fù)雜的非諧和的周期性振動信號,這些信號包含了一系列不同的頻率成分。通過FFT處理,可以獲得振動波形的頻譜分布,從而更加直觀地展示出振動的頻率結(jié)構(gòu)。常用頻譜圖主要有0.5倍頻頻譜圖,1倍頻頻譜圖,2倍頻頻譜圖及多倍頻頻譜圖。如存在油膜渦動情況下,振動頻率主要以0.5倍頻為主,對中不良情況下,振動頻率主要以2X頻為主。

1.3 波德圖

波德圖描繪了機器振動幅值和相位與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)聯(lián),其中,轉(zhuǎn)速作為橫軸,而振幅的-峰值則作為縱軸,兩者之間的差異可以通過圖表清晰地表現(xiàn)出來。通過波徳圖,我們可以獲得有關(guān)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下振幅和相位的詳細(xì)信息;臨界轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一個重要參數(shù);轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的共振放大系數(shù)可以顯著改善系統(tǒng)的性能;通常,小型機組的Q值在3～5之間,甚至更小,而大型機組的Q值則在5～7之間;如果超過了上述數(shù)值,那么這個地方可能是不安全的;4轉(zhuǎn)子振動模式,該系統(tǒng)具有阻尼量;轉(zhuǎn)子的機械和電氣性能的變化程度可以通過測量來評估;是否存在轉(zhuǎn)子的熱彎曲現(xiàn)象。

1.4 頻譜瀑布圖

通過在停機或正常運行狀態(tài)下連續(xù)測量一組頻譜圖,并將其按時間順序排列組合,我們可以得到一幅三維頻譜瀑布圖。在頻譜瀑布圖中,Z軸代表著同一時間段內(nèi)頻率相同的譜線,而且它們是平行的。圖表顯示了不同頻率振幅隨時間的變化趨勢,從而可以清楚地看出其變化規(guī)律。通過頻譜瀑布圖可以直觀看出某一時間段振動變化情況。

1.5 極聯(lián)圖

當(dāng)后停機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時,極聯(lián)圖就會以一系列的三維譜圖形式呈現(xiàn),這些譜圖由不同的頻率所構(gòu)成。該物體的Z軸表示其轉(zhuǎn)速,而其他頻率的軸線則呈現(xiàn)出一條從0點開始向外傾斜的曲線。通過分析振動和轉(zhuǎn)速的變化,我們可以更加直觀地了解故障原因。通過觀察該圖,可以清楚地了解轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下的振動頻譜變化,從而確定轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、振動幅值、半速渦動或油膜振蕩的發(fā)生及其發(fā)展規(guī)律。

1.6 軸心位置圖

通過繪制軸心位置圖,我們可以清楚地看到軸頸與軸承之間的關(guān)系。通過觀察這張圖表,我們可以確定轉(zhuǎn)子在軸承內(nèi)的穩(wěn)定位置,從而確定軸頸的狀態(tài)。如果軸心偏離預(yù)期的位置,則表明軸承已經(jīng)發(fā)生了異常,這將會影響到轉(zhuǎn)子的性能和精度,同時也會影響到軸瓦的使用壽命和變形情況。當(dāng)軸心位置發(fā)生變化時,這意味著轉(zhuǎn)子的不穩(wěn)定性已經(jīng)開始出現(xiàn)。經(jīng)過精確的軸頸中心位置檢測與分析,我們能夠及早發(fā)現(xiàn)潛在的故障,并采取有效的措施進行早期預(yù)警。通常,軸心的傾斜度應(yīng)當(dāng)介于20～50°之間。

1.7 軸心軌跡圖

通常來說,軸心軌跡描述了轉(zhuǎn)子中的某個部分沿著與軸線垂直的平面移動的情況。一般來說,轉(zhuǎn)子的振動信號不僅僅包括由不均勻性導(dǎo)致的基頻振動,而且還會受到油膜渦流、油膜振蕩、氣體激勵、摩擦、不對稱和嚙合等多種因素的影響,產(chǎn)生出多樣的諧波、亞異步和高次諧波振動,從而導(dǎo)致軸心軌跡的形態(tài)呈現(xiàn)出多樣性,有時甚至?xí)@得極為混沌?！跋憬秷D”,“8字圖”是一種常見的軸心軌跡圖,它可以用來描述軸心的位置變化。當(dāng)軸心軌跡圖呈香蕉圖時,表明它處于中度位置變化,而8字圖則表明它處于嚴(yán)重位置變化。在局部碰磨時,會出現(xiàn)多個連環(huán)狀小圈,而油膜渦動則會呈內(nèi)8字形。

2 汽輪機組試開車情況

陜煤集團榆林化學(xué)180萬t/a乙二醇項目草酸二甲酯(DMO)裝置共配套9臺CO循環(huán)氣壓縮機組,均由陜鼓成套供貨,其中汽輪機為杭汽EHNK40/37/60抽汽凝汽式汽輪機,額定功率9 169 kW,設(shè)計進汽壓力10.75 MPa,溫度513 ℃。項目于2022年12月25日開車成功并滿負(fù)荷運行。CO壓縮機組自試車以來,九臺機組運行情況均存在汽輪機前后貓爪頂死情況,熱態(tài)停機后盤車振動高,多次出現(xiàn)啟機過程中振動高或高高聯(lián)鎖停機情況;其中1#CO壓縮機組汽輪機因振動高被迫解體檢修一次;2022年11月13日,4#CO壓縮機組啟機過臨界轉(zhuǎn)速時汽輪機驅(qū)動端VISA204D振動達到100 μm聯(lián)鎖停機;2023年2月17日,5#CO壓縮機組因壓縮機儀表故障造成聯(lián)鎖停機,停機3 h后儀表故障解決后重新熱態(tài)啟機,啟機過程中在二階暖機(2 400 r/min)轉(zhuǎn)速時出現(xiàn)汽輪機非驅(qū)動端振動不斷升高情況,待振動漲至53 μm時拍停機組。

3 1#CO汽輪機運行振動高問題分析及處理

3.1 事件經(jīng)過

2022年8月29日3:50 1#CO循環(huán)氣壓縮機組開車,6:45機組升速至正常工作轉(zhuǎn)速4 800 r/min,啟機階段及運行初期機組振動穩(wěn)定,汽輪機非驅(qū)動端(高壓側(cè))振動在VISA201(X方向)和VISA201(Y方向)均為20 μm左右,驅(qū)動端(排汽側(cè))振動在VISA203(X方向)為9 μm左右,VISA204(Y方向)為13 μm;運行至9月1日14:24,隨著壓縮機緩慢提負(fù)荷過程中機組振動小幅度波動一次后呈緩慢上漲趨勢,其總體較開車初期上漲約4～5 μm,期間振動相位穩(wěn)定;到9月3日15:05,機組再次提負(fù)荷時振動突然出現(xiàn)一次較大幅度波動,非驅(qū)動端振幅VISA201最大漲至35 μm,驅(qū)動端振幅VISA203最大漲至20 μm,同時振動相位角也有升高,振動趨勢變化主要因1倍頻變化引起; 9月4日機組轉(zhuǎn)速降至4 500 r/min后汽輪機振動開始出現(xiàn)大幅度波動,波動頻次明顯升高,振幅最高達45 μm,期間振動相位角、1倍頻振動波動較大,機組于9月5日停車。期間趨勢分別見下述圖譜:振動趨勢圖(圖1)、振動頻譜圖(圖2)、1倍及相位角變化趨勢圖(圖3)。

經(jīng)過處理后，模型（Ⅲ）即為考慮風(fēng)險厭惡因子和單個資產(chǎn)投資比例控制因素而建立的新模型（Ⅱ）的具體形式，模型更清晰、更具有可計算性。

圖1 8月29日～9月5日1#CO循環(huán)氣壓縮機組汽輪機振動趨勢圖

圖2 8月29日～9月5日1#CO循環(huán)氣壓縮機組汽輪機振動頻譜圖

圖3 8月29日～9月5日1#CO循環(huán)氣壓縮機組汽輪機1倍頻振動及相位角趨勢圖

9月16日12:22 1#CO循環(huán)氣壓縮機組重新啟機運行,啟機過程中汽輪機振動正常,在最低運行轉(zhuǎn)速4 050 r/min時,汽輪機高壓側(cè)VISA201(X方向)振動28.8 μm,VISA202(Y方向)振動32.5 μm,排氣側(cè)VISA203(X方向)振動14.4 μm,VISA204(Y方向)振動19.2 μm,兩個方向振幅偏差較之前明顯增大。15:24機組轉(zhuǎn)速提速至4 300 r/min,振動開始大幅度波動,然后機組降速至4 050 r/min,運行至16:27再次提速至4 300 r/min,振動再次上漲至42 μm,只能將汽輪機轉(zhuǎn)速降至4 050 r/min,但是此次降速后汽輪機振動波動一直波動較大,高壓側(cè)振幅最大波動至52.7 μm,機組于9月17日21:38停機。期間機組振動趨勢見圖4。

9月30日21:54 1#CO循環(huán)氣壓縮機組再次啟機,在4 500 r/min下高壓側(cè)(非驅(qū)動端)振動已超過50 μm,驅(qū)動端振動上漲至30 μm左右,總體情況較上次啟機后情況更加惡化,在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定情況下振動最大波動至85.2 μm,為確保機組長周期運行,機組只能停機并按計劃進行汽輪機開缸檢修。期間振動趨勢見圖5。

圖4 9月16日～17日1#CO循環(huán)氣壓縮機組汽輪機趨勢圖

圖5 9月30日～10月3日1#CO循環(huán)氣壓縮機組汽輪機振動趨勢圖

對 8月29日～9月5日汽輪機振動變化與負(fù)荷變化時間進行分析,汽輪機振動開始小幅度波動及上漲主要因機組負(fù)荷增加,汽輪機轉(zhuǎn)子阻尼增大,轉(zhuǎn)子受力改變引起汽輪機振動上漲,當(dāng)汽輪機振幅增大至某一點位后,汽輪機出現(xiàn)動靜碰磨引起振動大幅度變化。再通過機組在線狀態(tài)監(jiān)測圖譜對汽輪機振動進行分析,從頻譜圖看汽輪機振動主要為1倍頻分量,同時伴有2倍、3倍、4倍等高倍頻分量,并且振動大幅度波動時主要為1倍頻及相位角變化,是汽輪機摩擦振動的典型特征,由此同樣可得出汽輪機振動波動是因動靜碰磨引起。

對9月16日～10月3日汽輪機運行振動進行分析,9月16日再次啟機后汽輪機X向與Y向振動偏差明顯增大,分析認(rèn)為直接原因為汽輪機轉(zhuǎn)子與汽缸或軸承相對中心位置變化引起。從9月16日啟機到9月17日汽輪機軸心位置圖(圖6)可看出,轉(zhuǎn)子相對中心位置向下位移91 μm,也可說明汽輪機轉(zhuǎn)子中心跑偏。

圖6 9月16日～9月17日汽輪機軸心位置圖

3.2 拆檢發(fā)現(xiàn)問題

對1#CO壓縮機組汽輪機發(fā)現(xiàn)如下問題:

(1)汽輪機汽缸向右側(cè)橫向位移(由機頭位置向后分左右),肉眼觀測左側(cè)間隙幾乎沒有,右側(cè)間隙很大。打表測量R3數(shù)據(jù)中心偏移0.08 mm;

(3)汽輪機轉(zhuǎn)子汽封片及持環(huán)汽封片磨損,從前端到后端汽封片都有,靠近蒸汽室和前汽封處磨損嚴(yán)重;

(4)汽輪機轉(zhuǎn)子偏中間段2個部位軸跳動值0.05 mm(出廠值0.02 mm),主軸有輕微彎曲;

(5)拆檢過程中發(fā)現(xiàn)汽輪機下缸抽氣位置持環(huán)汽封體疑有水漬痕跡;

(6)汽輪機下汽缸排缸位置持環(huán)有明顯碰磨痕跡。

3.3 原因分析

針對以上拆檢發(fā)現(xiàn)問題,均已印證了汽輪機振動高直接原因為動靜摩擦及汽輪機轉(zhuǎn)子中心跑偏,在實際運行過程中造成以上問題的原因分析如下:

(1)管道應(yīng)力:蒸汽管道受熱膨脹,對汽缸產(chǎn)生的應(yīng)力過大,導(dǎo)致汽缸出現(xiàn)位移引起動靜間隙變化。汽輪機主蒸汽入口剛好連接在缸體右側(cè),符合拆檢發(fā)現(xiàn)汽缸右側(cè)間隙比左側(cè)大現(xiàn)象,同時自由狀態(tài)下復(fù)查管道應(yīng)力,連接法蘭同心度較差,由此確認(rèn)管道應(yīng)力是造成汽缸跑偏的主要原因。管道應(yīng)力過大的原因有:一是蒸汽管道升溫過快或蒸汽管道暖管過程中發(fā)生液擊均可產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力導(dǎo)致汽缸位移,實際為出現(xiàn)過此問題;二是蒸汽管道支吊架施工不規(guī)范,導(dǎo)致管道應(yīng)力與設(shè)計不符,重新調(diào)整彈簧支架后恢復(fù)正常。

(2)上下汽缸溫差過大:拆檢發(fā)現(xiàn)下汽缸中抽段位置持環(huán)汽封體上有水漬,考慮到汽輪機中抽蒸汽未投用,打開中抽止逆閥前疏水導(dǎo)淋確實排出大量凝結(jié)水,引起上下缸體溫差過大,汽缸膨脹不均勻也是汽輪機振動高原因。

(3)汽輪機蒸汽參數(shù)影響:該系列汽輪機正常輸出功率為6 500 kW,轉(zhuǎn)子質(zhì)量相對較輕,用高參數(shù)蒸汽暖機過程中轉(zhuǎn)子受熱膨脹速度較快,汽輪機漲差過大就會造成汽輪機動靜碰磨,同時該汽輪機未配置排汽缸噴淋裝置,暖機過程中汽輪機排汽溫度升高,汽缸整體上移,改變軸系中心導(dǎo)致機組振動增加。

(4)汽輪機安裝問題產(chǎn)生振動,外部因素排查主要有:貓爪下方墊片是否均勻,上方蝶型墊片是否按出廠間隙值調(diào)整,貓爪下方頂絲及軸承座周圍頂絲是否已松開。排汽膨脹節(jié)鎖緊螺栓是否已完全脫開。汽輪機單機試車時試車平衡盤安裝是否正常。彈簧支架銷子是否拆除。振動產(chǎn)生時軸瓦溫度的變化,用于判斷是否因軸瓦問題引起振動,檢查推力瓦間隙有無變化。

3.4 故障處理及預(yù)防措施

(1)本次檢修主要完成磨損部件更換修復(fù)、轉(zhuǎn)子動平衡修復(fù)、轉(zhuǎn)子重新安裝找中心及主蒸汽管道重新調(diào)整消除管道應(yīng)力等工作,檢修后汽輪機整體運行平穩(wěn)。

(2)主蒸汽管道暖管時要嚴(yán)格控制暖管升溫、升壓速率,速率過快會造成管道應(yīng)力從而影響機組穩(wěn)定運行。S1蒸汽暖管升壓速率:鍋爐0.049 MPa/min、外管小于0.1 MPa/min。復(fù)核機組臨界轉(zhuǎn)速區(qū)是否合理滿足出廠技術(shù)要求。

(3)汽輪機暖機過程中加強缸體疏排水,防止造成上下缸溫差過大引起膨脹不均勻或造成水擊,同時日常檢查過程中要加強汽輪機保溫層檢查,保溫不良也會造成膨脹不均。

(4)在冷態(tài)啟動過程中,為了減少蒸汽參數(shù)的影響,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低蒸汽壓力,因為高溫蒸汽與溫度較低的部件接觸,會使蒸汽凝結(jié),從而使部件表面溫度迅速升高, 當(dāng)溫度達到與節(jié)流后蒸汽壓力相應(yīng)的飽和溫度時,蒸汽的傳熱就會變?yōu)閷α鞣艧?而且由于凝結(jié)放熱系數(shù)遠(yuǎn)大于對流放熱系數(shù),且隨著壓力的升高,凝結(jié)放熱系數(shù)也會增大,因此,應(yīng)當(dāng)使用低壓蒸汽來啟動汽輪機,以減少蒸汽參數(shù)的影響,從而達到冷態(tài)啟動的目的。當(dāng)構(gòu)件受熱時,溫度變化速度較慢,因此不會導(dǎo)致過大的溫差和熱應(yīng)力。

(5)啟機過程中加強監(jiān)測排汽缸溫度,嚴(yán)格控制排汽溫度≤120 ℃,根據(jù)多次啟機發(fā)現(xiàn),汽輪機低速暖機60 min時排汽缸溫度可達到120 ℃,當(dāng)溫度達到此溫度時就進入下一階暖機轉(zhuǎn)速汽輪機整體運行穩(wěn)定。

4 結(jié)語

上述汽輪機故障案例是受設(shè)計、安裝、使用等多方面缺陷影響,設(shè)備管理是全壽命周期管理,只有設(shè)計選型合理,安裝質(zhì)量控制優(yōu)良及正確的操作使用才能確保關(guān)鍵設(shè)備的長周期穩(wěn)定運行。