汽轮机振动故障诊断与分析

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振动对机组的危害
汽轮机、发电机都属于旋转机械，是干熄焦行业的关键设备。一旦出现故障，会带来严重的经济损失。机组容量越大，经济损失越大。

振动在设备故障重占了很大比重，是影响设备安全、稳定运行的重要因素。振动是设备的“体温计”，直接反应设备的健康状况，是设备安全评估的重要指标。

一、振动对机组的危害
振动对机组安全、稳定运行的危害主要表现在:
(1)振动过大将导致轴承乌金疲劳损坏。图1给出了某台机组轴承乌金损坏图片。

图1 轴承乌金疲劳碎裂

(2)过大振动会导致通流部分摩擦,严重是时会导致大轴弯曲.数据统计表明,汽轮发电机组60%以上的大轴弯曲事故就是由于动静碰磨引起的。图2给出了某台机组汽封损坏图片。图3给出了某台机组调节级叶片轴向碰磨图片。

图2 前汽封磨损

(3)振动过大还将使轴承部件承受大幅交变应力，容易造成转子、联结螺栓、管道地基等损坏。就在最近，某钢铁5万机组由于日常维护和点检不到位，发生轴系断裂的恶性事故，汽轮机轴和叶片严重损坏，发电机轴断成三节，见图4。

二、振动特征的提取方法

1、振动波形
    将传感器输出信号接至示波器，可以很直观的看到振动波形。波形反应了振动能量随时间的变化情况，即信号的时域特征。通过波形图，可以对很多故障做出诊断，如不平衡，一般波形比较光滑、连续、标准的正弦波（如图5）。如转轴表面有凹坑、腐蚀、电磁干扰使传感器输出产生虚假信号，通过波形上的毛刺即可做出明确诊断（如图6）。

图5 振振波形

图6 毛刺波形

2、频谱
     测量振动频谱主要功能有两点，一是对振动进行严格的分类；二是依据频谱量直接可以判明相应故障的严重程度，这一点对于故障诊断更有实用价值。在分析振动原因时，振动频率是一个重要参数，不同的故障也可以有相同的振动频率，要得到正确的结果，还要结合其他参数进行分析。频率可以用转速（r/min）或赫兹（HZ）表示，也可以用转速的倍数表示。图7中以工频（50HZ）振动为主，另外含有二、三、四倍频。

图7 振动频谱图

3、轴心轨迹
轴心是指转子横截面的几何中心。轴心轨迹表示轴颈在轴瓦间隙中运动的二维图形。在轴的径向互为90度方向安装两个涡流传感器，将输出的交流信号接入一个双通道的示波器就可以观察到轴心轨迹。不同的故障具有不同的轴心轨迹。从图8轴心轨迹可以得出如下信息：轨迹由多股曲线组成，较扁，某一方向有预载荷，多处转折，局部反向进动，Y向波形有削波，大致可以判断存在碰磨。

图7 轴心轨迹图

4、伯德图
    伯德曲线即转速与振幅和振动相位的关系曲线。图2是某轴振的1x伯德图。这张图提供以下信息：
(1)低速（≤500r/min）时的晃度约为28μm∠135；
(2)临界转速前的振动相位为∠360；
(3)临界转速为1250r/min，振动为232μm∠45；
(4)机组存在一阶不平衡。

图7 伯德图

5、三维频谱图
三维频谱图是某一测点在不同转速或不同时间的频谱图。它能直观地显示出频谱的变化趋势。如图9。

图9 三维频谱图

三、振动故障诊断方法
(一)振动特征
1、频率
每一种故障的诊断都对应一种频率，如普通强迫振动是基频（1X),自激振动的频率是半频（0.5X）或接近于一阶临界转速频率；由轴承非线性引起的振动是高次谐波(2X、3X、4X).
2、基频振动的振幅与相位
基频包括振幅和相位两个要素。任何一个要素变化都意味着振动变化。
3、振动与转速的关系
有些故障的诊断需要观察振动与转速的关系。在现场动平衡中，了解这种关系是必须的。
4、趋势分析
以时间为横坐标，以振动和其他参数作为纵坐标，就可以构成一张趋势图，由趋势图可以分析振动的变化过程以及与相关参数的关系。

(二)相关信息
1、机组结构
许多振动与机组的结构特点有关系。在处理一台机组的振动之前，首先要对他的结构有一个初步了解。
2、运行情况
许多故障是由运行造成的，在分析问题时需要了解当时运行状况，查阅运行记录。
3、检修情况
如果机组的振动情况是检修后发生的，一定要了解检修期间做了哪些工作。有的机组在发生振动之后，进行了检修，检修后振动依然存在，但是检修中所做的工作对于诊断依然有帮助。
4、同型机组信息
同一类型的机组往往发生相同的振动，收集同类型机组的信息对分析能有借鉴作用。

四、振动故障诊断方法
(三）诊断原则
1、排除多发故障
不平衡、动静摩擦、热弯曲、膨胀不畅是机组最容易发生的4种故障，大致占总体故障的80%左右，要熟悉掌握这几种故障的特征。
2、方法尽可能简单
本质的东西往往是最简单的。诊断不一定非要采用复杂的设备和通过复杂的试验，只要抓住本质的东西，采用一些简单的手段同样可以解决问题。

(四）故障诊断的简易方法
1、若机组启动过程在临界转速附近振动大，具有重现性，则属于平衡问题。
2、若机组定速后振动大，且基本是稳定的，则平衡不良的可能性极大。
3、非定常强迫振动是不稳定的，但这种不稳定一般与温度有关，温度变化要有一个过程，振动变化也有一个过程，所以振动若是缓慢变化，一般属于非定常强迫振动。
4、自激振动的趋势特征有：（1）振幅呈突变，一般几秒、十几秒钟就可以达到很高水平。从趋势图看，振动突变时几乎呈90°。（2）读数在不断跳动，趋势是一条带毛刺的线。

(五）振动故障诊断处理的原则
现场处理振动的方法有三种:①运行；②平衡；③转入检修。
80%以上现场振动问题可以通过运行或平衡解决，遇到振动问题先要从这两方面着手。在对振动原因尚不清楚的情况下要避免盲目检修。一般检修采取的措施包括：①检查轴瓦；②复查联轴器中心；③揭缸检查；④抽转子检查；⑤处理轴承座和基础。这里任何一项的工作量都非常大，因此在采取以上措施时必须慎之又慎。

五、现场轴系动平衡
国内较早的方法是影响系数法，分别求出两端加重的影响系数，而后用消元法或行列式求解，由于这种方法启停次数较多，求取影响系数时并不一定在优良区，而且就影响系数本身来说不一定是常数，故这种方法虽然采用了最小乘二法、加权选代等数学处理，其平衡效果总是不太理想，一旦效果不好又不能及时查出问题，近几年来这种方法一般用得少，目前广泛使用的是影响系数法，这种方法的特点是按振型加重，用影响系数进行计算，启停次数少，效果好特别是对于大型机组，汽轮机高中压转子、低压转子及发电机，励磁机转子等，对称性较好实际的振型形状与设想的振型形状差别不大，故采用这种方法进行动平衡都能收到较好的效果。

振型影响系数法动平衡的步骤主要有如下几点：1、不平衡轴向位置和转子不平衡形式的正确判断；2、确定动平衡方案，如果一、二阶振型都需平衡，一般先从阶开始，先平衡一阶，再平衡二阶，也可以一、二阶同时平衡，只有端部两个平衡面能够加重的情况下，对于那些对称性较好的转子，平衡一阶振型采用对称加重，平衡二阶振型采用反对称加重。3、加重数值和方法的确定，试加重量的位置应根据测得的相位角及速度传感器和光电传感器（涡流传感器）的位置确定，加重数值由现场平衡经验决定，也可以试加一次获取影响系数后进行计算，为了得到一个比较合理的配重方案，采用多个转速进行计算，在临界转速前或工作转速前选取4-5个转速作为平衡转速进行计算，根据计算结果找出合理配重方案。