轉爐煤氣加壓機振動在線監測與故障診斷

代琳娜

首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200

一、緒論

我部門采用OneproD設備監測系統對本部門轉動設備振動情況進行實時監控及振動故障判斷，實現了對機組的預防性維修。

某分廠煤氣加壓機有焦爐煤氣加壓機、高爐煤氣加壓機和轉爐煤氣加壓機三種，分別為煤氣進行加壓輸送，常見的振動故障有轉子不平衡、不對中、軸彎曲、碰磨等。現就最常見的轉子不平衡故障機理進行闡述，實現對煤氣加壓機的預防性維修。

二、故障機理分析

轉子不平衡故障產生的機理是轉子各橫截面的質心連線與各截面的幾何中心連線不重合，從而使轉子在旋轉時，各截面離心力構成一個空間連續力系，轉子的撓度曲線為一連續的三維曲線，如圖1所示。這個空間離心力力系和轉子的撓度曲線是旋轉的，其旋轉的速度與轉子的轉速相同，從而使轉子產生工頻振動。

實際的轉子，由于軸的各向彎曲有差別，特別是由于支撐剛度各向不同，因而轉子對不平衡質量的響應，在X、Y方向不僅振幅不同，而且相位差也不是90°，因而轉子的軸心軌跡為橢圓形，如圖2所示。

所以，當轉子有質量不平衡故障時，在不平衡力的作用下轉子將發生振動，振動的主要特征如下。

（1）振動的時域波形為正弦波。

（2）轉子的振動是一個與轉速同頻的強迫振動，振動幅值隨轉速按共振曲線規律變化，在臨界轉速處達到最大值。因此，轉子不平衡故障的突出表現為一倍頻（1X）振動幅值大。同時，出現較小的高次諧波（如2X、3X、4X振動），整個頻譜呈所謂的“樅樹形”。

（3）在一定的轉速下，振動的幅值和相位基本上不隨時間發生變 化。

（4）軸心運動軌跡為圓形或橢圓形。

（5）動態下軸線彎曲成三維曲線，并以轉子轉速繞靜態軸心線旋 轉。

對于各機組而言，無論其平衡狀況有多么好，總是或多或少地存在質量不平衡。所以，其振動頻譜中始終有1倍頻分量，這種情況是允許的。這里有必要引入一個判斷轉子出現不平衡故障的標 準。

當轉子出現不平衡故障時，轉子的整體振動水平會超標，可利用如下方法來判斷轉子不平衡故障：設診斷開始時與轉速同步的振動矢量為XN，通頻矢量為XM，當滿足│XN│≥α│XM│(α=0.7)，且相位角和振動信號的通頻幅值不隨時間變化（或變化很小）時可判斷機組存在轉子質量不平衡故障。

圖1 轉子質心的空間分布

圖2 轉子不平衡的軸心軌跡

三、轉爐煤氣加壓機振動監測和故障診斷

1.機組概況

轉爐煤氣加壓機采用D900-11型單向進氣單級離心式鼓風機，是專供壓縮輸送轉爐煤氣之用，轉子呈簡支梁型。其在線監測有兩個測點，分別位于鼓風機驅動端(F1Y)和非驅動端(F2Y)軸承處，均為加速度傳感器，測量振動速度值（圖3）。正常運行轉速為2 985r/min，振動報警值4.5mm/s，連鎖停機值7.1mm/s。

以4#轉爐煤氣加壓機為例進行分析。2013年7月29日，該機啟機運行，鼓風機F1Y和F2Y振動速度值分別為0.604mm/s和0.767mm/s，機組運行狀態良好，運行至8月18日開始，兩測點振動值呈明顯上升趨勢，F1Y和F2Y測點振動速度值分別為0.886mm/s和1.26mm/s，振動值不大，重點觀察運行。運行至9月1日時，F1Y和F2Y測點振動值上升至2.57mm/s和3.72mm/s，直逼報警值4.5mm/s，振動趨勢圖如圖4。

圖3 機組及測點分布

圖4 4#轉爐煤氣加壓機本次故障運行期間振動趨勢圖

2.振動原因分析

應用在線監測系統對4#轉爐煤氣加壓機振動大問題進行故障分析。圖5為2013年7月29日和9月1日F1Y、F2Y兩測點振動頻譜對比圖，圖中顯示F1Y測點1倍頻振動值由0.35mm/s上升至2.29mm/s，F2Y測點1倍頻振動值由0.64mm/s上升至3.49mm/s。由頻譜對比圖可見，兩測點頻率成分主要為1倍頻，同時有很小的高次諧波；且振動通頻值增大的主要成分為1倍頻。

對比1倍頻振動值│XN│同振動通頻值│XM│的關系，F1Y測點│XN│=2.29mm/s，│XM│=2.57mm/s，F2Y測點│XN│=3.49mm/s，│XM│=3.72mm/s，均有│XN│≥α│XM│(α=0.7)關系。

圖5 振動頻譜對比圖

圖6 振動時域波形對比圖

圖7 4#轉爐煤氣加壓機振動趨勢圖

圖6所示為2013年7月29日和9月1日F1Y、F2Y兩測點振動時域波形對比圖，由圖可見，各測點振動時域波形在一個周期內為典型的正弦波，故障狀態下的時域波形較正常運行狀態下時域波形振幅增大。再根據通頻振動值是隨著時間的推移緩慢爬升的特點，可以判斷振動是由轉子不均勻結垢或腐蝕，引起轉子不平衡。

如果轉爐煤氣的品質長期不良，隨著時間的推移，將在鼓風機的葉片表面結垢或腐蝕葉片，使轉子原有的平衡遭到破壞，振動增大。由于結垢或腐蝕需要相當長的時間，所以振動是隨著時間而增大的。并且由于流通部分結垢或腐蝕，導致流通條件變差，軸向推力增加，效率逐漸下降。

觀察在線監測系統使用以來4#轉爐煤氣加壓機振動趨勢圖（圖7）可見，機組平均運行周期為45天，此次設備已運行近40天，且振動值接近報警值，同以往停機檢修時振值大小相近，故決定停機檢修，避免出現生產事故。

3.停機檢修

2013年9月2日對4#轉爐煤氣加壓機進行了解體檢修，發現葉輪、擴壓器和殼體表面積灰嚴重。為解決其振動故障，對轉子、擴壓器和殼體進行除垢，并對轉子做動平衡。檢修后，振動值明顯下降，F1Y和F2Y兩測點振動值分別為0.44mm/s和0.45mm/s。

[1]虞和濟，韓慶大，李沈等.設備故障診斷工程[M].北京：冶金工業出版社，2001.

[2]李錄平，盧緒祥.汽輪發電機組振動與處理[M].北京：中國電力出版社，2007.