席偉明

（湖北華電江陵發(fā)電有限公司，荊州 434100）

汽輪機(jī)振動(dòng)分析與診斷技術(shù)

席偉明

（湖北華電江陵發(fā)電有限公司，荊州 434100）

本文就汽輪機(jī)振動(dòng)故障問(wèn)題進(jìn)行全面研究和分析，并針對(duì)其診斷技術(shù)做出全面介紹，以此提高汽輪機(jī)的使用壽命，更好地促進(jìn)電力企業(yè)的發(fā)展。

汽輪機(jī) 振動(dòng) 診斷技術(shù)

汽輪機(jī)電機(jī)組是電力系統(tǒng)中重要的組成內(nèi)容，主要由氣缸、轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器等部件構(gòu)成，屬于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械。該類(lèi)設(shè)備的正常運(yùn)行除了能保障電力生產(chǎn)企業(yè)供電正常外，還能確保相關(guān)工作人員的人身安全。因此，加強(qiáng)汽輪機(jī)振動(dòng)故障的檢查及診斷，對(duì)保障汽輪機(jī)的安全使用具有重大意義[1]。但目前而言，由于汽輪機(jī)工作環(huán)境極為復(fù)雜，加上一些人為因素的影響，汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)故障的發(fā)生率不斷增加，繼而嚴(yán)重威脅其使用安全性。下文將對(duì)汽輪機(jī)振動(dòng)故障及其診斷技術(shù)進(jìn)行有效分析和探索，以供參考。

1　對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行維護(hù)的重要性

在生產(chǎn)企業(yè)中，汽輪機(jī)組是其中的重要組成部分。因此，它的運(yùn)行效率和維護(hù)情況將直接影響生產(chǎn)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)情況和生產(chǎn)效率。若汽輪機(jī)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常現(xiàn)象卻沒(méi)有進(jìn)行及時(shí)有效的檢修與維護(hù)，則會(huì)對(duì)生產(chǎn)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)和生產(chǎn)造成嚴(yán)重浪費(fèi)和損失，甚至造成機(jī)器故障和人員安全事故[2]。目前，汽輪機(jī)仍是我國(guó)發(fā)電的重要手段。因此，對(duì)于發(fā)電廠來(lái)說(shuō)，它的主要維護(hù)任務(wù)是確保汽輪機(jī)組的正常運(yùn)行，提高汽輪機(jī)運(yùn)行效率，并逐步提升和改進(jìn)汽輪機(jī)的運(yùn)行維護(hù)技術(shù)。同時(shí)，要不斷交流和總結(jié)其故障維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，加大汽輪機(jī)維護(hù)人才的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和技能培養(yǎng)等，從而為汽輪機(jī)故障維護(hù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，不斷增強(qiáng)汽輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，以提升我國(guó)發(fā)電部門(mén)的發(fā)電效率。

2　造成汽輪機(jī)振動(dòng)的原因

造成汽輪機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)的原因較多，要找出其中的根本原因?qū)崉t較為困難。另外，由于汽輪機(jī)振動(dòng)現(xiàn)象通常由多方面的原因引起，且其振動(dòng)分量較多，因此需要通過(guò)復(fù)雜的分析和檢測(cè)進(jìn)行判定。

導(dǎo)致汽輪機(jī)振動(dòng)的重要因素可歸納為以下幾點(diǎn)。

中心偏差：該影響因素主要是指發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)軸的軸心線沒(méi)有形成良好的連接，從而使各軸受力情況出現(xiàn)差異，導(dǎo)致整體汽輪機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。

轉(zhuǎn)軸平衡較差：大部分的汽輪機(jī)組振動(dòng)均由轉(zhuǎn)軸平衡性能較差而導(dǎo)致。轉(zhuǎn)軸不平衡可分為動(dòng)和靜兩種不平衡方式。汽輪機(jī)組在檢修后或出廠前，若未進(jìn)行靜平衡校準(zhǔn)，則會(huì)使機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生不平衡離心力，并且還會(huì)在軸承上出現(xiàn)相應(yīng)的干擾力，從而最終導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。而動(dòng)不平衡狀態(tài)又可分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種不平衡方式。其中，瞬態(tài)動(dòng)不平衡產(chǎn)生的原因主要為機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，整體受熱不一致而出現(xiàn)短暫變形，或是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)作用下出現(xiàn)松動(dòng)，亦或是轉(zhuǎn)軸部分零件的性能、剛度較差，從而造成彈性變形等。

軸承油膜振蕩或不穩(wěn)定：機(jī)組轉(zhuǎn)軸在運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)瓦中的轉(zhuǎn)頸處于穩(wěn)定狀態(tài)中，而轉(zhuǎn)瓦與轉(zhuǎn)頸之間的這種穩(wěn)定狀態(tài)則由適當(dāng)?shù)男ㄐ斡湍ず穸葋?lái)維持。若因各種因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)子脫離穩(wěn)定狀態(tài)，如軸心偏移等因素，可造成軸承與轉(zhuǎn)頸之間的油膜厚度發(fā)生變化，從而使油楔之間的油壓也發(fā)生相應(yīng)變化，可能會(huì)打破轉(zhuǎn)軸與總壓力之間重量的平衡，致使轉(zhuǎn)軸位置發(fā)生變化[3]。由此說(shuō)明，轉(zhuǎn)頸若在轉(zhuǎn)瓦中出現(xiàn)浮動(dòng)現(xiàn)象，則會(huì)使轉(zhuǎn)子重量與油膜總壓力之間的平衡難以維持，從而導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。

轉(zhuǎn)承裝配較差或轉(zhuǎn)子支撐剛度較低：由于轉(zhuǎn)頸主要在轉(zhuǎn)承上旋轉(zhuǎn)工作，因此若轉(zhuǎn)承裝配、結(jié)構(gòu)等較差，或是轉(zhuǎn)子剛度較低，則當(dāng)轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)些微不平衡現(xiàn)象時(shí)，將勢(shì)必會(huì)造成機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。

轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)不合理：當(dāng)轉(zhuǎn)軸本身設(shè)計(jì)或是機(jī)組設(shè)計(jì)不合理時(shí)，或未對(duì)轉(zhuǎn)瓦油膜、轉(zhuǎn)承支座等進(jìn)行考慮時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致?lián)闲赞D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速相接近，從而使機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)的現(xiàn)象。

機(jī)組運(yùn)行新工況異常：真空惡化、氣溫驟降以及主蒸汽參數(shù)比規(guī)定值高等因素，均會(huì)導(dǎo)致機(jī)組零部件產(chǎn)生膨脹不一致的現(xiàn)象，從而出現(xiàn)中心偏移、熱彎曲等情況，造成機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。

機(jī)組內(nèi)部振動(dòng)：機(jī)組零件或內(nèi)部機(jī)件的振動(dòng)、調(diào)速器不合理組裝、調(diào)節(jié)系統(tǒng)不穩(wěn)定等因素，均會(huì)造成整體機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。

基礎(chǔ)缺陷：在基礎(chǔ)澆灌效率和質(zhì)量較差的情況下，或是因基礎(chǔ)自振頻率降低而出現(xiàn)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同的情況，均會(huì)使汽輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)基礎(chǔ)與機(jī)組之間的共振現(xiàn)象。

3　汽輪機(jī)構(gòu)建探析

從運(yùn)動(dòng)方面，可將汽輪機(jī)構(gòu)建分為靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分。其中，靜止部分主要是由軸承、加熱系統(tǒng)、汽封、隔板、滑銷(xiāo)系統(tǒng)、噴嘴、進(jìn)汽部分、汽缸等部件構(gòu)成，而轉(zhuǎn)動(dòng)部分則是由一般聯(lián)軸器、葉片、葉輪、主軸等部件組合而成。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，一般情況下為使機(jī)紐快速啟動(dòng)，通常需要將汽缸分為排氣缸、中壓缸以及高壓缸，期間使用隔板將其進(jìn)行分離[4-5]。而在少數(shù)汽輪機(jī)中還安裝有中軸系統(tǒng)，其作用主要是為了提升機(jī)組性能。另外，通常情況下，機(jī)組分別設(shè)置有推力軸承和徑向軸承各兩個(gè)。其中，部分機(jī)組主要以單轉(zhuǎn)子三支成構(gòu)建為主，而部分機(jī)組則以雙推力支持聯(lián)合軸為主。當(dāng)下的機(jī)組中，則主要以可傾軸承與橢圓軸承為主。在啟動(dòng)汽輪機(jī)時(shí)，為減少機(jī)組盤(pán)車(chē)力矩，防止磨損軸承，可安裝低速自動(dòng)盤(pán)或是高壓頂軸等裝置來(lái)改善。

4　故障探查方法

4.1頻譜探查

頻譜探查法在汽輪機(jī)故障分析中，具有應(yīng)用普遍的特點(diǎn)。其中，較為常用的頻譜探查方法為幅值譜和功率譜兩種。幅值譜主要是指相應(yīng)頻率所產(chǎn)生的諧波震動(dòng)分量振幅。該探查方法在實(shí)施過(guò)程中具有直觀的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其譜線高度可反映出該頻率分量的情況和振幅大小[6-7]。而功率譜則是指由振動(dòng)頻率而產(chǎn)生的振動(dòng)功率分布情況，具有清晰的物理含義。總而言之，頻譜探查方法的主要目的是將可形成信號(hào)的頻率進(jìn)行分解，以方便振源識(shí)別。

4.2軌跡探查

在軸承座運(yùn)動(dòng)軌跡方面，轉(zhuǎn)子軸心能夠直接反映轉(zhuǎn)子瞬時(shí)動(dòng)態(tài)，并且還反映了諸多機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的相關(guān)信息。由此可見(jiàn)，軌跡探查法在汽輪機(jī)設(shè)備故障分析中，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。正常狀態(tài)中，可使軸心軌跡也處于穩(wěn)定的狀態(tài)，每次運(yùn)轉(zhuǎn)通常會(huì)保持一致的位置，并且軌跡大多相互重合。而當(dāng)軸心軌跡的大小與形狀出現(xiàn)變化時(shí)，表示轉(zhuǎn)子處于不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)此，應(yīng)及時(shí)調(diào)整工序，使機(jī)組恢復(fù)良好的穩(wěn)定性，避免發(fā)生停車(chē)事故。

4.3波形探查

振動(dòng)信息源最初為時(shí)間波形，且從傳感器傳輸出來(lái)的振動(dòng)信息大多為時(shí)間波形。對(duì)部分特征明顯的波形，可直接作為故障的判斷依據(jù)。由此可見(jiàn)，該探查方法具有簡(jiǎn)易直觀的優(yōu)勢(shì)。

4.4故障診斷過(guò)程中存在的問(wèn)題

檢測(cè)手段：在汽輪機(jī)設(shè)備故障診斷技術(shù)中，大量數(shù)學(xué)方法甚至部分理算法的水平均得到了較大提升。因此，獲取故障征兆是當(dāng)下汽輪機(jī)設(shè)備故障診斷面臨的重要課題，而檢測(cè)手段便是其中較為突出的問(wèn)題[8]。目前的汽輪機(jī)故障檢測(cè)手段無(wú)法滿足當(dāng)下故障診斷的需求，如對(duì)于內(nèi)杠螺栓裂損、調(diào)節(jié)系統(tǒng)異常、葉片動(dòng)應(yīng)力以及轉(zhuǎn)子體表溫度等檢測(cè)，均無(wú)良好的檢測(cè)手段。

故障機(jī)理：對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確診斷，首先需對(duì)其機(jī)理具有充分了解。但目前由于汽輪機(jī)設(shè)備故障較為復(fù)雜，使得對(duì)部分故障難以得出合理的理論解釋?zhuān)覍?duì)其機(jī)理缺乏相應(yīng)的了解，如在不穩(wěn)定的熱態(tài)系統(tǒng)中，其產(chǎn)生的彎扭復(fù)合振動(dòng)現(xiàn)象等，便是阻礙汽輪機(jī)設(shè)備故障診斷技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展的原因之一。

材料性能：設(shè)備壽命主要以其材料性能數(shù)據(jù)作為參考。但當(dāng)下在材料性能識(shí)別方面，尤其是對(duì)材料在復(fù)雜工作環(huán)境中性能產(chǎn)生變化的了解，仍然缺乏有效的手段。

5　深入研究汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷技術(shù)

5.1對(duì)暖機(jī)時(shí)間不夠及脹差過(guò)大引起振動(dòng)故障方面的診斷技術(shù)分析

汽輪機(jī)發(fā)動(dòng)時(shí)，可發(fā)現(xiàn)由于暖機(jī)時(shí)間不夠或者脹差過(guò)大所引起的振動(dòng)故障方面的發(fā)生率極高。據(jù)了解，轉(zhuǎn)子、氣缸等部件在汽輪機(jī)發(fā)動(dòng)與停止過(guò)程中存在多方面區(qū)別，如熱交條件、軸向形成的膨脹等方面。其中，軸向形成的膨脹主要指的是發(fā)生相對(duì)膨脹情況，又稱(chēng)為脹差。而汽輪機(jī)軸向動(dòng)靜間隙的動(dòng)態(tài)變化取決于脹差的大小。鑒于此，為了全面預(yù)防軸向間隙的摩擦，一方面應(yīng)當(dāng)加大脹差的監(jiān)控力度，另一方面則需要工作人員意識(shí)到監(jiān)視脹差的必要性和重要性，以降低脹差對(duì)汽輪機(jī)正常運(yùn)行的影響力度[9-10]。眾所周知，脹差的大小一般由汽輪機(jī)電機(jī)組定速后才有明顯反應(yīng)，而在升速至定速這一過(guò)程中卻不會(huì)發(fā)生任何脹差變化。這主要是由于此過(guò)程中的蒸汽溫度與流量處于平穩(wěn)狀態(tài)。所以，定速之后的脹差幅度會(huì)逐漸變大，并且延續(xù)時(shí)間極長(zhǎng)。此外，轉(zhuǎn)子與氣缸在低負(fù)荷暖機(jī)過(guò)程中，蒸汽會(huì)極度增加轉(zhuǎn)子及氣缸等部件的溫度?？偟膩?lái)說(shuō)，形成暖機(jī)時(shí)間不夠和脹差的因素大致包括供汽時(shí)間長(zhǎng)、暖機(jī)時(shí)間或長(zhǎng)或短等方面。

為有效預(yù)防以上情況的發(fā)生，應(yīng)當(dāng)做到：第一，重視高、低速階段中的操作，即在低速階段完成聽(tīng)音、在高速階段加強(qiáng)汽輪機(jī)振動(dòng)故障的重視度。若在此階段中振動(dòng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)范圍，需及時(shí)進(jìn)行檢查；第二，由于氣缸溫度偏低，在汽輪機(jī)機(jī)組并網(wǎng)后應(yīng)充分考慮轉(zhuǎn)子與氣缸之間的實(shí)際脹差，以便有效控制進(jìn)汽溫度。另外，為積極處理汽輪機(jī)發(fā)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的脹差大，還應(yīng)做到：第一，嚴(yán)格檢查主蒸汽的溫度，若存在過(guò)高現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)與相關(guān)操作人員取得聯(lián)系，將主蒸汽溫度控制在合適范圍內(nèi)；第二，確保汽輪機(jī)電機(jī)組的暖機(jī)程序在正常負(fù)荷狀態(tài)下進(jìn)行；第三，適當(dāng)減小蒸汽流量并保證凝汽器真空溫度處于正常狀態(tài)。

5.2對(duì)形成振動(dòng)故障診斷準(zhǔn)確率低的原因進(jìn)行相關(guān)分析

振動(dòng)診斷技術(shù)在汽輪機(jī)振動(dòng)故障中出現(xiàn)診斷率低的原因大致包括4個(gè)方面：沒(méi)有完全了解振動(dòng)特征；對(duì)故障機(jī)理認(rèn)識(shí)度不高；忽視內(nèi)部故障的檢查；部分工作人員單憑工作經(jīng)驗(yàn)實(shí)施故障處理。因此，在汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷中，應(yīng)根據(jù)具體情況采取針對(duì)性的解決措施，以避免振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。另外，若振動(dòng)故障診斷準(zhǔn)確率大于或等于50%，則表示對(duì)振動(dòng)消除效果極高；若在20%～30%范圍內(nèi)，則表示振動(dòng)消除效果較低[11]。當(dāng)前，正向推理法與反向推理法是汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷常見(jiàn)且常用的兩種手段，但反向推理法最為常用，尤其在分析振動(dòng)特征的過(guò)程中。反向推理法通過(guò)反推故障特點(diǎn)獲得各種各樣的結(jié)果，以有效處理振動(dòng)故障。

5.3探析振動(dòng)故障診斷步驟

在改善傳統(tǒng)故障診斷技術(shù)基礎(chǔ)上提升故障診斷準(zhǔn)確率是一種極為有效的方法。因此，必須把握好幾個(gè)步驟，才能充分提高其準(zhǔn)確率[12]。第一，明確振動(dòng)類(lèi)型，即詳細(xì)觀察振動(dòng)的外部特點(diǎn)，并全面查看其振動(dòng)頻譜；第二，仔細(xì)判斷及確認(rèn)引發(fā)故障的原因后，再進(jìn)行處理；第三，嚴(yán)密檢查軸承座剛度，同時(shí)有效分析激振力故障的因素；第四，對(duì)轉(zhuǎn)子等部件進(jìn)行詳細(xì)檢查，看看是否出現(xiàn)平直度偏差等不良情況，緊接著檢查汽輪機(jī)有無(wú)發(fā)生普通的振動(dòng)情況，進(jìn)而有效診斷振動(dòng)故障的類(lèi)型。

6結(jié)語(yǔ)

綜上所述，汽輪機(jī)的使用對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。因此，相關(guān)電力生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)汽輪機(jī)安全使用的重視度，并充分認(rèn)識(shí)到積極處理汽輪機(jī)振動(dòng)故障對(duì)機(jī)械正常運(yùn)行及安全使用的重要性。同時(shí)，在汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷中，需做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障問(wèn)題以及詳細(xì)分析故障因素，以盡早做出故障處理措施，進(jìn)一步保障汽輪機(jī)的使用壽命。另外，相關(guān)部門(mén)還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)工作人員的培訓(xùn)工作，從多個(gè)角度提高工作人員的工作素質(zhì)及專(zhuān)業(yè)技能，以保障汽輪機(jī)的安全使用?？傊?，只有全面掌握汽輪機(jī)的機(jī)械原理、維護(hù)知識(shí)以及了解汽輪機(jī)常見(jiàn)故障的處理措施等相關(guān)內(nèi)容，才能確保工作環(huán)境的安全和企業(yè)的正常運(yùn)營(yíng)，從而為進(jìn)一步診斷技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新提供有力基礎(chǔ)，有效提高企業(yè)的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。

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Vibration Analysis and Diagnosis of Steam Turbine

XI Weiming
(Hubei Huadian Power Company Limited Jiangling, Jingzhou 434100)

With the continuous development of the scientific level, the use of a stea m turbine plant made increasing demands, including availability, security, stability and other aspects of their. However, due to various factors, turbine vibration fault is increasingly growing trend, not very conducive to the s mooth conduct electricity production. This article T urbine Vibration Problem for a comprehensive study and analysis, and make a comprehensive presentation for its diagnostic techniques, in order to improve the life of the turbine, to better promote the development of power enterprises.

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