大型旋转机械状态监测与故障诊断

大型旋转机械状态监测与故障诊断1 故障诊断的含义故障就是指机械设备丧失了原来所规定的性能和状态。

通常把运行中的状态异常、缺陷、性能恶化及事故前期的状态统称为故障，有时也把事故直接归为故障。

而故障诊断则是根据状态监测所获得的信息，结合设备的工作原理、结构特点、运行参数及其历史运行状况，对设备有可能发生的故障进行分析、预报，对设备已经或正在发生的故障进行分析、判断，以确定故障的性质、类别、程度、部位及趋势。

大型旋转机械是指由涡轮机（如汽轮机、水轮机、燃气轮机、烟气轮机等）及其驱动的工作机（如离心式压缩机、轴流式压缩机、发电机等）所组成的透平式流体动力机械，习惯上简称大型机组。

大型机组是化工、石化、电力、钢铁等行业的关键设备，例如：乙烯装置的三机（裂解气压缩机、乙烯压缩机、丙稀压缩机），化肥装置的五机（原料气压缩机、空气压缩机、合成气压缩机、氨压缩机、二氧化碳压缩机），炼油装置的三机（烟机、主风机、富气式压缩机），大型空分装置的空气压缩机，中心电站的大型汽轮机或水轮发电机组，钢铁企业的氧压缩机及高炉风机等。

大型机组由于功率大、转速高、流量大、压力高、结构复杂、监控仪表繁多，运行及检修要求高，因此在设计、制造、安装、检修、运行等环节稍有不当，都会造成机组在运行时发生种种故障。

大型机组本身价格昂贵，大型机组的故障停机又会引起整个生产装置的全面停产，给企业、社会、国家造成巨大的经济损失。

因此，认真做好大机组的状态监测与故障诊断工作，对避免恶性设备损坏事故的发生，降低停机次数和缩短停机时间、减少企业的经济损失是十分有益的。

2 故障诊断的目的故障诊断的根本目的就是要保证大型机组的安全、稳定、长周期、满负荷、优良运行，其目的主要为：①对机组运行中的各种异常状态作出及时、正确、有效的判断，预防和消除故障，或者将故障的危害性降低到最低程度；同时对设备运行进行必要的指导，确保运行的安全性、稳定性和经济性。

②确定合理的故障检修时机及项目，既要保证设备在带病运行时安全、不发生重大设备故障，又要保证停机检查时发现设备的确有问题，合理延长设备的使用寿命和降低维修费用。

③通过状态监测，为提高设备的性能而进行的技术改造及优化运行参数提供数据和信息。

3 故障诊断的任务故障诊断的任务主要包括三个方面，即监视机组的运行状态，判断其是否正常；判断机组的故障，预测将来发生的趋势，并提供消除故障的思路；指导机组的运行和维修。

4 故障诊断的方法4.1 振动分析法振动分析法是对设备所产生的机械振动进行信号采集、数据处理后，根据振幅、频率、相位及相关图形所进行的故障分析。

一方面由于在大型旋转机械的所有故障中，振动问题出现的概率最高；另一方面，振动信号包含了丰富的机械及运行的状态信息，既包含了转子、轴承、联轴器、基础、管线等机械零部件运行中自身状态的信息，又包含了诸如转速、流量、进出口压力及温度、油温等影响运行状态的信息；第三，振动信号易于拾取，便于在不影响机器运行的情况下实行在线监测和诊断。

因此振动分析法是旋转机械故障诊断中运用最广泛，也最行之有效的方法。

采用振动分析法，可以对旋转机械大部分的故障类型进行准确的诊断，如转子动不平衡问题、转轴弯曲、轴承工作不良、油膜涡动及油膜振荡、转子热不对中、动静件摩擦、旋转失速及喘振、转轴的横向裂纹、叶轮松动、结构共振等等。

4.2 油膜分析法油膜分析法是对机组在用润滑油的油液本身及油中微小颗粒所进行的理化分析。

通过对润滑油的粘度、闪点、酸值、破乳化度、水分、机械杂质、液相锈蚀试验、抗氧化安全性等各种主要性能指标的检验分析，不仅可以掌握润滑油本身的性能信息，而且也可以了解到机组轴承、密封的工作状况。

尤其是对油液中不溶物质，主要是微小固体颗粒所进行的铁谱分析、光谱分析、颗粒计数，可以识别油液中所含各种颗粒的化学成分及其浓度、形貌、尺寸，从而对润滑、特别是轴承合金、轴颈、浮环、机械密封的动静环、油封及油档等摩擦副的磨损状态进行科学的分析与诊断。

因此油液分析法也是大型旋转机械故障诊断中的一个重要方法。

4.3 轴位移的监测在某些非正常的情况下，大型旋转机械的转子会因轴向力过大而产生较大的轴向位移，严重时会引起推力轴承磨损，进而引起叶轮与汽缸隔板摩擦碰撞；大型汽轮机在启动和停车过程中，也会因转子与缸体受热和冷却不均而产生差胀，严重时会发生轴向动静摩擦。

尽管轴位移故障的概率不是很高，但也常有发生，特别是一旦发生后对设备造成的损坏往往是灾难性的。

所以，对轴位移进行在线状态监测和故障诊断分析很有必要。

4.4 轴承回油温度及瓦块温度的监测检修或运行中的操作不当都会造成轴承工作不良，从而引起轴承瓦块及轴承回油温度升高，严重时会造成烧瓦。

所以对轴承回油温度、瓦块温度进行监测也很必要。

按API617规定，轴承进出口润滑油的正常温升应小于28℃，轴承出口处的最高油温应小于82℃。

另外，用铂电阻在距轴承合金1mm处测量时，一般不应超过110～115℃。

但由于温度的反映往往滞后，具体的测量方法又各不相同，因此应具体情况具体分析。

4.5 综合分析法在进行实际的故障诊断时，往往是将以上各种方法连同工艺及运行参数的监测与分析一起进行综合分析的。

5 故障诊断的常用图谱5.1 常规图谱（又称稳态图，不含开停车信息）5.1.1 机组总貌图——显示机组总貌，查看探头的位置及位号。

5.1.2 单值棒图——显示实时振动值，并可知低报、高报警值及转速。

5.1.3 多值棒图¬——显示实时通频值及各主要振动分量的振动值，可大致了解机组运行是否正常。

①通频值——通频值即总振动值，为各频率下振动分量相互迭加后的总和。

②一倍频——又称基频、工频，为转子实际工作转速的频率，f = n /60[Hz]；转子动不平衡、轴承工作不良、热态对中不良等均会引起一倍频增大，发生概率依次降低。

③二倍频——二倍工频，转子热态对中不良、裂纹、松动等都会引起二倍频增大，主要是对中不良。

④0.5倍频——0.5倍工频，油膜失稳会引起该频率段增大，轴承工作不良（如间隙、紧力、接触、摇摆、油档等）也会引起该段频率增大；旋转失速（喘振的先兆）的频率为(0.4~0.8)倍工频，也有可能。

⑤可选频段——用户根据机组的特点，自己定义的频段。

⑥残余量——剩余频率成分振动分量的总和。

该部分振值高时，转子有可能发生摩擦、气流脉动等。

正常运转状态下的多值棒图通常是，一倍频最大，二倍频小于一倍频的一半，0.5倍频微量或无，残余量不大。

5.1.4 波形图——显示通频振动位移（总振值）与时间(周期)的关系，又称幅值时域图。

在正常的状态下，波形图应为较平滑的正弦波，且重复性好。

a．动不平衡时，在一个周期为典型的正弦波；b．中不良时，在一个周期为波峰翻倍，波形光滑、稳定、重复性好；c．摩擦时，波峰多，波形毛糙、不稳定、或有削波；d．自激振荡（油膜涡动，旋转脱离）时，波形杂乱、重复性差、波动性大。

5.1.5 频谱图——显示了在各振动分量的频率及其振幅值。

横坐标可选择“阶比”或“频率”，一般用阶比。

各种频率所对应的故障可参照前面在多值棒图中的介绍。

正常运转状态下的频频图通常是，一倍频最大，二倍频次之、约小于一倍频的一半，三倍频、四倍频…x倍频逐步参差递减，低频（即小于一倍频的成份）微量。

看图谱不能就图看图，一定要与历史和正常运转下的频谱图相比较，查找那些频率成份发生了变化，变化的倍率有多大。

5.1.6 轴心轨迹图——显示转子轴心相对于轴承座涡动运动的轨迹。

有原始、提纯、平均、一倍频、二倍频等轴心轨迹，主要看提纯。

在正常的情况下，轴心轨迹为一椭圆形。

若轴心轨迹的形状、大小重复性好，则表明转子是稳定的。

对中不良时，为香蕉状，严重时为8字形；摩擦时，多处出现锯齿尖角或小环；瓦块安装间隙相互偏差较大时，会出现明显的凸起状。

油膜涡动时，大圈套小圈。

5.1.7 振动趋势图——显示振幅及相位与时间的关系。

从振动趋势图可以看到异常振动的起始时间、持续时间、终止时间，依此查看DCS，查找机组的运行参数有无发生重大变化，从而确定故障的真伪。

还可以通过选择框，看到各探头的间隙电压趋势，从而确定一次仪表本身有无故障。

并且可以更清晰地看到工频、二倍频、0.5倍频等主要频率成份幅值变化的形态，从而进行故障类型、程度、趋势的诊断。

依次看各振动分量的趋势图，查找变化量最大的频率成分，从而确定故障类型。

例如，看一倍频有无变化，能否回到原正常值，是否发生突变（含相位）。

若不能回到原正常值，则为动不平衡；若突变，则为转子损伤；若变化缓慢，则为转子结垢（如催化剂粘结）。

看异常振动分量的变化倍率，从而确定故障的程度，进而确定是否停机。

例如，对动不平衡，若超出正常值的一倍，应引起重视，但仍可监视运行；若超出2.5倍，或为继续上升的趋势，则应尽快组织停机抢修。

对伴有低频分量引起的轴承工作不良，则应根据波动的间隔时间、波动量的大小、能否回到原正常值作出判断。

5.1.8 过程振动趋势图——显示转子轴位移及机组的过程参数与时间的关系。

机组的过程参数，如进出口压力、温度及流量、油温、瓦温等，对故障诊断是有帮助的。

轴位移发生变化时应该与转子的轴向力（由进、出口压差、流量、分子量、是否带液等决定）及推力轴承瓦温综合判断。

5.1.9 极坐标图——各振动分量的幅值及相位随时间变化的统计结果，亦称可接受区域图。

散布集中、相位稳定时，好；散布区域增大、相位改变时，应引起重视。

5.1.10 轴心位置图——在忽略振动的情况下，显示轴心相对与轴承中心的稳态位置。

可以看出轴承的偏位角、偏心距、最小油膜的厚度，从而判断转子运行是否平稳。

5.1.11 全息谱图——全面反映转子在同一轴承处主要振动分量的振幅、相位、频率信息。

全息谱图实际上是将两个相互垂直的同一阶次频率谐波合成后的轨迹图集合在一起，对分析较疑难的故障作用更加明显。

正常运转状态下，全息谱图中的轨迹为椭圆。

若轨迹为正圆或接近为正圆，则表明两个相互垂直方向上的振动幅值相同、相位差为90°或幅值相近、相位差很接近90°；若轨迹为斜直线或接近为斜直线，则表明两方向振动相位相同或非常接近；若轨迹为水平线或垂直线，则表明水平或垂直方向上的振动分量要比另一方向大得多。

5.2 启停机图谱（又称瞬态图，仅分析启停机过程中的状况）5.2.1 转速时间图——显示开停机过程中，转速变化与时间的关系。

5.2.2 Nyquist图——把开停机过程中振幅与相位随转速变化关系用极坐标的形式表示出来，又称极坐标图，或奈奎斯特图。

通过最大振幅，可以看见转子的实际临界转速，通过有无小圈，可以看到转子以外的元件振动，如管道、联轴节、机壳、基础等对转子产生的谐振作用。

5.2.3 波德图——显示转子振幅和相位随转速变化的关系曲线。