陳明華，葉劍，肖宇

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

海洋石油大型泵類，如外輸泵、注水泵以及高速渦輪機(jī)械類，如燃?xì)廨啓C(jī)、離心壓縮機(jī)都屬于關(guān)鍵動(dòng)設(shè)備，為保障設(shè)備運(yùn)行可靠性，普遍應(yīng)用了狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。這兩類設(shè)備因結(jié)構(gòu)及運(yùn)行環(huán)境不同，在監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)、軟件工具、數(shù)據(jù)分析特點(diǎn)方面又存在諸多差異，詳述如下。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及運(yùn)行環(huán)境差異（表1）

表1

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)差異（表2）

表2

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析工具差異（表3）

表3

對(duì)于振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析方面的差異下文結(jié)合設(shè)備轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)單模型的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，以不平衡為例進(jìn)行討論。

對(duì)于同樣使用動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，包括離心泵及離心壓縮機(jī)，其簡(jiǎn)單模型中在不平衡力作用下強(qiáng)迫振動(dòng)的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)式，式（1）。

其中，Aejα為振動(dòng)矢量，α為振動(dòng)高點(diǎn)位置，δ為質(zhì)量重點(diǎn)位置；m為不平衡質(zhì)量；r為不平衡質(zhì)量距旋轉(zhuǎn)中心距離；Ω為轉(zhuǎn)速，不平衡質(zhì)量與轉(zhuǎn)速同步；K為轉(zhuǎn)子靜態(tài)剛度；M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；D為轉(zhuǎn)子阻尼常數(shù)；λ為油膜流體周向平均速度比。

由式（1）可知，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)大小取決于不平衡力與轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)剛度的比。

海上燃機(jī)等高速渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)上均在一階臨界轉(zhuǎn)速上運(yùn)行，設(shè)K、D、λ為常數(shù)，則僅與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大小相關(guān)；當(dāng)時(shí)，徑向動(dòng)態(tài)剛度為零，轉(zhuǎn)子共振，振動(dòng)最大，相位滯后90度。當(dāng)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，以轉(zhuǎn)子質(zhì)心為中心旋轉(zhuǎn)，振動(dòng)大小接近于質(zhì)量偏心距r。

上文假設(shè)轉(zhuǎn)子的剛度、阻尼不變，適用于設(shè)備工作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工況下。在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中，隨著轉(zhuǎn)速的變化，轉(zhuǎn)子軸頸在軸承中的位置，即偏心率，始終隨著轉(zhuǎn)子受力變化而不斷調(diào)整。對(duì)于橢圓瓦軸承，軸心在啟動(dòng)過程中，不斷抬升。油膜軸承油膜剛度和阻尼是軸心偏心率非線性函數(shù)關(guān)系，總體上，高偏心率時(shí)，油膜軸承剛度大，阻尼大，低偏心率時(shí)，剛度小、阻尼小。油膜軸承在轉(zhuǎn)子承受動(dòng)態(tài)、靜態(tài)載荷是其偏心率也會(huì)顯著變化，如，進(jìn)氣載荷、不對(duì)中和齒輪嚙合力施加的載荷等，因此，油膜軸承不論是在起停車，還是在定速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，其剛度和阻尼是動(dòng)態(tài)變化的，并影響動(dòng)態(tài)剛度、臨界轉(zhuǎn)速和振型，并最終影響振動(dòng)幅值的大小。

海上大多數(shù)離心泵轉(zhuǎn)子支撐軸承為滾動(dòng)軸承，其振動(dòng)響應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可簡(jiǎn)化為公式（3）。

海上平臺(tái)離心泵與高速渦輪機(jī)械不同，工作于轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速之下為剛性轉(zhuǎn)子，只有當(dāng)靜態(tài)剛度K發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)才會(huì)進(jìn)入共振影響區(qū)域。由此可知，剛性軸滾動(dòng)軸承的泵類，工作轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，振幅大小主要受激振力不平衡力大小、轉(zhuǎn)子軸系的靜態(tài)剛度影響，轉(zhuǎn)子振動(dòng)矢量與激振力之間的夾角近似為零，因此很少用到瞬態(tài)分析工具分析離心泵啟停車過程的瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)。

4 監(jiān)測(cè)與診斷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)異同（表4）

表4

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，離心泵與高速渦輪機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)存在諸多差異，對(duì)高速渦輪機(jī)械進(jìn)行數(shù)據(jù)分析除了監(jiān)測(cè)正常運(yùn)行條件下的振動(dòng)數(shù)據(jù)外，還應(yīng)關(guān)注以下數(shù)據(jù)。

（1）設(shè)備啟停車瞬態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）觀察設(shè)備慢滾動(dòng)矢量數(shù)據(jù)及其變化。

（3）關(guān)注設(shè)備運(yùn)行過程的操作、工藝量數(shù)據(jù)、振動(dòng)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)變化情況。

（4）觀察設(shè)備較長(zhǎng)時(shí)間段的振動(dòng)矢量幅值與方向變化趨勢(shì)。

必要時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行與故障診斷相關(guān)單位專項(xiàng)測(cè)試，主要包括以下測(cè)試。

（1）機(jī)組升、降速振動(dòng)試驗(yàn)，以確定機(jī)組實(shí)際軸系臨界轉(zhuǎn)速及過臨界的振動(dòng)特性。

（2）發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流試驗(yàn)，判斷機(jī)組故障時(shí)電氣故障還是機(jī)械故障。

（3）汽輪機(jī)組的有功負(fù)荷試驗(yàn)，判斷機(jī)組負(fù)荷調(diào)整過程中，汽輪機(jī)機(jī)械狀態(tài)和熱狀態(tài)變化對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響。

（4）軸承動(dòng)剛度測(cè)試及軸承座外部振動(dòng)特性試驗(yàn)，測(cè)量軸承及其連接部位的振動(dòng)，以確定其振動(dòng)特性和連接狀況。

（5）結(jié)構(gòu)固有頻率測(cè)試，確定軸承座，端蓋等固定鋼結(jié)構(gòu)固有頻率，確定是否存在結(jié)構(gòu)共振。

（6）機(jī)組軸系動(dòng)態(tài)標(biāo)高試驗(yàn)，測(cè)量機(jī)組在升、降速和帶負(fù)荷過程中軸系個(gè)軸承標(biāo)高的變化。