機組振動在線監測與診斷技術的應用

潘高峰 楊 春

作者通聯：大慶煉化公司設備監測中心 黑龍江大慶市讓胡路區馬鞍山 163411

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在現代化生產過程中，依靠現場的定時巡檢和離線監測，很難及時發現大型旋轉機組的潛在故障和事故隱患。而機組運轉的好壞又直接關系企業的安、穩、長、滿、優運行，機組非計劃停機對企業經濟效益產生重要影響，因此在線狀態監測就顯得十分必要。

與離線監測相比，在線監測技術有明顯的優勢。首先在線監測技術運行能使機器的維修方式從傳統的事故維修和定期維修轉變為預測維修；其次，當機器發生故障時，離線監測無法記錄現場真實有效數據，而在線監測技術可以提供故障發生前后的真實數據和分析數據，使得故障和維修大大加快；再次，在線監測技術還可以通過對長時間監測得到的數據進行分析處理，給出機器的狀態趨勢，改進設備的管理辦法。

下面介紹的幾個典型故障案例，應用S8000大型旋轉機械在線狀態監測系統，根據系統提供的頻譜、軸心軌跡、相位等分析手段，準確判斷機組的故障，實現了預防性維修。

1.催化軸流風機葉片斷裂不平衡故障診斷

2009年9月20日19時，催化裝置軸流風機啟機運行，風機前軸承X181A測點和后軸承X180A測點振動分別為12μm、11um。運行至22時30分，風機前、后軸承振動突然增大，分別達到 92μm、66um，隨后又降至 52μm、55μm，并穩定下來，但是振動幅值仍然很大。軸流風機測點布置如圖1所示。

應用在線監測系統進行故障分析，從風機前軸承振動頻譜圖2、后軸承振動頻譜圖3中，可見1倍頻占有絕對的主導地位。與故障前頻譜圖比較，發現振動變化在1倍頻，初步判斷振動的增大是由于不平衡量發生變化所導致的。

圖1 軸流風機測點布置示意圖

圖2 風機前軸承X181測點振動頻譜圖

圖3 風機后軸承X180測點振動頻譜圖

為了驗證不平衡量的變化，同時分析了風機前軸承X181和X180測點1倍頻的振動相位變化。在振動變化前，X180測點 1倍頻相位顯示為 A側 63°，B側 223°，A、B的相位差約160°，而振動變化后，A 側 125°，B 側 279°，相位差 154°，說明故障原因為不平衡矢量發生改變，變化約60°。

由不平衡故障機理知道，轉子在旋轉過程中，如果發生葉片飛離、部件缺損或異物附著等情況時，發生質量變化處的不平衡矢量與原始的不平衡矢量相疊加，合成的不平衡矢量大小、角度發生變化[1]，風機運行只有3h，可排除固有不平衡、結垢造成的漸發不平衡等故障，而應考慮轉子的零部件脫落引發的突發轉子不平衡。因此，決定停機檢查，結果是風機2級動葉片斷裂脫落。

2.H型空壓機軸瓦間隙變大的故障診斷

2010年6月3日，動力廠H型空壓機啟機，三級軸振動為51μm、四級軸振動為49μm。運行至13日，三級、四級軸振動開始出現周期性的波動，三級、四級軸振動最大分別達到80μm、66μm。為確定振動變化的原因，應用在線監測系統進行故障分析，機組結構及測點布置如圖4所示。

圖4 H型空壓機結構及測點示意圖

圖5 振動正常時三級測點頻譜圖

圖6 振動異常時三級測點頻譜圖

比較振動正常時的頻譜圖5和振動異常時的頻譜圖6及軸心軌跡圖7，從中可見：①振幅大時，半頻幅值明顯并增大，振幅小時，半頻幅值幾乎沒有。②通頻振幅80μm，1倍頻 31μm， 半 頻41um；通頻振幅51μm，1倍頻 35μm，半頻幾乎沒有。③軸心軌跡在振幅大時，形狀呈內“8”字形。

上述振動特征說明，空壓機三、四級振動的間歇性波動現象，是由于軸瓦間隙增大，且油中金屬磨粒增加，影響油膜的有效形成。按診斷結論，更換潤滑油，并減小軸瓦間隙后，半頻消失，振動平穩正常。

圖7 振動異常時三級測點軸心軌跡圖

3.富氣壓縮機結垢故障診斷

ARGG裝置富氣壓縮機平穩運行至2009年8月12日，在負荷等工藝參數穩定的情況下，壓縮機的軸振幅值發生大幅的異常波動，振動幅值由13uμm增大到26μm，波動達到正常值的2倍。振動波動現象表明壓縮機存在故障，已影響到機組的正常運行，為此應用在線監測對故障進行診斷，機組測點布置見圖8。

圖8 壓縮機測點布置示意圖

圖9 壓縮機1倍頻振動趨勢

圖10 壓縮機1倍頻相位趨勢

壓縮機各測點的變化規律基本相似，選取14日—15日1天內，測點V553A、V553B的振動和相位變化趨勢進行分析，故障特征為：①1倍頻幅值周而復始的周期波動，周期大約 2～3h（圖 9）。②1倍頻相位 3600周期性連續變化，波動周期與1倍頻幅值變化基本一致（圖10）。③軸心軌跡持續出現反進動（圖11）。

圖11 軸心軌跡出現反進動

上述特征表明壓縮機的振動發生周而復始的改變，振值有大到小，再逐步增大，振幅變化一個周期，相位正好變化360°，過程持續2～3h，軸心軌跡持續反進動。這些特征說明轉子存在整周的全摩擦，即旋轉性摩擦[2]。摩擦時，施加給轉子一個摩擦力，摩擦振動矢量和不平衡振動矢量合成的振動矢量做為新的不平衡振動矢量，隨摩擦點的變化，合成不平衡振動矢量不停地改變方向，從而形成幅值和相位不停地周而復始的變化。當摩擦振動矢量與不平衡矢量方向相反時，振動最小，當摩擦力與不平衡矢量方向相同時，振動達到最大。

為確定摩擦位置，進一步檢查軸瓦溫度和分析潤滑油的雜質，軸瓦溫度正常，潤滑油的雜質合格。診斷摩擦位置應來自軸封或葉輪處，為防止摩擦造成機組事故，壓縮機停機檢查。

解體檢查發現壓縮機葉輪內部及外緣和梳齒密封結垢十分嚴重，垢層和機殼摩擦。與停機前的診斷結論吻合。清垢后安裝復原，壓縮機啟動，振動正常。

應用在線監測及診斷技術不但可以掌握設備的工作狀態變化，而且能夠科學指導設備維修，同時對查找故障根源、采取相應的預防措施，從根本解決故障往往起到決定作用，使維修過程具備更高的安全可靠性，綜合提高企業的經濟效益。

1 沈慶根，鄭水英.設備故障診斷［M］.北京.化學工業出版，2007

2 陳大禧，朱鐵光.大型回轉機械診斷現場實用技術［M］.北京.機械工業出版，2002