油液分析技術在水輪機組故障診斷中的應用

李志祥，劉連偉，張沖林

（三峽水力發電廠，湖北 宜昌443133）

油液分析是設備潤滑磨損狀態的一項重要監測手段，它通過分析被監測機器的在用潤滑油的性能變化和攜帶的磨損磨粒，獲得機器的潤滑和磨損狀態信息，評價機器的工況和預測故障，并確定故障原因、類型的技術[1-3]。油液分析通常包含常規理化分析、光譜分析和鐵譜分析3種分析手段，其中常規理化分析對監測設備的潤滑狀態比較有效，光譜分析對于磨損狀態的監測比較有效，鐵譜技術則對故障診斷有效[4-5]。綜合各種油液分析技術，并結合其他診斷方法如振動分析[6-7]，就可以充分獲知設備潤滑與磨損相關信息，避免單一分析方法因信息不完整而可能導致的誤判。綜合分析的目的是減少設備的失效，降低其停運時數和維護費用。

水輪機組是水力發電的主要設備，由多種機械部件組合而成，在運行過程中由于受到高壓水流的沖擊，會產生機械磨損和振動[8]。為了避免水輪機組故障影響到生產，某公司自2010年起對該公司所屬的30多臺水輪發電機組的關鍵潤滑點開展油液監測，通過對設備潤滑油的污染、變質程度的檢測，及時掌握設備潤滑油性能及磨損狀況以及其發展變化趨勢，實現設備的狀態監測與故障診斷，從而及時預報潛在的故障，避免任何可能的災難性損壞發生，減少不必要的維修，提高設備利用率和安全性能。

1 油液分析的內容

某公司開展油液分析的水輪機組共有32臺，每臺水輪機組有4個獨立的用油部位，分別是上導軸承、水導軸承、推力軸承及調速器液壓系統，所使用的均為46號汽輪機油，每年對每臺機組的各用油部位至少進行一次油液分析。

對水輪機組的油液分析主要包含2個方面的內容，即狀態監測和故障診斷，如圖1所示。狀態監測是指通過對在用潤滑油進行分析，判斷設備的潤滑磨損狀態。故障診斷是指通過鐵譜、電鏡能譜等多種分析手段，對已經出現故障的設備進行診斷，判斷磨損部位及程度，尋找故障原因。

圖1 水輪機組的油液分析內容

2 油液分析在水輪機組狀態監測中的應用

油液監測是通過對在用潤滑油進行分析，判斷設備的潤滑磨損狀態，指導企業進行換油及視情維修，它主要包括3方面的內容，即油品性能監測、污染監測及磨損狀態監測。

2.1 油品性能監測

油品性能監測是對潤滑油關鍵理化指標如運動黏度、總酸值、抗氧化性能、防銹性能等定期檢測，根據檢測結果來評價油品的劣化程度，預估其剩余使用壽命。

2.2 污染狀態監測

油液污染是造成設備潤滑磨損故障最主要的原因，只要控制好潤滑油的污染度，就能有效地預防機械磨損，延長設備的使用壽命[3-5]。潤滑油污染狀態監測主要從3個方面進行，即水分、污染度和污染元素。

2.3 磨損狀態監測

磨損狀態監測是指通過對設備在用油進行光譜元素分析和直讀鐵譜來綜合評價設備的磨損狀態。其中光譜元素分析可以檢測油中的磨損金屬如Fe、Cu、Pb、Sn的含量，通過這些元素的含量高低來判斷設備的磨損程度，而直讀鐵譜則是通過檢測在用油中鐵磁性磨粒的大小及數量，來判斷設備的磨損程度。

2.4 油液監測實例

2010年6月，對5號機組推導油槽進行油液取樣分析，油品的各項理化性能指標測試結果正常，但污染度NAS等級高達14級，嚴重偏高，油中磨損金屬元素Fe含量達28 mg/kg，直讀鐵譜大磨損顆粒DL讀數28.5，小磨損顆粒DS讀數26.7，磨損金屬數量要遠高于其他機組的平均水平，詳細檢測結果見表1。

表1 5號機組推導軸承2010～2011年的油液分析數據

對該次取樣進行鐵譜分析，油中發現少量的油泥及鐵銹蝕顆粒（圖2），但現場反映此時設備運行各項參數都正常，并未發現異常情況。

6月份的分析結果引起了電站工程師的高度重視，2010年10月，再次對5號機組推導油槽取樣進行分析。結果表明該油顏色明顯加深，短短4個月內，總酸值由0.14 mgKOH/g上升到了0.22 mgKOH/g，表明油品氧化速度較快；污染度NAS等級高達15級，嚴重偏高；磨損金屬元素Fe含量、直讀鐵譜磨損顆粒讀數明顯增高，油中存在大量的鐵銹蝕顆粒，如圖3所示。

圖2 5號機組推導軸承2010年6月在用油中的顆粒

圖3 5號機組推導軸承2010年10月在用油中的顆粒

經調查，該機組從國外采購，經海上長途運輸到國內，在海上運輸過程中受到了海水的污染，而機器在現場安裝后條件所限，沒有將系統中的殘余海水全部清理干凈，系統中鋼質部件長期受到殘余海水的浸潤，由于海水腐蝕性極強，造成了系統內部鋼質部件發生銹蝕，鐵銹蝕顆粒不斷浸入5號機組推導油槽的在用潤滑油中。

根據潤滑油監測結果，對5號機組推力軸承的油箱、油槽和油路進行了徹底清洗，除去系統中沉積的鐵銹蝕顆粒并將潤滑油進行更換；由于無法對殘留的海水進行徹底清除，在后期加強了跟蹤監測，當油質明顯劣化時就及時換油。經處理后，2011年6月和10月取樣監測時，5號機組運行情況良好。

3 油液分析在水輪機組故障診斷上的應用

與狀態監測不同，故障診斷綜合運用多種分析手段（如理化指標分析、光譜分析、鐵譜分析、電鏡能譜分析以及紅外光譜分析等）對設備在用潤滑油、失效零部件、油泥等故障樣品進行綜合分析，最終找出故障成因，其主要包括兩個方面的內容，即油質分析和磨粒分析。

3.1 油質分析

油質分析是指對故障設備在用油的油品性能和污染情況進行檢測，分析油品性能變化與設備故障之間的關系。除常規的理化指標分析外，油質分析還通常采用紅外光譜對油品的劣化程度進行評價。

3.2 磨粒分析

磨粒分析是指對樣品中（包括潤滑油樣品和油泥沉積物樣品）的磨粒及污染物顆粒形態進行分析，找出失效部位及失效原因。磨粒分析的主要方法有鐵譜分析、電鏡能譜分析。磨粒分析通常與油質分析相結合進行綜合判斷。

3.3 故障診斷實例

同樣是5號機組推力軸承，在2012年12月維護時，發現其推力頭與鏡板之間滲出了較多深褐色的潤滑油，工程師推斷應該是來源于推力頭與鏡板連接螺栓的磨損，因此對機組該螺栓、推力頭部位取樣進行檢測，希望通過油液分析找出油品變色原因。

油品油質分析結果表明，油品的主要性能如黏度、抗氧化性能、總酸值等并沒有發生明顯劣化，但光譜分析時發現油中的Fe元素含量嚴重超標，污染元素Ca、Si、Mg含量超標，如表2所示。

表2 5號機組推導軸承在用油2012年12月分析結果

通常Fe元素來源于鋼或鑄鐵質部件的腐蝕與磨損，Ca、Si、Mg元素通常來源于外界的粉塵、泥漿等。因此從檢測數據上分析，該油變色與油質劣化關系不大，更可能源于油品受到污染。

對該樣品進行鐵譜分析，鐵譜圖見圖4所示。從圖中可以看出，油中含有大量的黑色和紅色鐵系氧化物、粉塵顆粒和少量亮白色的未知金屬顆粒，這些顆粒尺寸較小，集中分布在5～15 μm之間。通過電鏡能譜對亮白色未知顆粒進行分析，發現Sn元素含量較高，為錫基巴氏合金，如圖5所示。

根據磨粒的形態，對鐵譜上的顆粒來源進行分析，其中黑色鐵系氧化物為系統的磨損產物，極有可能源于推力頭與鏡板、螺栓之間的微動磨損；紅色氧化物則為鐵銹蝕，來源于系統中鋼或鑄鐵部件的銹蝕；粉塵可能是由空氣帶入潤滑系統，而巴氏合金通常來源于滑動軸瓦的磨損。

圖4 5號機組推導軸承2012年12月在用油中的顆粒

圖5 5號機組推導軸承在用油中的巴氏合金電鏡能譜分析

因此，對5號機組推導軸承在用油的分析表明，該機組的推力頭與鏡板、螺栓之間可能存在微動磨損，產生了大量的磨粒；加之前文提到的該機組系統中殘留了少量海水，致使零部件銹蝕生成了大量銹蝕顆粒；此外，系統在運行過程中，還受到了外界粉塵的污染，這些磨粒、銹蝕顆粒及粉塵等硬質顆粒懸浮在油中，一方面導致油品顏色加深，另一方面隨潤滑油進入到摩擦副表面之間，使推力軸瓦表面也發生了一定程度的異常磨損。

根據故障分析的結論，現場對5號機組推力軸承進行了檢查和維修，并更換了新油，2013年進行跟蹤監測，油液分析的各項數據恢復正常。

4 結語

（1）通過對5號機組推力軸承在用油的分析，發現該機組因運輸途中受到海水污染導致設備零部件銹蝕，由于發現及時，對設備潤滑系統進行徹底清洗后并做換油處理，未影響到設備的正常運行。

（2）通過油液檢測對5號機組推力軸承的螺栓、推力頭部的在用油顏色變深的原因進行了分析，結果表明，該機組的推力頭與鏡板、螺栓之間可能存在微動磨損，且推力軸瓦表面也已發生了一定程度的異常磨損；經過處理后，在后期跟蹤監測時，設備運行恢復正常。

（3）對水輪機組開展油液監測可以為設備預防性維修提供依據，能有效避免設備的故障發生，提高了設備總體運行效率；當設備出現故障時，可以通過油液分析來找出故障部位，查明故障原因，對設備維修起指導作用。