某船用燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)超限故障監(jiān)測診斷分析

任鳳華，吳善躍，郭寧馨，王嘉志

（92957 部隊(duì)，浙江舟山 316000）

0 引言

船用燃?xì)廨啓C(jī)具有功率密度高、占用體積小、加速性能好等特點(diǎn)，且運(yùn)行成本低、壽命周期較長，在船舶動(dòng)力領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著全船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展需要，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模塊也將是主要應(yīng)用方向[1]。但作為一種高速旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械，燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)問題又較為突出。引發(fā)燃機(jī)異常振動(dòng)原因較多，如壓氣機(jī)喘振、轉(zhuǎn)子彎曲或中心偏離、軸承損壞、動(dòng)靜部件碰磨、地腳螺栓松動(dòng)、基礎(chǔ)不牢等均會(huì)導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)偏大，此外機(jī)組起動(dòng)過程中過臨界轉(zhuǎn)速振動(dòng)也會(huì)略微升高[2]。

本文以實(shí)際工作中遇到的某型船用燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)超限故障為例，對裝備故障現(xiàn)象、故障診斷分析、故障拆檢修復(fù)等進(jìn)行了詳實(shí)介紹，并將故障拆檢結(jié)果與監(jiān)測推斷結(jié)論進(jìn)行了相互印證，有效擴(kuò)充了燃機(jī)故障監(jiān)測診斷的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為指導(dǎo)裝備后續(xù)管理使用維護(hù)提供技術(shù)參考。

1 故障基本現(xiàn)象

某船某型燃?xì)廨啓C(jī)在正常工況運(yùn)行后停機(jī)過程中，發(fā)生振動(dòng)變大并超限報(bào)警，且停機(jī)后高壓轉(zhuǎn)子發(fā)生抱軸故障。故障發(fā)生時(shí)機(jī)器累計(jì)運(yùn)行2200 h，故障發(fā)生前總體運(yùn)行狀態(tài)良好。

該燃機(jī)隨機(jī)裝配了振動(dòng)監(jiān)測組件，用于監(jiān)測燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中低壓壓氣機(jī)機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣和動(dòng)力渦輪承力環(huán)3 個(gè)特征點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)[3]，技術(shù)人員在船舶靠港后故障勘驗(yàn)中，通過對上述測點(diǎn)振動(dòng)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)的分析，還原燃機(jī)當(dāng)日故障現(xiàn)象如下：慢車時(shí)發(fā)現(xiàn)低壓振動(dòng)值為13 mm/s 左右，高壓振動(dòng)值從8 mm/s 躍升至17 mm/s 左右，且停機(jī)過程中低壓振動(dòng)值及高壓振動(dòng)值變化劇烈，低壓振動(dòng)值最大響應(yīng)點(diǎn)為：低壓轉(zhuǎn)速為1 327 r/min時(shí)，低壓振動(dòng)值為28.4 mm/s；高壓振動(dòng)值最大響應(yīng)點(diǎn)為：高壓轉(zhuǎn)速為3335 r/min 時(shí)，高壓振動(dòng)值為45.1 mm/s。具體變化如圖1 所示。

圖1 故障當(dāng)日燃機(jī)低、高壓振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化值

停機(jī)后，值班人員對故障燃機(jī)進(jìn)行盤車檢查，發(fā)現(xiàn)低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子及高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子均發(fā)生抱軸現(xiàn)象，無法手動(dòng)盤車。靜置約3 h 后，值班人員對燃機(jī)進(jìn)行盤車檢查，發(fā)現(xiàn)燃機(jī)低壓轉(zhuǎn)子可正常盤車，但高壓轉(zhuǎn)子偶發(fā)出現(xiàn)盤車阻力增大現(xiàn)象，且當(dāng)高壓轉(zhuǎn)子盤車阻力增大時(shí)，若繼續(xù)盤車，低壓轉(zhuǎn)子偶發(fā)跟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。該燃機(jī)靜置24 h 后，進(jìn)行盤車檢查發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子及高壓轉(zhuǎn)子盤車狀態(tài)均恢復(fù)正常。

2 故障診斷分析

2.1 碼頭檢查及分析

故障當(dāng)日船方對燃機(jī)運(yùn)行操作均合理規(guī)范，且當(dāng)日氣象環(huán)境、海洋環(huán)境和空氣環(huán)境均正常，可排除外部因素對機(jī)組影響。

根據(jù)故障現(xiàn)象及歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，技術(shù)人員首先完成了燃?xì)廨啓C(jī)的靜態(tài)檢查，主要檢查項(xiàng)目為盤車檢查、金屬屑信號器檢查、通流區(qū)域葉片結(jié)構(gòu)檢查、機(jī)外回油濾檢查等，均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。然后對故障燃機(jī)開展了系泊狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)檢查，完成了燃機(jī)冷吹、工藝拖轉(zhuǎn)、起動(dòng)至慢車工況、水清洗以及水清洗后的燃機(jī)啟動(dòng)至慢車工作等內(nèi)容。具體檢查情況如下：

1）冷吹及工藝拖轉(zhuǎn)時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行狀態(tài)總體正常，高壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)值在2 mm/s 左右，低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)值在1.8 mm/s 左右。

2）冷吹及工藝拖轉(zhuǎn)結(jié)束后，燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)至慢車工況，燃機(jī)總體運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)。起動(dòng)過程中，低壓轉(zhuǎn)速在2 000～2 100 轉(zhuǎn)/分鐘區(qū)間，高壓轉(zhuǎn)速在1 500～2 400 轉(zhuǎn)/分鐘區(qū)間時(shí)，高、低壓振動(dòng)值變大，低壓振動(dòng)最大值為13.1 mm/s，高壓振動(dòng)最大值為11.9 mm/s，隨著轉(zhuǎn)速增加，高、低壓振動(dòng)值降低。停機(jī)過程中，低壓轉(zhuǎn)速在400～1 000 轉(zhuǎn)/分鐘區(qū)間，高壓轉(zhuǎn)速在1 300～2 700 轉(zhuǎn)/分鐘區(qū)間時(shí)，高、低壓振動(dòng)值變化較大，低壓振動(dòng)最大值為7.3 mm/s，高壓振動(dòng)最大值為8.6 mm/s，數(shù)值相比故障日停機(jī)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)均有明顯減小，如圖2 所示。

圖2 靜態(tài)檢查后燃機(jī)啟動(dòng)全過程低、高壓振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化值

3）為排除通流區(qū)域積垢對燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，技術(shù)人員對故障燃機(jī)進(jìn)行水清洗，并按規(guī)范要求在水清洗后對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行工藝拖轉(zhuǎn)，起動(dòng)燃機(jī)至慢車工況烘干。水清洗、工藝拖轉(zhuǎn)、以及慢車工況運(yùn)行時(shí)，燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)均與靜態(tài)檢查后首次冷吹、工藝拖轉(zhuǎn)及慢車工況運(yùn)行數(shù)據(jù)相似，其振動(dòng)值變化如圖3 所示。

圖3 水清洗后起動(dòng)至慢車低、高壓振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化值

4）動(dòng)態(tài)檢查過程中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)起動(dòng)和停機(jī)過程存在低頻噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)輕微抖動(dòng)現(xiàn)象（低頻噪聲類似“突突”“轟轟”聲），冷吹和慢車工況運(yùn)行時(shí)，低頻噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)輕微抖動(dòng)現(xiàn)象減弱。

2.2 航行試驗(yàn)檢查及分析

通過燃機(jī)碼頭慢車工況動(dòng)態(tài)驗(yàn)證，盤車正常，未復(fù)現(xiàn)抱軸現(xiàn)象，僅在起動(dòng)和停機(jī)過程中存在明顯低頻噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)輕微抖動(dòng)現(xiàn)象，問題原因暫不能準(zhǔn)確定位。因此組織該船燃機(jī)開展航行工況運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容主要包括燃機(jī)各工況穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)、燃機(jī)機(jī)動(dòng)性試驗(yàn)以及抱軸故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)等。同時(shí)為彌補(bǔ)燃機(jī)在線振動(dòng)測試系統(tǒng)僅能顯示通頻速度有效值而無法查看異常頻率振動(dòng)分量的問題，技術(shù)人員采用離線監(jiān)測手段在故障燃機(jī)與正常燃機(jī)低壓端相同位置附加設(shè)置兩個(gè)測點(diǎn)（圖4），開展振動(dòng)信號的精密診斷與比對分析。

圖4 附加測點(diǎn)位置示意圖

各運(yùn)行工況下附加測點(diǎn)振動(dòng)測量數(shù)據(jù)如表1。

表1 附加測點(diǎn)振動(dòng)測量數(shù)據(jù)

上述測量結(jié)果顯示：故障燃機(jī)振動(dòng)明顯大于正常燃機(jī)，同一工況下相同測點(diǎn)振動(dòng)總量基本上為正常燃機(jī)2 至3 倍；故障燃機(jī)振動(dòng)主要來源于高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)頻分量，且該分量幅值明顯大于正常燃機(jī)，而低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)頻分量幅值均較小，兩者數(shù)值相差不大。

通過對振動(dòng)信號進(jìn)一步的波形頻譜分析可知：故障燃機(jī)在低工況下出現(xiàn)明顯的異常頻率振動(dòng)分量，而正常燃機(jī)無對應(yīng)異常分量，如進(jìn)一工況故障燃機(jī)低壓端測點(diǎn)1 和測點(diǎn)2 頻譜圖中34.6 Hz分量幅值較大，并伴有明顯的69.3 Hz、103.9 Hz、138.6 Hz、173.2 Hz 、207.9 Hz、242.5 Hz 分量（圖5 所示），它們分別為高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)頻的1/3、2/3、1、4/3、5/3、2、7/3 倍，懷疑高壓壓氣機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況下存在轉(zhuǎn)子碰摩情況，且支承部件間可能存在松動(dòng)問題。

圖5 進(jìn)一工況下附加測點(diǎn)振動(dòng)波形頻譜圖

此外航行試驗(yàn)檢查還發(fā)現(xiàn)在進(jìn)3、進(jìn)6、進(jìn)9工況時(shí)，出現(xiàn)3 次高壓壓氣機(jī)后機(jī)匣金屬屑報(bào)警，經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)信號器中存在少量絲狀金屬屑及碎狀金屬屑，清潔信號器并工況運(yùn)行2 h 后，檢查發(fā)現(xiàn)少量碎狀金屬屑再次產(chǎn)生。

2.3 初步原因分析

根據(jù)靜態(tài)檢查、動(dòng)態(tài)檢查以及航行試驗(yàn)檢查結(jié)果，綜合振動(dòng)故障特征及其它故障征兆，認(rèn)為：1）高壓壓氣機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況下出現(xiàn)轉(zhuǎn)子碰摩情況；2）高壓轉(zhuǎn)子軸承某部位存在異常，初步定位為高壓壓氣機(jī)后軸承區(qū)域。根據(jù)高壓壓氣機(jī)后軸承處結(jié)構(gòu)、應(yīng)力及運(yùn)行特性分析，可能導(dǎo)致此次故障的原因有高壓轉(zhuǎn)子的高壓后軸承疲勞失效、軸承支撐件出現(xiàn)異常、異物進(jìn)入高壓后軸承腔、高壓后軸承緊固件松動(dòng)等，從而導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)變差，發(fā)生高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子抱軸現(xiàn)象。

3 故障拆檢結(jié)果

故障燃機(jī)返廠后首先檢查機(jī)器外觀，重點(diǎn)檢查外部附件、管路及電氣設(shè)備外觀。之后對燃?xì)獍l(fā)生器進(jìn)行了盤車，檢查有無異常。然后將其分解成高、低壓轉(zhuǎn)子狀態(tài)。在完成部件分解之后，在高壓壓氣機(jī)的4 號支點(diǎn)位置發(fā)現(xiàn)異常，對4 支點(diǎn)軸承區(qū)域部件進(jìn)行重點(diǎn)拆解，明確存在故障：鎖圈鎖耳斷裂、調(diào)整墊存在磨損、軸承動(dòng)環(huán)端面存在磨損且有黑色附著物、石墨環(huán)端面嚴(yán)重磨損、曲徑密封套端面磨損、軸套開裂表面磨損、4 號支點(diǎn)軸承內(nèi)環(huán)松動(dòng)等，故障結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 高壓壓氣機(jī)4 號支點(diǎn)軸承故障結(jié)構(gòu)示意圖

對比前期故障監(jiān)測診斷分析結(jié)果，燃機(jī)現(xiàn)場拆檢所反映的故障情況與前期推論基本一致，具體對應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

表2 監(jiān)測診斷結(jié)論與故障拆檢結(jié)果對應(yīng)驗(yàn)證關(guān)系

4 結(jié)語

振動(dòng)好壞直接關(guān)系到燃?xì)廨啓C(jī)的使用安全，作為裝備管理人員應(yīng)加強(qiáng)對燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的振動(dòng)監(jiān)測，上述案例正是由于船員敏銳察覺燃機(jī)振動(dòng)參數(shù)的異常變化，及時(shí)作出停用決定，才有效避免了燃機(jī)故障的深度劣化甚至整機(jī)報(bào)廢。但燃機(jī)由于軸系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生振動(dòng)因素較多，同一振動(dòng)故障可能有著多方面的癥候表現(xiàn)，不同振動(dòng)問題也可能有著相同的狀態(tài)反映，對振動(dòng)信號進(jìn)行頻譜分析，找到振動(dòng)產(chǎn)生的根本原因，才能有效排除故障[4]。因此僅監(jiān)測顯示燃機(jī)的振動(dòng)總量不能確定故障源頭，還應(yīng)增加設(shè)置一個(gè)實(shí)時(shí)頻譜分析設(shè)備，F(xiàn)FT 將振動(dòng)信號中各項(xiàng)頻率成分進(jìn)行分解，并通過與正常信號或故障特征庫分析比對，甄別出異常頻率成分，分析振動(dòng)來源從而實(shí)現(xiàn)故障診斷的目的[5]。