CPR1000核電旋轉設備的振動故障診斷淺析

魏盛輝

（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116319）

0 引言

核電站有上千臺旋轉設備，在旋轉機械設備的日常維護和安裝調試過程中，經常會遇到因設備振動而無法可靠運行的情況。由于振動的原因錯綜復雜，僅靠耳聽、手摸的原始方法，很難全面、準確地分析判斷故障原因。采用先進的設備狀態檢測和故障診斷技術，通過掌握設備在一定時期的運行參數和振動頻譜圖，對這些參數和頻譜進行分析，有利于分析判斷故障原因，縮短檢修工期，合理地安排關鍵設備的預防維修計劃，從而避免因突發性設備故障而造成的經濟損失，確保生產的順利進行。

1 振動故障診斷來源

故障是指機械設備喪失了原來所規定的性能和狀態，通常把運行中的狀態異常、缺陷、性能惡化及事故前期的狀態統稱為故障，而故障診斷則是根據狀態監測所獲得的信息，結合設備的工作原理、結構特點、運行參數及其歷史運行狀況，對設備有可能發生的故障進行分析、預報，對設備已經或正在發生的故障進行分析、判斷，以確定故障的性質、類別、程度、部位及趨勢。因此故障診斷的目的就是保證機械設備運行可靠性和穩定性；保證安全生產、提高設備利用率和經濟效益；實現設備由糾正行維修、計劃性維修向預防性維修轉變。

由于在旋轉機械的故障中，振動問題出現的概率高，因此行業內出現了通過對設備所產生的機械振動信號進行采集、數據處理，根據振幅、頻率、相位及相關圖形進而判斷是何種故障的分析方法，稱為振動故障診斷法。振動信號包含了豐富的機械及運行的狀態信息，既包含了轉子、軸承、聯軸器、基礎、管線等機械零部件運行中自身狀態的信息，又包含了諸如轉速、流量、進出口壓力及溫度、油溫等影響運行狀態的信息；同時，振動信號易于拾取，便于在不影響機器運行的情況下實行監測和診斷。因此振動分析法是旋轉機械故障診斷中運用最廣泛，也最行之有效的方法。

2 振動數據的頻譜分析

圖1 動態信號分析步驟

對于大多數機器來說，當它們穩定工作時振動有一個比較穩定的水平。當設備內部出現缺陷時，作用在機器部件上的力或者就是這些部件自身的力學性能也跟著發生變化，從而改變了設備的振動水平。這樣測得的振動數據與預先制定的標準 （或機器以往的振動水平）進行對比，就可以判斷機器內部是否出現故障。我們測得的初始振動信號（時域信號）反映的是振動的通頻值隨時間的變化，表明了振動總量的變化情況，當通頻值異常增大時，說明某一個或幾個特征頻率的幅值增大，也就是設備內部肯定出現了某種故障，但是因為波形凌亂，不利于狀態監測工程師明確揭示信號的頻率組成和各頻率分量大小，也就是無法確定故障種類。傅立葉變換是將時域信號x(t)變換為頻域信號X(f),從另一個角度來了解復雜信號的特征。信號的頻譜X(f)代表了信號在不同頻率分量處信號成分的大小，它能夠提供比時域信號波形更直觀、豐富的信息（圖1）。

頻譜圖能夠較為細致、準確地反映出組成通頻振動的所有具體頻率的成份及其幅值。利用傅立葉（FFT）頻譜分析，可以進一步了解振動的構成原因（如圖2）。但是看頻譜圖決不能去找幅值最大的頻率成份，并認為其就是造成振動大的主要原因，這是非常片面的。不要單純地看各種頻率及其幅值的大小，更要看各種頻率及其幅值變化量的大小，重點是查找有無新的頻率成份、幅值相對變化大的頻率成份。看頻譜圖時，不能就圖論圖，而應該進行對照比較，也就是通過故障發生時與正常運行時的頻譜圖相互之間的比較，查找出主要異常振動分量、即幅值相對變化最大的頻率成份以及新出現的頻率的成份，該頻率成份的振動分量最有可能是引起振動故障的主要原因。

圖2 利用FFT頻譜分析了解振動的構成原因

3 核電站旋轉設備常見振動故障

旋轉設備的故障種類眾多，包括不平衡（力不平衡、力偶不平衡、動不平衡），不對中（角向不對中、平行不對中、卡在軸上不對中的軸承），偏心轉子，共振，機械松動（A、B、C三類），轉子摩擦等等。但是核電站通過制定嚴格的旋轉設備振動監測周期，旋轉設備的故障大多不會發展到中后期，也就是說出現設備失效的狀況不多，而多以前期故障為主。如下為幾種常見的故障表現：

圖3 某風機機械松動（A類）故障的振動頻譜表現

3．1 機械松動（A類）

總結核電站旋轉設備長期的振動故障表現，出現頻率最高的故障是A類機械松動，解決措施是需要調整設備基礎。圖3就是核電站某風機在機械松動（A類）故障時的振動頻譜表現。

上圖頻譜顯示，振動故障以設備的工頻1X（與設備轉速相同的頻率）為主，那么這種頻譜顯示，有可能對應三種故障：不平衡、轉子偏心、A類機械松動，我們可以從故障的出現時間加以判斷，因為不平衡或轉子偏心在設備剛安裝或是進行了設備解體回裝時，可能出現，但是如果該頻譜是在設備長期運行一段時間之后出現，所以基本可以確定為A類機械松動，原理分析如下：

在線性系統中，部件呈現的振幅與作用在部件上的激振力成正比，與它的動剛度成反比，可用下式表示：A=P/Kd

式中：A-振幅；P-激振力；Kd-部件動剛度。

部件動剛度是表示部件產生單位振幅（位移）所需的交變力，由上述公式可見：在較小的激振力作用下，若部件動剛度（Kd）較低，將會產生很大的振動。設備運行初期，由于管道及地腳螺栓緊力較大，提高了設備的支撐剛度，振動水平較低；但是隨著設備的運行，螺栓應力緩慢釋放，支撐剛度降低，振動就會逐漸明顯上升，因此可以通過現場的地腳螺栓調整降低振動水平。

3．2 機械松動（B類）

機械松動分為A、B、C三類（如圖4），常見故障中A類出現的頻率最大，B類以一定頻率出現，而C類幾乎沒有。B類的機械松動的頻譜表現是2X頻分量異常增大，甚至超過了1X分量的50%，圖5就是核電站某泵在機械松動（B類）故障時的振動頻譜表現。

圖4 機械松動類型

圖5 某泵機械松動（B類）故障的振動頻譜表現

出現上述的頻譜表現，要排除不對中的故障可能，因為不對中也有相近的頻譜表現。理論上講，不對中故障的最佳指示是聯軸器兩側的振動相位評定，當聯軸器兩側的相位差接近180度時常常說明是不對中，而對于同一轉子的不對中將表現為垂直方向與水平方向之間的相位差接近180度（如果外側軸承與內側軸承之間水平方向相位差約30度，那其垂直方向相位差約210度）。通過相位評定排除不對中的可能后，基本可以判斷為B類的機械松動；如果故障診斷拿不準時，我們就需要按照兩種可能分別檢查：一是對中情況；二是調整地腳螺栓。

3．3 軸承潤滑不良

潤滑不良的設備其振動頻譜在高頻段會出現類似于高頻噪聲的形狀，同時某些潤滑不良的軸承由于發生金屬對金屬的接觸，也會產生軸承故障頻率，但這種情況下其幅值一般比較低，如果我們增加潤滑油后，過12小時到24小時檢查是否出現原先的軸承故障頻率，如果不再出現，則就可以確定為潤滑不良。圖6是核電站某風機在軸承潤滑不良時的振動頻譜表現。

圖6 某風機軸承潤滑不良的振動頻譜表現

3．4 滾動軸承部件故障

滾動軸承包括內環、外環、滾動體和保持架四個組成部分，其故障發展分為四個階段，等發展到第三個階段的時候，軸承部件的故障特征頻率出現，此時軸承的安全運行就難以得到保證。滾動軸承故障發展四個階段的現象如下：

1）噪聲正常，溫度正常，振動總量比較小，只有正常的前三階的轉速諧波頻率

2）噪聲略增大，溫度正常，振動總量略增大，輕微的軸承故障開始“微振”安裝的軸承零件的自振頻率

3）可聽到噪聲，溫度略升高，振動加速度總量和振動速度總量有大的增加，看到軸承故障頻率及其諧波和邊帶。

4）噪聲強度改變，溫度明顯升高，振動速度總量位移總量明顯增大，振動加速度總量減小。通常首先是1X轉速頻率和2X轉速頻率幅值開始增大，軸承故障頻率的高次諧波頻率和軸承自振頻率的幅值通常也下降。后期，可以辨別的軸承故障頻率和軸承零件的自振頻率實際上開始消失，并且被隨機的寬帶高頻噪聲所代替。

圖7是核電站某風機滾動軸承部件故障時的頻譜表現，顯示出清晰的各部件故障特征頻率FTF（保持架）、BSF（滾動體）、BPOR（外環）、BPIR（內環），以及2BSF、多倍BSF等，解體檢查后發現外環有凹坑存在，及時消除了設備隱患。

圖7 某風機滾動軸承部件故障的振動頻譜表現

4 結束語

本文通過對核電站振動頻譜分析方法以及電站旋轉設備常見故障淺析，得出如下結論：

1）核電站通過對于旋轉設備的周期性振動監測，能夠實現對其健康狀況的定期評價，便于及時發現、消除設備隱患。

2）電站旋轉設備的故障包括A、B類機械松動、軸承潤滑不良、個體軸承失效的情況等，都可以通過振動頻譜的分析方法進行診斷。

3）同時，造成振動超標的可能原因很多，需要狀態監測工程師收集設備運行、檢修方面的各種信息，甚至設備的原理、結構、型號等，對于疑點信息采用排除法，逐一去偽存真，才能找出真正原因。

［1］寇勝利.汽輪發電機組的振動及現場平衡[M].中國電力出版社,2007,08.

［2］虞和濟,韓慶大,原培新.振動診斷的工程應用[M].冶金工業出版社,1992:126-128.