淺析汽輪機斷葉片的監測判斷

蘇文杰

摘 要：隨著社會經濟的快速發展，汽輪機應用程度逐漸加深。加強研究汽輪機斷葉片監測與判斷具有十分重要的意義。汽輪機運行過程中，因為設計運行過程中相關原因，可能會存在葉片損傷或者是損壞事件，進而嚴重影響機組運行的安全性。文章結合實際工作情況，具體探究模態分析以及模糊模式條件下的葉片故障診斷。并在這個過程中具體分析了斷葉片診斷系統。

關鍵詞：汽輪機；斷葉片；檢測診斷

通過對汽輪機運行過程中葉片震動波動情況以及突生情況進行分析，能夠準確判定與區分軸系之間造成的摩擦與斷葉片故障情況。而為了能夠從根本上有效防止發生事故造成的破壞擴大，需要根據同類型技術故障進行分析，因此，汽輪機斷葉片的診斷具有十分重要的意義。

1 汽輪機斷葉片概述

汽輪機機組在長時間運作的過程中，葉片可能會發生損壞。損壞的類型主要包括兩個方面：其一，葉片損壞。其主要形式包括汽輪機葉片沖刷汽蝕、汽輪機葉片蜂窩狀麻點以及銹蝕等問題，這些問題都有可能造成葉片使用的經濟性下降與安全問題；其二，葉片損傷。造成葉片出現損傷的主要形式包括裂紋、折斷以及斷裂扭彎等情況，這種情況下，葉片可能會喪失基本功能，并在此基礎上產生巨大的破壞效果。葉片損害通常情況下會發生在葉片、根以及拉肋等位置上。這些位置出現損壞的情況較為嚴重。汽輪機不同級葉片發生損壞時候位置并不均勻。根據美國在進行汽輪機斷葉片方面的實驗數據顯示，葉片發生事故的時候，通常情況下問題產生于低壓缸內部。其中氣壓缸內部末級發生問題的幾率為20%，次末級發生問題的幾率為58%、除此之外，問題多集中在高壓區1級位置。日本曾經對其進行了大量的實驗，結果同美國實驗相仿。

2 葉片段落故障原因

當汽輪機葉片出現故障時，根據故障情況而定，葉片段落故障為汽輪機故障當中問題最為嚴重的一個方面。汽輪機斷葉片問題產生的現象相對明顯，從內容上看，其現象具有幾個方面的表現：

首先，汽輪機的內部或者是凝汽器的內部出現聲響。其次，汽輪機機組發生明顯震動變化情況，并伴隨產生瞬間抖動，軸向推力也會伴隨發生溫度變化。再次，汽輪機的葉片出現較為明顯的損傷，會明顯改變通流面積。在相同負荷情況下，蒸汽流量、汽門開度以及監視段壓力情況都會發生變化。另外，汽輪機當中的抽氣口發生葉片斷裂后，會進入到抽汽管道當中，可能造成抽汽逆止門發生阻塞，并進一步令加熱器出現損壞，使加熱器的水位不斷上升。最后，斷葉片可能會吹入凝汽器當中破壞銅管，進而造成導電度上升。

通過對近年來大型汽輪機組的葉片故障情況統計分析，葉片發生故障的主要原因有：

（1）設計制造原因。在設計制造過程中，葉片振動特性掌握不準，制造缺少經驗，在運行中產生共振現象；設計準則不合理，葉片設計動力不足；結構不合理，以致應力集中；葉根結構不當；這一系列原因都容易引起葉片故障的發生。

（2）運行方面原因。頻率不穩定，長時間低頻率運行，使葉片自激振動增加，容易損壞葉片；蒸汽品質不符合規范，可使葉片結垢，通流面積減小，各級焓降增加，葉片應力增大。汽機超出力運行，將使末一、二級葉片焓降增加而嚴重過負荷，葉片強度超限而斷裂；葉片的腐蝕損傷常發生在開始進入濕蒸汽各級，由于腐蝕介質的影響，將使葉片材料抗振強度急劇下降。

（3）外來原因。外來的機械雜物穿過濾網進入汽輪機，或濾網本身損壞進入汽輪機從而造成葉片損傷。

（4）老化原因。延長使用期是電廠的習慣作法，結果是葉片老化，因蠕變、磨蝕、銹蝕而損壞的情況有所增多。

3 葉片的故障診斷

3.1 故障診斷

采用震動分析方法對葉片故障問題尤其是斷葉片進行監測與判斷十分有效。震動問題主要產生在葉片運動過程中，是葉片運動遇到的最為主要的問題。除此之外，振動信號最容易獲取，也便于葉片故障診斷檢測。因此，當前針對葉片診斷的主要方法是模態分析以及模糊模式判別。

3.1.1 模態分析

我國從事汽輪機技術研究的研究人員通過使用模態分析的方式，對葉片模態情況下的剛度變化進行了研究，并以此作為判斷葉片故障情況的依據。模態分析主要是對汽輪機的葉片震動情況進行分析，以此達到確保汽輪機機組安全性運行的技術手段。

3.1.2 模糊模式分析

針對汽輪機進行短時傅里葉方法分析以及小波多分析，能夠準確判斷葉片上的裂紋故障。另外，采用模糊視線原理對葉片裂紋與相關位置進行判定與找出，可以使用實測振動信號以及標準故障進行比較分析。

3.2 葉片故障診斷系統分析

3.2.1 汽輪機斷葉片裂紋診斷主要檢測是旋轉機械當中的故障問題。目前，國內外對這方面的研究已經十分成熟。通常情況下，當前研究監測系統主要采用的是聲學多普勒信號系統對葉片進行裂紋監測。這一系統能夠沿著葉片圓周方向設置2個或者是2個以上的高靈敏度拾音計。拾音計在激光鑒相器的控制下采集葉片振動的聲波信號，利用裂紋擴展導致葉片固有頻率波動時產生的諧振事件來監視葉片裂紋的產生，并采用時域同步平均降噪。

3.2.2 美國著名的西屋公司設計研發了雙探頭葉片振動監測設備，這種設備能夠充分對汽輪機葉片進行多種角度與模態的監測。同時，還可以應用在損壞情況監測方面以及評價修復工作當中，是制定修復和檢驗方案過程中一項十分重要的設備。

3.2.3 汽輪機斷葉片監測還包括DM-NT集散式的監測網絡以及RD-ES葉片監測判斷系統。這種系統當中存在幾個方面的特點：系統容量較大，信道多且數據處理能力相對更強。系統狀態以及工況的監測能力強。系統對信號的采集速度也相對較快，能夠支持遠程傳輸。另外，就是系統能夠實現人工智能分析診斷，完成自動化相關任務。

3.2.4 除此之外，日本多家公司也在汽輪機葉片震動檢測設備研究方面具有十分卓越的研究成果。三菱重工研究企業就根據汽輪機葉片震動情況研制了光學探頭測量震動設備。前蘇聯主要根據電子射線方式研究開發了段相位法測量振動模式。西安熱工通過對汽輪機葉片動頻以及動應力情況的研究，形成了無線電遙感技術監測葉片斷裂紋。但是基于對應變片使用壽命的限制性條件的考慮，該種技術不能實現對葉片的長期監測任務。

4 結束語

文章主要論述了汽輪機斷葉片的檢測與判別工作，并在此基礎上對葉片診斷方法進行了簡要診斷分析。文章結合實際工作情況，具體探究模態分析以及模糊模式條件下的葉片故障診斷。并在這個過程中具體分析了斷葉片診斷系統。通過上述中的內容，能夠清晰的發現汽輪機斷葉片診斷檢測判別工作的重點與關鍵。希望能夠根據文章，在今后汽輪機斷葉片診斷工作有所借鑒意義。

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