旋轉(zhuǎn)設備故障分析實例質(zhì)量不平衡

1、第二講 機組振動分析和故障診斷實例：質(zhì)量不平衡第一節(jié)機組故障診斷概況和故障特征匯總汽輪發(fā)電機組振動故障診斷是根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息對故障定性，進而對其產(chǎn)生的原因或機理做出判斷，并確定解決措施和實施處理方案。振動故障有很多類型，總計有數(shù)十種之多，但其中數(shù)種常見故障的發(fā)生率占了總數(shù)的95以上。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，如果能對這些典型故障做出準確的判斷，則足可以應付生產(chǎn)實際的需要。因此，對典型、常發(fā)故障診斷技術(shù)的掌握有十分重要的工程意義。近幾十年國內(nèi)有關(guān)單位對機組振動故障處理的歷史和經(jīng)驗教訓說明，對振動故障的定性一般并不困難，但在確定故障的具體原因時，由于對造成故障的機理分析有分歧，使得誤判時有發(fā)生。因此，機組

2、振動故障的診斷除需要現(xiàn)場經(jīng)驗外，還應該掌握一定的機組振動故障的基礎理論知識和科學的分析能力，這樣才能快捷地找出故障的確切原因，提出正確的根治措施，而不致盲目一概采用現(xiàn)場高速動平衡的方法，使得表面上振動有所減小，實際上沒有根治，機組經(jīng)過一段時間的運行或檢修后，振動重復出現(xiàn)?！颈?】 汽輪發(fā)電機組振動故障特征匯總表-序號 故障名稱頻譜特征其它特征-1原始質(zhì)量不平衡1X振幅、相位隨轉(zhuǎn)速變化，隨時間不變，橢圓軌跡或圓軌跡-2轉(zhuǎn)子原始彎曲1X低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)軸原始晃度大，臨界轉(zhuǎn)速附近振動略減小-3轉(zhuǎn)子熱彎曲1X振幅、相位隨時間緩慢變化到一定值，轉(zhuǎn)子冷卻后狀況恢復-4轉(zhuǎn)動部件飛脫1X振動突增，相位突變到定值，伴

3、隨聲響-5 動靜碰摩1X，整分數(shù)，內(nèi)環(huán)或外環(huán)軌跡，振幅、相位緩慢旋轉(zhuǎn)；或振幅逐倍頻漸增加-6油膜渦動0.350.5X低頻的出現(xiàn)與轉(zhuǎn)速有關(guān)-7 油膜振蕩fcri1在一定轉(zhuǎn)速出現(xiàn)，突發(fā)性的大振動，頻率為轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速，大于1X振幅-8汽流激振fcri1與負荷密切相關(guān)，突發(fā)性的大振動，頻率為轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速，改變負荷即消失-9轉(zhuǎn)軸不對中1X、2X高的2X，或3X振幅，1/2臨界轉(zhuǎn)速有2X共振峰，“8”字形軌跡-10聯(lián)軸器松動1X，2X等與負荷有關(guān)-11結(jié)構(gòu)共振1X，分頻，存在明顯的共振峰，與轉(zhuǎn)速有關(guān)倍頻-12結(jié)構(gòu)剛度不足1X與轉(zhuǎn)速有關(guān)，瓦振軸振接近-13轉(zhuǎn)子裂紋1X、2X降速過1/2臨界轉(zhuǎn)速有2X

4、振動峰，隨時間逐漸增大-14轉(zhuǎn)子中心孔進油1X，0.80.9X與啟機次數(shù)有關(guān)，隨定速、帶負荷時間而逐漸增大-15轉(zhuǎn)軸截面剛度不對稱2X1/2臨界轉(zhuǎn)速有2X振動峰-16軸承座剛度不對稱2X垂直、水平振動差別大-17軸承磨損1X，次同步1X，1/2X，1.5X高，-18軸承座松動1X與基礎振動差別大-19瓦蓋松動，緊力不足1X，分頻，可能出現(xiàn)和差振動或拍振1/2X-20瓦體球面接觸不良1X和其它振幅不穩(wěn)定-21葉輪松動1X相位不穩(wěn)定，但恢復性好-22軸承供油不足1X瓦溫、回油溫度過高-23匝間短路1X、2X和勵磁電流有關(guān)-24冷卻通道堵塞1X與風壓、時間、負荷有關(guān)-25磁力不對中2X隨有功增大-2

5、6密封瓦碰摩1X、2X振幅逐漸增大-第二節(jié)質(zhì)量不平衡的種類和特征1原始質(zhì)量不平衡1X振幅、相位隨轉(zhuǎn)速變化，隨時間不變，橢圓軌跡或圓軌跡2轉(zhuǎn)子原始彎曲1X低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)軸原始晃度大，臨界轉(zhuǎn)速附近振動略減小3轉(zhuǎn)子熱彎曲1X振幅、相位隨時間緩慢變化到一定值，轉(zhuǎn)子冷卻后狀況恢復4轉(zhuǎn)動部件飛脫1X振動突增，相位突變到定值，伴隨聲響第三節(jié)現(xiàn)場動平衡的一般方法（一） 方法模態(tài)法影響系數(shù)法諧分量法旋轉(zhuǎn)機械的高速動平衡，就其基本方法來講，已是成熟、定型的，計算加重量的程序也已完善。（二） 動平衡方案和加重步驟的確定 汽輪發(fā)電機組的現(xiàn)場高速動平衡通常按照下列步驟進行： 測取基本振動數(shù)據(jù)，對記錄數(shù)據(jù)進行分析； 制定動平

6、衡加重方案，確定加重步驟； 試加重或獲取影響系數(shù)； 正式加重。（三）不平衡質(zhì)量軸向位置判斷和加重面的確定在進行動平衡加重前，確定不平衡質(zhì)量在軸系上的軸向位置并進而確定加重平面，是整個平衡方案中最重要的內(nèi)容，它決定了動平衡加重的效果甚至成敗。2、 模態(tài)分析輔助確定動平衡步驟3、 動平衡前期的數(shù)據(jù)采集和處理（1）基本振動數(shù)據(jù)的獲?。?）對記錄數(shù)據(jù)的分析4、 轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的判斷（1）機組進行平衡的前提條件（2）穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的質(zhì)量不平衡（3）不穩(wěn)定質(zhì)量不平衡的動平衡5、 影響系數(shù)處理技術(shù)（1）關(guān)于試加重的選擇（2）對影響系數(shù)的分析和篩選第四節(jié) 深圳西部電廠#5機組動平衡深圳西部電力有限公司#5

7、汽輪發(fā)電機組為哈爾濱汽輪機廠、哈爾濱電機廠生產(chǎn)的優(yōu)化引進型雙缸雙排300MW機組。機組振動調(diào)試始自2002年9月7日，11月3日結(jié)束。其間與振動相關(guān)的主要過程如下：9月10日： 首次沖轉(zhuǎn)，一次升速到3000rpm；9月12日： 首次并網(wǎng)；嚴密性試驗；10月10日：汽機真空消缺后啟機；10月15日：動平衡加重；10月17日：沖轉(zhuǎn)到3000rpm；帶低負荷；解列；超速試驗；10月18日10月24日：投輔機及自動，升負荷；10月25日11月1日：168小時帶負荷試運行；11月1日： 168小時試運行結(jié)束。1、動平衡前機組振動狀況（1）3000rpm定速和帶低負荷的振動3000rpm定速（9月10日）

8、#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦軸振X 25微米 95105 93 24 20軸振Y 20 6560 56 59 24瓦振 652 72 18 瓦振 633 36 13 9月12日，12MW#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦軸振X 24微米 88100 98 22 23瓦振 49 73 動平衡加重前2X、3X、4X振動2、第一階段沖轉(zhuǎn)、定速過程振動異常原因分析從9月10日到12日，沖轉(zhuǎn)、定速、并網(wǎng)、帶負荷過程，機組振動出現(xiàn)過三次較大的異常：（1） 9月10日20:40，機組首次沖到2000rpm，#6軸振達到190微米，對振動數(shù)據(jù)分析表明，屬發(fā)電機轉(zhuǎn)子后端、#6軸承部位臨時性問題，其后1

9、5分鐘，#6軸振迅速下降，趨于正常。以后的啟機過程該測點一直正常。（2） 9月11日6:40，電氣試驗部分完成，打閘惰走到1300rpm，#5X、#5Y軸振分別達到400微米和350微米。對打閘前數(shù)小時的電氣試驗數(shù)據(jù)和振動數(shù)據(jù)的分析說明，原因為電氣試驗中勵磁電流對測振渦流探頭干擾造成的。11日下午機組再次沖轉(zhuǎn)到3000rpm，#5軸振兩測點均正常。（3） 9月12日清晨電氣試驗完后,4:40打閘，惰走到1600rpm，#1X軸振132微米，略偏高，投盤車，偏心指示大，130微米。分析原因，是由于高中轉(zhuǎn)子處于熱態(tài)，轉(zhuǎn)子略有彎曲，這種情況不應該影響再次沖轉(zhuǎn)。9:50沖轉(zhuǎn)，在600rpm停留，檢查振

10、動值，略偏大，但沒有大問題，決定升速，順利沖到3000rpm。3、對機組動平衡前振動狀況的分析（1） 3000rpm定速和帶低負荷的振動，#3、#4兩個瓦振超標（標準為30微米）；#2X、#3X、#4X三個軸振超標（標準為80微米）；（2） 上述超標值中，#4瓦振突出，達到70微米，且有隨轉(zhuǎn)速和負荷增大的趨勢；（3） 升降速臨界轉(zhuǎn)速振動#1軸振偏大，但在標準范圍之內(nèi)（標準250微米），其余各瓦臨界轉(zhuǎn)速振動情況良好。（4） 9月10日到12日在沖轉(zhuǎn)、定速、并網(wǎng)、帶負荷過程中機組出現(xiàn)的三次較大的振動異常，均屬新機首次開機過程，機組結(jié)構(gòu)狀態(tài)不穩(wěn)定（轉(zhuǎn)動部件、缸體、膨脹、例行碰磨等）造成的常規(guī)性暫時故

11、障，隨以后的啟機，這些故障自行消失并不會復現(xiàn)。（5） 從第一階段機組暴露出來的問題看，#5機組振動存在兩處問題，一是低壓轉(zhuǎn)子存在原始質(zhì)量不平衡（屬哈汽制造缺陷），二是#4、#3軸承的軸振與瓦振之比偏?。ㄍǔＧ闆r，如果軸振10絲，瓦振一般應該是23絲），造成這樣狀況的原因是支撐剛度偏低，不排除#4、#3軸承座二次灌漿的缺陷。除上述兩點，其余沒有發(fā)現(xiàn)嚴重的振動缺陷。4、#2、#3、#4瓦振動超標原因分析根據(jù)振動頻譜分析和數(shù)據(jù)比較，#2、#3、#4瓦振動超標的主要原因是低壓轉(zhuǎn)子存在原始質(zhì)量不平衡，另外和中/低對輪以及基礎有關(guān)。真空缺陷處理完后，隨真空度的提升和負荷的增加，3、4瓦的振動可能會有少許的

12、變化，但不可能顯著降低。5、高速動平衡從9月13日到10月7日，#5機組進行了汽機真空低以及電氣方面的缺陷處理。關(guān)于#4、#3瓦振、軸振偏高問題的處理，協(xié)商決定待真空處理完后再行處理。10月10日，真空消確完后啟機，3000RPM振動如下：#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦軸振X 18微米 90 82 83 21 16軸振Y 22 46 26 47 45 27瓦振 38 74 此次啟機，3000rpm振動數(shù)據(jù)和真空處理前基本相同，說明#4、#3瓦瓦振、軸振偏高的原因不是由于低壓缸真空缺陷，而是轉(zhuǎn)子存在原始質(zhì)量不平衡。于是決定進行動平衡，在低壓轉(zhuǎn)子實施加重。10月15日加重平衡塊，加重量：低壓

13、轉(zhuǎn)子前末級加400g；低壓轉(zhuǎn)子后末級加400g。加重后振動（10月17日，3000rpm）：#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦軸振X 41微米 4638 43 41 18軸振Y 49 4734 50 57 29瓦振 10 37 5 12 12動平衡加重后2X、3X、4X振動這次加重，#4、#3瓦振顯著下降，均不到10微米；#2、#3、#4軸振也都降到50微米以下。動平衡效果顯著。6、超速試驗振動超速試驗過程，從3000rpm到危急保安器動作轉(zhuǎn)速3300rpm，各瓦振、軸振測點振動變化平緩，沒有出現(xiàn)急劇增大的情況。7、升負荷過程振動機組負荷從零到滿負荷300MW過程，振動基本穩(wěn)定，除#1瓦軸振

14、外，其余各瓦振、軸振均無明顯變化。升負荷過程各瓦瓦振始終小于16微米；軸振小于60微米。#1瓦兩個方向軸振隨負荷增加略有上升，從零到300MW，#1X從46微米增加到65微米，#1Y從53微米增加到74微米，分別增加了約20微米。首次升負荷到300MW（10月22日15:10）各測點振動如下：#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦軸振X 64微米 6058 31 38 24軸振Y 7376 6142 52 50 32瓦振 9 412 16 9 12第六節(jié) 清鎮(zhèn)發(fā)電廠7機組異常振動測試分析與故障處理1、前言3月18日17:00，我所接清鎮(zhèn)發(fā)電廠總工李榮、汽機副主任羅來有電話，稱同日上午9時系統(tǒng)發(fā)生

15、電氣故障，雞場變壓器三相短路，造成該廠7、8機組失壓運行，無功瞬間增大到300MW以上，機組軸系受到?jīng)_擊，部分軸瓦振動明顯增大，尤其7機3瓦振動由沖擊前的30微米增大到約8090微米，嚴重影響到機組正常安全運行。鑒于我所近年對7機組進行過多次振動測試和分析，情況熟悉，李總要求我所人員盡快趕赴現(xiàn)場，協(xié)助進行分析處理。我所人員于3月19日20時到達清鎮(zhèn)發(fā)電廠，在廠領導、汽機、運行各部門人員密切協(xié)助下，立即開始了測試、分析和處理工作。到3月23日凌晨，完成了對7機振動的分析、初步處理和觀察。其間在現(xiàn)場進行的工作步驟和內(nèi)容如下：1、 3月19日21:303月20日16:00振動測試，連續(xù)測試7機在各種

16、負荷狀況下以及升降速過程的振動對機組振動狀況進行評估分析異常振動產(chǎn)生的原因確定處理方案計算高速動平衡加重量2、 3月20日16:003月21日0:00第一次加重，啟機，全速，打閘惰走；3、 3月21日0:003月21日9:00第二次加重，啟機，全速，并網(wǎng)；4、 3月21日9:003月22日21:00機組帶高負荷和滿負荷，閥切換試驗，振動測試。經(jīng)過對軸系兩次加重的動平衡，7機組振動得到明顯改善，在高負荷和滿負荷、進汽方式為順序閥和單閥時，振動最大的3瓦基本保持在50微米左右，最高60微米；汽機其余各瓦振動小于20微米，振動穩(wěn)定。7機組振動尚待進一步處理，繼續(xù)降低3瓦振動；對3瓦振動波動現(xiàn)象也需繼

17、續(xù)觀察分析。2、電氣系統(tǒng)故障后的機組振動狀況（1） 電氣事故前后機組TSI記錄電氣事故發(fā)生在3月18日09:07:07,#7機組振動在線監(jiān)測系統(tǒng)記錄到事故前后的瓦振、軸振變化，如下表：7機組瓦振（通頻振幅（微米）、工頻振幅/相位）2004年3月18日9:009:30 測點 3瓦4瓦5瓦6瓦7瓦9:00:0132/30/291°43/39/254°19/17/129°20/15/120°22/20/339°9:03:0132/30/295°43/38/253°20/17/126°19/15/115°24/1

18、9/338°9:07:0131/29/295°43/38/253°19/16/131°20/15/116°23/19/337°系統(tǒng)發(fā)生電氣故障9:07:0763/54/229°77/78/253°41/33/121°17/12/113°17/13/18°9:08:0170/65/221°73/69/248°41/38/120°14/9/168°19/17/6°9:12:0278/72/220°65/63/250°42

19、/39/126°13/8/135°20/16/356°9:17:0079/73/220°63/60/248°40/38/126°14/8/122°21/17/335°9:30:0174/71/225°59/57/247°37/35/126°14/8/105°19/15/349°7機組軸振（通頻振幅（微米）、工頻振幅/相位）2004年3月18日8:309:10 測點3軸4軸5軸6軸7軸8:31:0140/32/7°73/66/18°36/31/21

20、0°45/44/74°25/12/325°9:07:0141/32/7°71/66/18°36/31/212°45/43/74°26/12/334°系統(tǒng)發(fā)生電氣故障9:07:07169/154/321158/143/18°62/54/218°48/42/96°29/11/9°9:08:01170/171/313149/146/10°57/57/214°50/50/85°33/14/322°9:10:01175/175/311141/13

21、9/9°53/54/216°50/49/85°24/13/325°TSI的記錄數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)發(fā)生電氣故障前各瓦、軸的振動狀況良好，振幅相位穩(wěn)定；電氣故障的發(fā)生造成振動瞬間突增，瓦振、軸振均有明顯增大，其中3瓦瓦振和軸振增大的量值為最大，3瓦瓦振增大到80微米，軸振增大到170微米，相位同時發(fā)生階躍；故障對4、5瓦振動影響次之；對發(fā)電機兩瓦振動影響不明顯。由于電氣故障引起的振動變化，故障后的狀況較穩(wěn)定。系統(tǒng)電氣故障使得7機3、4瓦振動增大，嚴重危及機組安全運行。（2） 3月19日，20日我所對7機組振動的測試結(jié)果我所人員到現(xiàn)場后首先對機組當時的振動狀態(tài)進行

22、了測試。1)高負荷和滿負荷振動測試結(jié)果如下：7機組瓦振（通頻振幅（微米）、工頻振幅/相位）2004年3月19日 測點2瓦3瓦4瓦5瓦21:37175MW垂直20/8/155°88/82/120°51/48/136°38/36/26°水平33/23/352°31/24/31°60/56/112°62/59/323°21:37200MW垂直12/5/167°98/88/117°54/52/135°38/36/22°水平30/20/356°30/21/20°60

23、/57/114°66/66/326°2)滿負荷單閥運行振動情況該機組自3月18日事故以后到3月19日夜，沒有帶過200MW，且都是順序閥運行。20日0:40，切換成單閥，3瓦振動大幅度增加，瓦振增加到150微米，軸振增加到300微米，見圖。3)升降速過程振動為進一步確定機組振動狀況，將機組解列，降速惰走到900rpm，再掛閘升到3000rpm，3、2瓦臨界轉(zhuǎn)速振動偏大（見下表）。同時，1瓦臨界轉(zhuǎn)速振動到170微米（DCS顯示）。升降速3瓦波特圖如下。順序閥切單閥，3瓦振動增大的時間趨勢圖臨界轉(zhuǎn)速振動測點2瓦3瓦降速1516rpm94/72°146/341°

24、;降速1310rpm137/346°57/311°升速1310rpm127/339°54/309°升速1520rpm82/63°135/343°升降速過程2、3瓦臨界轉(zhuǎn)速振動（3） 3月20日7機組帶高負荷振動測試結(jié)果3月20日8:0014:00，對機組帶高負荷（132MW188MW）的振動做了進一步測試，以確定振動原因。機組帶高負荷3、4瓦振動趨勢圖根據(jù)上述振動測試數(shù)據(jù)，說明7機組振動現(xiàn)狀為：（1）3、4、5瓦振偏高，滿負荷3瓦振動10絲；（2）單閥進汽3瓦振動15絲，軸振30絲，過高；（3）3、4、5瓦振幅、相位不穩(wěn)定，3000r

25、pm和不同負荷的相位偏差可達3040°；（4）臨界轉(zhuǎn)速振動偏大。分析：機組當前的振動狀況是否穩(wěn)定？當前的振動大是否是質(zhì)量不平衡造成的？加重能否有效？如何加重？這種振動狀況的機組無法保證安全運行。經(jīng)各方商定，立即停機進行動平衡加重。3、動平衡加重共進行兩次停機加重。第一次：接長軸中對輪加重P=560g；第二次：接長軸中對輪加重P=80g；低壓轉(zhuǎn)子4瓦測末級葉輪加400g；低壓轉(zhuǎn)子5瓦測末級葉輪加377g。兩次加重后，3000rpm定速的振動明顯降低，各瓦振小于25微米；3瓦軸振106微米；帶負荷后振動逐漸增大，高負荷最大振幅65微米左右。工況、參數(shù)穩(wěn)定時，可以逐漸下降到50微米。多數(shù)情

26、況3瓦振動為5055微米。動平衡后的振動值如下：7機組動平衡后瓦振（工頻振幅（微米）/相位）測點2瓦3瓦4瓦5瓦3月21日 9:203000rpm垂直15/221°21/258°19/68°16/36°水平11/156°20/147°22/290°5/3°3月22日8:30203MW垂直8/6/270°53/50/259°13/12/240°5/3/246°水平33/30/179°26/23/260°19/14/97°鑒于生產(chǎn)等原因，決定動平衡處

27、理暫時告一段落，對3瓦振動情況做進一步觀察分析，待適當機會再次進行動平衡。4、7機組異常振動原因分析根據(jù)分析，本次電氣系統(tǒng)故障造成的機組振動增大的過程分為兩個階段：第一個階段是電氣故障對軸系扭矩的沖擊；第二個階段是扭矩沖擊導致的軸系振動增大。雞場變發(fā)生三相短路瞬間，此時發(fā)電機送出的有功功率變小，但主蒸氣參數(shù)未變，于是轉(zhuǎn)速飛升到3024rpm，使得發(fā)電機輸出相位和系統(tǒng)相位拉開，同時由于強勵動作，發(fā)電機電壓提高；緊接著，在雞場變故障切除瞬間，發(fā)電機與系統(tǒng)并列，但當時兩者的相位差和過高的電壓，造成類似于非同期并網(wǎng)的過程，這個過程對機組軸系產(chǎn)生瞬間扭矩沖擊。相位差越大，發(fā)電機電壓越高，扭矩沖擊越嚴重。正常運行中的機組軸系各橫截面?zhèn)鬟f一個定常的扭矩，這個扭矩量值的波動通常不大。但如果系統(tǒng)發(fā)生電氣故障或汽機運行故障，均可以使軸系扭矩發(fā)生大的波動。在可能造成汽輪發(fā)電機組扭矩變化的各種起因中，多數(shù)是來自電氣系統(tǒng)的擾動，如三相自動快速重合閘（不論成功與否）、非同期并網(wǎng)、失磁、單相自動快速重合閘、兩相短路或接地、單相接地、斷線等。所有的線路切合都可以對軸系扭矩產(chǎn)生瞬間沖擊作用。除了來自電氣系統(tǒng)的原因外，汽機調(diào)速系統(tǒng)的擾動，如甩負荷、快關(guān)等，也會導致軸系扭矩發(fā)生瞬間變化，