基于油液在線監測的水輪機組故障診斷分析

李 鎮，劉文勇

（1.國家能源集團新疆吉林臺水電開發有限公司，新疆伊犁 835000；2.廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510535）

0 引言

水力發電機組的作用是將河川、湖泊等位于高處具有勢能的水流至低處，經水輪機轉換成水輪機的機械能，水輪機又推動發電機發電，將機械能轉換成電能[1]。

機組推導軸承為下導和推力聯合軸承，推力承受機組轉動部分重量，是發電機最重要的組成部件之一，其運行狀況直接關系到機組的安全穩定運行，尤其是推導油液品質、推力油膜厚度及推力瓦受力是機組運行優良的關鍵指標。

基于設備的“血液”潤滑油的在線監測技術[2]可以通過主機及控制系統的油品特性監測分析提前發現系統存在的早期異常，做到早預防、早診斷、早維護，確保設備運行可靠性。關鍵機組設備潤滑油在線監測技術可加強設備的潤滑安全監控工作，并把它建立在科學管理的基礎上，對保證裝置均衡生產、保持設備完好并充分發揮設備效能、改善潤滑狀況、減少設備故障、提高企業經濟效益和社會經濟效益都有著極其重要的意義。

1 監測指標

根據現場在線監測儀器獲取的監測數據，主要包含污染度、水活性、水分、黏度及磨損情況。以下主要對各參數表征含義及監測結果進行分析。

1.1 水分

在潤滑系統中，油中的水分主要來自于油冷器泄漏或空氣污染，油中進水將使得設備生銹的風險增大（圖1）。水分將使油品氧化變質，增加油泥，惡化油質，聚酯抗燃油進水將使得產生水解反應生成有機酸，使得油品腐蝕性增大；水分還會使油中的添加劑水解反失效，降低油品的極壓耐磨或抗氧化性能；對于水分離性較差的油品，水分會促使油品乳化，顯著降低油膜強度，所以水分含量應控制在盡可能低的程度。相關研究結果顯示，油中含500×10-6水分時軸承的壽命是含100×10-6水時的50%。

圖1 水分導致設備壽命縮短

在線水分傳感器的直接輸出是水活性，即在某個溫度下的水分溶解在油中的百分數，用M 濕度表示。由于工程習慣使用水分的含量MSensor，標準單位mg/kg（即ppm），其轉化公式為MSensor=M濕度×10f（a，b，T）。

其中：

1.2 黏度和油溫

黏度是流體流動時內摩擦力的度量，用于衡量油品在特定溫度下抵抗流動的能力。黏度是油品選擇的主要依據，同時也是判斷設備潤滑狀態、確定是否換油的重要依據。黏度值的改變反映了設備運行狀態的變化，黏度異常將導致設備潤滑不良，機械表面產生異常磨損，如點蝕、剝落等（圖2）。在使用過程中，油品黏度變化的主要原因有油品氧化、劣化、水分乳化及污染物浸入等，另外在日常維護保養過程中，加錯油也會導致黏度發生變化。

圖2 黏度變化導致軸瓦剝落

機組潤滑系統油溫升高后造成的影響主要有以下6 個：

（1）油溫升高使油的黏度降低，如果油的黏溫性能較差，溫度變化導致黏度變化更為顯著，元件及系統內油的泄漏量將增多，進而導致液壓泵的容積效率降低。

（2）油溫升高將使機械元件產生熱變形，各類閥類元件受熱后膨脹，可能使配合間隙減小，因而影響閥芯的移動，增加磨損，甚至卡閥。

（3）油溫升高黏度降低后相對運動表面間的潤滑油膜將變薄，增加機械磨損，在油液污染度較高時易產生機械故障。

（4）油溫升高使油的黏度降低，使油液經過節流小孔或縫隙式閥門的流量增大，使原來調節好的工作速度發生變化，影響工作的穩定性，降低工作精度。

（5）油溫升高將使油液的氧化速度加快，導致油液變質劣化，降低油的使用壽命。油中析出的油泥等沉淀物還會堵塞元件的小孔和縫隙，影響系統的正常工作（圖3）。

圖3 高溫導致設備用油嚴重氧化

（6）油溫過高會使密封裝置迅速老化變質，喪失密封性能。

1.3 污染度

據統計，系統故障中有75%以上是由于油液污染造成的。顆粒污染指油中含有的固體顆粒含量，其主要來源于外界的粉塵、砂礫、密封膠質物，也有來源于系統內部的油品氧化產物（油泥）、過濾器的玻璃纖維、油管中的銹蝕/顆粒以及摩擦副表面的磨損顆粒等。這些固體雜質顆粒會影響潤滑油膜的連續性，導致摩擦副磨損；催化基礎油裂化，影響油液壽命及油膜強度，還可能堵塞濾油器、油線管道、潤滑油槽，或沉積在摩擦部件表面影響散熱。在高速機中，油泥還易附著在軸瓦表面形成漆膜，固體顆粒污染通常可以用污染度來進行評價。

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1.4 磨損

磨損顆粒污染指油中含有的固體顆粒含量，包括金屬顆粒和非金屬顆粒，其主要來源于外界的粉塵、砂礫、密封膠質物，也有來源于系統內部的油品氧化產物（油泥）、過濾器的玻璃纖維、油管中的銹蝕顆粒以及摩擦副表面的磨損顆粒等[3]。這些固體雜質顆粒會影響潤滑油膜的連續性，導致摩擦副磨損（圖4）。催化基礎油裂化，影響油液壽命及油膜強度，還可能堵塞濾油器、油線管道、潤滑油槽，或沉積在摩擦部件表面影響散熱。在高速旋轉設備中，油泥還易附著在軸瓦表面形成漆膜，固體顆粒污染通?？梢杂梦廴径葋磉M行評價。

圖4 設備軸瓦顆粒超標導致軸瓦劃傷

2 推導軸承數據分析

2.1 整體趨勢分析

在線監測數據收集時間區間為2022 年1 月1日—2022 年10 月17 日，對水分、黏度（40 ℃）、NAS（National Aerospace Standard，美國生產軍用飛機標準）污染度等級3 個指標進行歸一化處理（圖5）。

圖5 監測數據趨勢

水分的變化趨勢整體穩定，無異常超標數據；NAS 等級和黏度的變化趨勢整體較為穩定，2022 年7 月以來，在線數據中黏度（40 ℃）和NAS 等級出現較大波動。經與現場溝通，反饋現場存在檢修情況，對油品進行濾油操作，建議取樣進行離線分析，評估油品性能。

2.2 數據分布分析

2022 年在線監測數據分布情況如表1 所示。

表1 2022 年在線監測數據分布情況

由表1 可知，在用油水分非常小，整體監測數據水分中位值是31×10-6，這與離線檢測“痕跡”是一致的，傳感器的數據輸出跳動較小，其性能穩定；整體監測數據黏度中位值是47.450 mm2/s，數據與離線檢測數據47.100 mm2/s 接近，說明傳感器性能穩定。監測數據污染度等級中位值是10 級，與離線數據相符，傳感器的數據輸出跳動較小，其性能穩定。

2.3 相關性分析

對整體數據進行相關性分析，并作出指標相關性分析（圖6）。

圖6 指標相關性分析

相關性分析結果表明：污染度NAS 等級與水分呈現正相關，相關系數為0.11；污染度等級與Fe（70～100）顆粒呈正相關，相關系數為0.17；說明水分與鐵磁顆粒都會影響污染度的變化。

3 結論

3.1 數據分析總結

各站監測對推導軸承（所用油品為長城46#汽輪機油）的數據進行分析，獲取的典型值數據見表2。

由表2 可知，水分和黏度（40 ℃）的監測結果均在正常范圍之內，而NAS 1638 處于超標狀態。由此可以得到以下4 個結論：

表2 監測參數的中位值

（1）在線油水分含量較低，水分數值范圍在30×10-6左右，其監測值與離線檢測“痕跡”一致。

（2）黏度變化正常，各壓氣站機組由于使用油品型號、黏度不同，但黏度與油溫變化特征符合油品的黏溫特性，即油溫高、黏度低，油溫低、黏度高。由于現場儀器取樣點的不同，監測值也存在差異。

（3）污染度等級較高，現場污染度NAS 等級控制≤8，在用油良好的清潔度與壓縮機封閉式潤滑系統及過濾冷卻系統良好分不開。

（4）磨損情況總體良好，在2022 年第三季度出現輕微磨損情況，建議取樣進行復測。

3.2 應用建議

根據對設備的在線監測采集數據分析，設備在用油污染度等級需要注意，雖然能滿足機組用油要求，但日常應定期查看在線監測數據與設備自帶工況參數數據，特別是污染度NAS 等級變化，加強過濾凈化處理，控制潤滑油污染度等級降至正常范圍或不再升高。