李志文 先生

高级工程师；

工作方向为设备故障诊断，现负责公司设备状态监测及故障诊断工作。

 

1  背景情况介绍

    汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械。岳阳林纸股份有限公司3#汽轮机为冲动式汽轮机，其工作原理可用图1表示。

    在汽轮机中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。高速气流流经动叶片时，由于气流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮旋转作功，将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。

    实际中，汽轮机轴上通常安装有多级叶片。蒸汽作功后，会进入到下一级叶片，再次作功。当蒸汽全部作功完成后，会从汽轮机尾部抽走，并完成蒸汽的热能转变为汽轮机转子动能的过程。

3#汽轮机装机容量为2.5MW，是公司主要发电机台，在生产中占有重要地位，其铭牌数据如表1。

    3#汽轮机正常生产中，因生产安排，该机组临时停机两天。当再次开机时，机组在冲转阶段，振动明显增大。在过临界转速后，振动没有下降，反而继续加大。监控数据显示瓦振达到100μm，严重超标。出于安全考虑，机组随即低速运行。在连续盘车14h后，机组再次冲转，振动依然超标。此时确认机组故障，无法正常并网，对全厂的生产安排造成影响。

 

2  故障诊断

    汽轮机属于重、大、精设备，在生产中占有重要地位。该机组停机前，运行数据正常。短暂停机后，再次开机即出现故障。由于故障毫无征兆，且停机期间也未对汽轮机做任何检修，因此车间人员暂无法短时间内对汽轮机故障做出判断。

    在此情况下，在车间生产人员配合下，对汽轮机故障进行了综合诊断。

2.1现场查看

    汽轮机现场无泄漏、松动等异常现象，主控室查看汽机历史运行数据无明显异常。机组的主要问题表现为冲转时振动大，并随转速上升而显著增大。

2.2数据采集

    针对汽轮机表现出来的故障，在生产人员的配合下分别在汽轮机转速900r/min和1200r/min时，对汽轮机振动数据进行了采集。采集的部位为：1#瓦、3#瓦、4#瓦（备注：2#瓦因现场原因，采集困难，且存在较大的安全风险，故未采集），各测点振动数据如表2。

    3#汽轮机额定转速为3000r/min，其临界转速为1600r/min，考虑到安全原因，数据采集只在较低转速下进行，因此最高只到1200r/min（备注：较低的转速可能会造成故障信号不明显，不利于对故障的诊断，但从后续的数据分析来看，并未对故障的诊断结果造成明显影响）。

    从表2数据初步判断，1#瓦、3#瓦振动偏大，且随转速变化明显。当转速只提升300r/min时，其振幅上升均超过100%，为确定故障原因，对数据进行了进一步分析。

2.3数据分析

    数据分析主要是通过频谱图，对设备振动进行分析，诊断设备故障的具体原因。

    频谱图反映的是设备振动各振动分量的组成，通过对频谱图的分析，可以找出造成设备振动的主要原因，从而确定设备故障的来源。因此，频谱图在设备故障诊断中占有非常重要的地位。

    通过对比分析各测点数据，3#瓦表现出较明显的故障信号，其频谱图见图2、图3。

对比分析3#瓦在不同转速下的频谱图，主要有以下两个明显的特征：

(1）转频（f）的谐波信号非常明显

    汽轮机使用的是滑动轴承，其稳定性非常好。汽轮机正常运行时，不会出现如此丰富的谐波信号。从故障诊断的经验来判断，谐波信号的产生有可能是油膜振荡、转子碰磨等原因。但油膜振荡本质来说是共振，会产生剧烈的振动，而且在低转速下也不可能发生油漠振荡。结合3#汽轮机实际运行情况，重点怀疑转子存在碰磨问题。

(2）转频（f）振幅变化明显

    汽轮机转速从900r/min升到1200r/min时，转频振幅从0.2mm/s急剧升到了1.1mm/s，升高了近5倍，但转速只上升了33%，说明汽轮机转频振动随转速变化明显。其它测点振动数据也表现出这一特征。此时诊断，汽轮机转子应该出现了较明显的动不平衡问题。汽轮机转子动不平衡原因主要有：叶片掉落、叶片损坏、转子弯曲等。由于3#汽轮机之前一直运行平稳，且只短暂停机两天，所以叶片出现问题的可能性不大。重点怀疑转子出现了弯曲现象。

2.4诊断结论

    通过对数据的综合分析，汽轮机应该同时存在转子弯曲，以及转子碰磨两种故障。

    转子弯曲：转子弯曲是指汽轮机在启停过程中，因上下缸温差过大，使转子受热不均造成弯曲。根据弯曲的严重程度，转子弯曲可分为临时性弯曲和永久性弯曲。

    临时性弯曲是指转子的弯曲程度不大，还没有超过转子弹性形变的范围，此时通过长时间连续盘车使转子均匀受热后可消除变形，让转子恢复正常。

永久性弯曲是指转子的弯曲程度过大，超过转子弹性形变的范围，造成永久性变形。永久性弯曲无法通过现场盘车的方式进行消除。

    转子发生弯曲后，会造成动不平衡问题，使转子的振动加大，其中一个显著的特征就是振动随转速变化明显。通过对数据的分析，虽然确定汽轮机转子存在弯曲的故障，但无法进一步确认转子是临时性弯曲，还是永久性弯曲，有待对转子做进一步检测。

    转子碰磨：是指转子在运转时，与静止部件发生碰撞摩擦，造成机组故障，振动加大。转子碰磨通常发生在轴与轴封片、叶片与汽封片之间。

汽轮机在设计时，为提高效率，轴（汽）封的间隙通常都很小。当转子发生窜动或弯曲时，则很可能与轴（汽）封发生碰磨。

    综合分析，最后诊断结论为：3#汽轮机因转子弯曲，导致转子发生碰磨现象，使机组无法正常投入生产，需开盖检修。

 

3  检修结果

    当3#汽轮机组出现故障，无法正常并网时，由于事发突然，对故障无从判断，初步制定的检修方案是返厂检修，对故障进行全面的排查。但该方案时间周期长，成本高，对生产影响大。

    在对机组故障进行科学的分析与诊断后，车间根据诊断结论，决定现场开盖检修，以节省检修时间。

    汽轮机开盖检查发现，第五、第六级叶片间轴封磨损严重，有明显的金属颗粒卡在轴封处，具体见图4。 

    同时，对转子的相关数据进行了严格校核，其数据均在正常范围内，说明转子当时只是发生了临时性弯曲，在事后的盘车过程中消除了转子的变形。

检修结果与诊断结论基本相符。在对故障进行相应处理后，再次开机，机组运行正常，成功并网。

 

4  原因分析

    由于汽轮机在停机前运行正常，事后分析，汽轮机故障应该发生在停机阶段。应该是停机过程中，上下缸温差大，使转子发生弯曲，转子变形后与轴封发生碰磨，使轴封损坏。当再次开机时，因碰磨故障导致机组振动超标，无法并网。

    事后，通过查看相关记录以及人员询问，机组停机过程均按标准操作规程进行操作，并无违规操作行为。但生产人员反应，在盘车过程中，现场检查发现盘车装置曾中途自行退出，由于该机组的盘车装置为手动操作，在机组中也无监控数据，所以具体是什么时候退出的，退出有多长时间无从得知。但很有可能就是在盘车退出的这段时间内，由于转子停转，导致上下缸温差过大，使转子发生了变形。同时，检查盘车装置，发现传动装置蜗轮蜗杆磨损严重，这有可能是盘车装置中途退出的原因。

5  谐波故障机理分析

    对于此次汽轮机碰磨故障的分析，其突破口在于对谐波信号的分析。谐波是指频率等于基波整数倍的高次分量，如基波频率为10Hz，则频率为20Hz、30Hz、40Hz等的分量则为该基波的谐波，根据其与基波的倍数关系，称为二次谐波、三次谐波等。

    在振动信号分析中，谐波的产生通常是设备产生了非线性振动。一个机械振动系统包含有三大要素：质量（m）、刚度（k）和阻尼（c）。当物体在振动过程中，如果三大要素中的一个或多个随时间发生改变，则物体必然会产生非线性振动，在信号处理过程中则会产生谐波。

    对于此案例中汽轮机转子的碰磨故障，当转子与轴封发生碰磨的瞬间，其刚度会发生变化，那么在对振动信号进行处理后，其频谱图中必然会产生基于汽轮机转速的谐波。

    因此，从原理上来分析，谐波产生的根本原因是因为非线性振动。如果汽轮机在运行过程中因内部或外部因素的影响，产生了非线性振动，则都会在频谱图中出现谐波。也就是说：转子的碰磨会产生谐波，但谐波的产生不一定是转子的碰磨。因此，对于汽轮机而言，谐波的故障信号还有可能是油膜振荡、地脚螺栓松动等问题。

    在此案例中，通过对数据的分析，以及汽轮机实际的运行情况，基本排除了油膜振荡、地脚螺栓松动等问题，重点怀疑转子产生了碰磨，并最后通过检修得到了验证。

在实际诊断过程中，对于谐波故障信号应结合故障的机理、现场实际的情况来综合分析，只有这样才能尽可能准确地判断故障原因。

 

6  结语

    此次对于汽轮机故障的准确诊断，很好地指导了车间制定相应的维修方案，将设备故障对生产的影响降至了最低，同时也为公司自行诊断大型设备的故障积累了经验。