第二讲故障分析实例一全.docx
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第二讲故障分析实例一全
第二讲机组振动分析和故障诊断实例(第一部分)
第一节 机组故障诊断概况和故障特征汇总
汽轮发电机组振动故障诊断是根据相关的数据和信息对故障定性,进而对其产生的原因或机理做出判断,并确定解决措施和实施处理方案。
振动故障有很多类型,总计有数十种之多,但其中数种常见故障的发生率占了总数的95%以上。
根据现场经验,如果能对这些典型故障做出准确的判断,则足可以应付生产实际的需要。
因此,对典型、常发故障诊断技术的掌握有十分重要的工程意义。
近几十年国内有关单位对机组振动故障处理的历史和经验教训说明,对振动故障的定性一般并不困难,但在确定故障的具体原因时,由于对造成故障的机理分析有分歧,使得误判时有发生。
因此,机组振动故障的诊断除需要现场经验外,还应该掌握一定的机组振动故障的基础理论知识和科学的分析能力,这样才能快捷地找出故障的确切原因,提出正确的根治措施,而不致盲目一概采用现场高速动平衡的方法,使得表面上振动有所减小,实际上没有根治,机组经过一段时间的运行或检修后,振动重复出现。
【表8-1】汽轮发电机组振动故障特征汇总表
-------------------------------------------------------------------------------
序号故障名称频谱特征其它特征
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1原始质量不平衡1X振幅、相位随转速变化,随时间不变,椭圆轨迹或圆
轨迹
-------------------------------------------------------------------------------
2转子原始弯曲1X低转速下转轴原始晃度大,临界转速附近振动略减小
-------------------------------------------------------------------------------
3转子热弯曲1X振幅、相位随时间缓慢变化到一定值,转子冷却后状
况恢复
-------------------------------------------------------------------------------
4转动部件飞脱1X振动突增,相位突变到定值,伴随声响
-------------------------------------------------------------------------------
5转轴不对中1X、2X高的2X,或3X振幅,1/2临界转速有2X共振峰,“8”字
形轨迹
-------------------------------------------------------------------------------
6联轴器松动1X,2X等与负荷有关
-------------------------------------------------------------------------------7动静碰摩1X,整分数,内环或外环轨迹,振幅、相位缓慢旋转;或振幅逐
倍频渐增加
-------------------------------------------------------------------------------
8油膜涡动0.35~0.5X低频的出现与转速有关
-------------------------------------------------------------------------------
9油膜振荡fcri1在一定转速出现,突发性的大振动,频率为转子
第一临界转速,大于1X振幅
-------------------------------------------------------------------------------
10汽流激振fcri1与负荷密切相关,突发性的大振动,频率为转子
第一临界转速,改变负荷即消失
-------------------------------------------------------------------------------
11结构共振1X,分频,存在明显的共振峰,与转速有关
倍频
-------------------------------------------------------------------------------
12结构刚度不足1X与转速有关,瓦振轴振接近
-------------------------------------------------------------------------------13转子裂纹1X、2X降速过1/2临界转速有2X振动峰,随时间逐渐增大
-------------------------------------------------------------------------------
14转子中心孔进油1X,0.8~0.9X与启机次数有关,随定速、带负荷时间而逐渐增
大
-------------------------------------------------------------------------------
15转轴截面刚度不对称2X1/2临界转速有2X振动峰
-------------------------------------------------------------------------------
16轴承座刚度不对称2X垂直、水平振动差别大
-------------------------------------------------------------------------------
17轴承磨损1X,次同步1X,1/2X,1.5X高,
-------------------------------------------------------------------------------
18轴承座松动1X与基础振动差别大
-------------------------------------------------------------------------------
19瓦盖松动,紧力不足1X,分频,可能出现和差振动或拍振
1/2X
-------------------------------------------------------------------------------
20瓦体球面接触不良1X和其它振幅不稳定
-------------------------------------------------------------------------------
21叶轮松动1X相位不稳定,但恢复性好
-------------------------------------------------------------------------------
22轴承供油不足1X瓦温、回油温度过高
-------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------
23匝间短路1X、2X和励磁电流有关
-------------------------------------------------------------------------------
24冷却通道堵塞1X与风压、时间、负荷有关
-------------------------------------------------------------------------------
25磁力不对中2X随有功增大
-------------------------------------------------------------------------------
26密封瓦碰摩1X、2X振幅逐渐增大
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第二节大型机组动静碰磨的振动特征及现场应急处理方法
(1)
汽轮发电机组转动部件与静止部件的碰摩是运行中常见故障。
随着大型机组对效率要求的不断提高,动静间隙变小,碰摩可能性增加。
当前,国内机组碰磨故障的发生率仅次于质量不平衡,成为大机组的第二大类振动故障。
每年全国都会有数台大型机组发生动静碰摩。
在处理过程中往往要走弯路,或疑为质量不平衡,或疑为支撑刚度不足或其它故障,需要进行多次开机,平衡加重或支撑加固,为此延误数周已是常事。
最终开缸检查,方发现汽封或通流部分已严重摩擦,这样的实例已有多起。
碰摩诊断与认定错误导致的直接经济损失往往是十分可观的。
碰摩使转子产生非常复杂的振动,轻者使得机组出现强烈振动,严重的可以造成转轴永久性弯曲,甚至整个轴系毁坏。
因此,碰摩的准确分析诊断无疑会有效地提高机组运行的安全性和经济性,防止重大事故发生。
国内外从理论上和实验室对转子碰磨已做过相当多的研究,其结果可以作为诊断的参考依据。
但是,这些研究结论和现场实际情况还有距离,因为碰磨现象十分复杂,不同部位、不同程度的碰磨具有不同的振动特征,这些特征又对应着许多其它故障。
有相当一部分现场案例说明,碰磨的诊断比质量不平衡要来得困难,这也是为什么至今现场对碰摩诊断还没有一个行之有效方法的原因所在。
根据近年处理的几台大型机组在升速过程和工作转速发生动静碰磨的振动数据,给出故障的特征、分析判断方法,进而给出不揭缸从运行上采取的应急处理措施。
1D电厂#1机组带负荷过程碰磨振动
D电厂#1机组是引进的350MW亚临界机组,轴系结构如图1。
1.1故障发生概况和振动特征
D电厂#1机2001年4月底完成投产后的第一次检查性大修,初始开机两次进行高速动平衡,降低了#7瓦和#1瓦振动。
两天后的5月5日开机准备并网带负荷,升速时各瓦振动正常,升负荷至40MW,发现低压缸#3、#4瓦轴振上升,最大分别达到97um和130um,远超过3000r/min振动,并保持继续上升趋势,于是立即打闸停机。
为查找原因,机组没做任何处理,5月6日18时再次冲转,3000r/min定速振动正常。
19时并网,30MW,#3瓦X振幅由3000r/min的50微米增加到70微米,相位由116°增加到147°;21:
27,37MW,3Xr振幅80微米。
#3、#4瓦轴振变化如表1所示。
[表1]带负荷过程#3、#4瓦轴振
(1X,微米,峰峰值/相位,度)
-----------------------------------------------------------------------------
3Xr3Yr3Ya4Xr4Yr4Ya
-----------------------------------------------------------------------------
18:
523000r/min50/11624/34936/34215/23526/16022/161
19:
07并网
19:
2625MW44/34530/145
19:
2630MW70/147
19:
3825MW73/152
19:
4725MW84/176
20:
1228MW40/030/158
20:
4437MW59/12240/225
21:
2737MW80/17373/4257/746/257
22:
27打闸
-----------------------------------------------------------------------------
其中,Xr:
X方向相对轴振、Yr:
Y方向相对轴振、Ya:
Y方向绝对轴振
图2升负荷过程测点3Ya、4Ya一倍频振幅/相位时间趋势
图2是并网到37MW然后减负荷过程,测点3Ya、4Ya一倍频振幅/相位时间趋势曲线。
图中振幅、相位在19:
26有明显的拐点,自该点起,振幅增加,相位增大,直至19:
45开始减负荷,振幅、相位开始逐渐恢复。
在这19分钟内振幅增加的同时,相位增大了70~80°。
同时发现,低压缸外缸两侧温差约25~30℃。
#3、#4轴承汽封处没有听到碰磨声。
1.2分析和处理过程
综合分析振动、运行数据和各种现象表明,低压缸内发生动静碰磨的可能性大,碰磨的原因估计是低压缸左右温差造成缸体发生变形,使得通流部分原本已比较小的径向间隙消失,低压转子与静止部分碰磨,转子发生暂时性热弯曲,振动增大。
进入低压缸内外缸空间检查,发现内缸部分手孔盖垫片(两侧共约18个)有泄漏,进行了第一次处理。
5月8日再次开机。
先带低负荷(45MW),后解列做超速试验,振动正常。
然后并网升负荷,9:
45加到130MW,此前振动基本正常。
然后负荷略有降低,持续到10:
06,#3、#4瓦轴振开始增加,同时#1、#2瓦轴振也增大。
10分钟后,#3、#4瓦轴振增大到110~130微米,且继续增大,于是打闸停机。
图3为本次升负荷过程#3、#4瓦轴振随时间变化曲线。
图3显示振幅开始增大的时刻为10:
06,但相位开始增加的时刻为9:
46,两者相差20分钟。
9:
46正是负荷刚加到130MW。
从图3还可以看到,9:
46到9:
55的9分钟期间,4Ya的振幅没有变化,但相位增大了约90°。
图3升负荷过程测点3Ya、4Ya一倍频振幅/相位时间趋势
图4为测点3Xr(上)和3Ya(下)间隙电压的变化。
曲线表明,升负荷过程3Xr间隙电压一直在减小,同时3Ya的间隙电压却没有变化,这意味着#3轴颈向3Xr探头靠近,轴颈相对于缸体在右斜45°方向发生移动。
不论造成这种位移的具体原因如何,由此可以确定动静碰磨的径向方位,如果开缸,可以断定在上缸右侧应该发现磨痕。
电压(伏)
图4测点3Ya、3Xr在碰磨过程中间隙电压的变化
频谱分析,碰磨时各测点振动信号中的高阶和低频成分没有明显变化;轨迹分析表明,#3、#4轴心轨迹始终保持正向涡动,整个开机期间没有出现反向轨迹。
本次加负荷过程,对低压缸外缸两侧温度测试,仍存在约15~20℃的温差。
这次启机振动增大的负荷点已从第一次的37MW提高到了130MW,说明对低缸内碰磨的判断是正确的,决定继续按这个方向进行处理。
于是再次进入低压外缸,完全焊死内缸手孔,这是当时不揭缸从外部消除通流动静碰磨的最经济的方法。
5月9日14时再次开机。
14:
54并网,五个小时后达到满负荷,从100MW到170MW区段持续了一个半小时,其间重点监视测点3Xr的相位,发现相位有增大的迹象,立即停止加负荷,以此使缸内碰磨点相互磨损脱离接触,而同时又不造成振动急剧增大。
2L电厂#4机组升速和定转速的碰磨振动
L电厂#4机组同样是引进的350MW机组,轴系结构与D电厂#1机组相同。
2.1故障概况和振动特征
#4机2001年5月10日大修后开机。
第一次冷态启机,过高压转子临界转速1619r/min时1Ya振动94微米,略偏大(图5)。
图5第一次启机测点1Ya(上)和2Ya(下)升降速波特图
阀切换在2900r/min定速约40分钟,其间#1瓦、#2瓦振动明显增加。
3000r/min定速时,高压缸两轴承测点1Ya、2Ya振幅分别为88微米和83微米。
其后做汽门严密性试验,并网,带低负荷,其间1Ya、2Ya振幅曾最小减到25微米和55微米,但在低负荷5小时后,又缓慢增加,相位发生大的变化(图6,表2),#1瓦振幅从50微米增加到120微米,相位从150°增加到170°(图6),#2瓦轴振振幅增加了20微米,相位减小了8°;低压转子两测点振动均减小,相位减小。
[表2]定速和带负荷过程#1、#2瓦轴振
(1X,微米,峰峰值/相位,度)
------------------------------------------------------------
时间工况1Ya2Ya
------------------------------------------------------------
5月10日21:
353000r/min88/17283/13
22:
023000r/min25/15957/9
23:
193000r/min30/16464/29
23:
34并网
5月11日2:
5335MW38/11966/32
4:
2437MW51/15968/51
5:
0137MW77/16678/42
------------------------------------------------------------
图6带负荷过程测点1Ya时间趋势图
解列后3000r/min,#1瓦振动持续上升。
5:
17开始做超速试验。
最高转速到3220r/min,1Ya振动230微米(图7)。
惰走过程,1580r/min时1Ya振动266微米,2Ya振动183微米,(图8)。
图7超速试验1Ya升降速一倍频振动波特图
图8惰走过程1Ya一倍频振动波特图
7:
32机组全停,投盘车正常,但发现#1瓦前轴颈径向跳动达到15丝,远高于初始值。
2.2原因分析和处理
此次开机的振动记录显示了以下现象:
1)#1、#2瓦轴振大,且#1瓦大于#2瓦;无论是3000r/min、带负荷和临界转速,#1瓦轴振均过高。
这些工况下高振动的主频是一倍频,另有少量的2倍频分量。
2)不同的升降速过程,高压转子临界转速值相差不大,但振动振幅与相位相差很大。
3)2900r/min、3000r/min定速和带负荷时,#1瓦轴振振幅、相位均呈增大趋势,#2、#3、#4瓦同时也在稳定地变化,变化量值较#1瓦小,规律性没有#1瓦明显。
这种以工频为主的大振动,绝大多数情况是由于质量不平衡引起的。
质量不平衡的来源主要有三个方面:
(1)原始质量不平衡、
(2)转动过程中部件飞脱或松动、(3)转子热弯曲。
原始质量不平衡造成的一倍频振动应该是稳定的,这里可以排除;
该机振幅是连续地逐渐上升而不是突然增加,第二种可能性也排除;
考虑到振幅、相位连续缓慢的变化,且振幅变化最大的测点相位是在增加,根据它们变化速率分析,#1瓦振动是转子热弯曲引起的。
机组转子热弯曲的原因很多,如
转子自身热应力
运行中汽缸进水、进冷空气
动静碰摩
中心孔进油
发电机转子冷却不均匀
综合各个方面的情况,主要基于#1机刚完成大修,判断引起机组振动的原因是动静碰摩,同时排除汽缸进水和进冷空气等可能。
进一步分析得到下列结论:
碰磨部位发生在高压转子,且偏向#1瓦;降速过程临界转速的大振动说明高压转子已经发生暂时性热弯曲;同时,这次降速的大振动有可能已经使碰磨接触点材料部分磨损。
决定盘车数小时直轴,然后再次冲转。
盘车四小时后,#1瓦径向跳动值恢复。
11:
32冲转,升速过程#1、#2瓦轴振临界转速振动仍偏高,但小于上次降速。
3000r/min定速的振动同样有所降低(表3)。
这说明高压转子的暂时性热弯曲还没有完全恢复;碰磨虽减轻,但仍存在。
[表3]3000r/min定速#1、#2瓦轴振
(1X,微米,峰峰值/相位,度)
--------------------------------------------------------------------------
1Xr1Yr1Ya2Xr2Yr2Ya
--------------------------------------------------------------------------
5月10日21:
3556/26883/17688/17260/9384/1683/13
5月11日11:
5741/27360/18569/9979/20
--------------------------------------------------------------------------
根据分析,决定机组按常规提升负荷。
升负荷过程,#1、#2瓦轴振逐渐减小(表4),机组振动渐趋于正常。
[表4]定速和带负荷过程#1、#2瓦轴振
(1X,微米,峰峰值/相位,度)
------------------------------------------------------------
时间工况1Xr1Yr1Ya
------------------------------------------------------------
5月11日
11:
573000r/min41/27360/185
12:
043000r/min43/29865/207
12:
1623MW63/29485/207
12:
416/~16.5/191
16:
38197MW6/971/~3/~
------------------------------------------------------------
3扬州二电厂#2机组升速过程碰磨振动
扬州二电厂#2机组是引进的600MW机组,汽轮机由高压缸、中压缸、低压I、低压II四缸组成,各转子段均为两轴承支承。
#2机2001年5月23日大修后开机。
2:
20冲转后,在400r/min左右低转速下发现低压I的#5、#6瓦轴振原始晃度偏大(图9),其余各瓦测点原始晃度均小于25微米。
检查#5、#6瓦,有轻微摩擦声,停机调整了端部汽封。
图9400r/min测点#6瓦轴振原始晃度
3:
40再次冲转。
400r/min时#5、#6瓦晃度仍然偏高。
现场商定按计划升速,加强#5、#6瓦振动监测。
升速过程,#5、#6瓦振动没有显著增大,最大为1300r/min的80微米,转速继续提升振动下降。
但1600r/min之后#1、#2瓦振动开始增加(图10)。
随转速上升,振动急剧增大。
图10测点1Ya(上)、2Ya(下)升速一倍频振动波
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