海洋石油設施燃氣輪機齒輪箱的狀態監測方法研究及應用

劉 超

中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452

燃氣輪機發電機通常用作海洋石油設施（包括海洋石油平臺、浮式儲油裝置和FPSO）的主電站，為生產和生活設施提供電力能源，以保證設施正常、連續、安全地進行生產。燃氣輪機發電機系統傳動鏈一般為：燃氣輪機→減速齒輪箱→發電機，其中減速齒輪箱在該系統中發揮傳遞扭矩、變換轉速的作用。

經調研統計，某海域海洋石油設施擁有70余臺燃氣輪機/齒輪箱，其中與SOLAR TURBINE配套使用的ALLEN ASG32和ACSG32燃氣輪機齒輪箱占60%以上，該類型齒輪箱維保過程中存在未按ALLEN工作指導手冊中“累計運行時間3萬h后實施內窺檢查及振動與噪音監測，累計運行6萬h后實施解體檢查”規定執行的情況。隨著運行時間不斷累積，故障停機風險也隨之不斷增加。

為保證設備持續穩定健康運轉，改變原有故障性維修的思維，減少因齒輪箱突發故障造成的非計劃性停機和由此帶來的經濟損失，有必要對該型號燃氣輪機齒輪箱進行研究，制訂一套可行的狀態監測及評估方法，即通過了解齒輪箱的基本參數及海洋石油設施現場運轉情況，有針對性地制訂該類型燃氣輪機齒輪箱的狀態監測及評估方法，通過監測及評估為燃氣輪機齒輪箱檢修方案的制訂提供決策依據。

1 齒輪箱現場運轉情況統計及分析

通過對現場74臺燃氣輪機齒輪箱運轉情況進行統計分析后發現：部分燃氣輪機存在潤滑油泄漏、振動幅值攀升、異常噪音等問題；隨著齒輪箱累計運行時間的增長，相關問題顯現的頻次隨之增加。

例如，對某作業公司28臺燃氣輪機齒輪箱（ALLEN ASG32共4臺，ACSG32共24臺） 的累計運行時間（見圖1）及現場運轉情況統計分析發現：累計運行時間超過6萬h甚至12萬h的燃氣輪機齒輪箱的振動幅值較其他設備大，部分已接近甚至超過預警值；且異常噪音、滑油泄漏比例超過其他累計運行時間相對較少的齒輪箱，這些齒輪箱視為重點關注及待檢修對象。

圖1 28臺齒輪箱累計運行時間

2 齒輪箱狀態監測及評估方法

ALLEN ASG32燃氣輪機齒輪箱廣泛用于SOLAR MARS100燃氣輪機發電機系統，ALLEN ACSG32燃氣輪機齒輪箱廣泛用于SOLAR TITANS130燃氣輪機發電機系統。根據齒輪箱基本參數及內部構造，結合ALLEN工作指導手冊，對燃氣輪機齒輪箱實施振動監測、內窺檢查、油品檢測等監測工作，通過監測數據分析客觀評估燃氣輪機齒輪箱狀況，為燃氣輪機齒輪箱大修計劃及方案制訂做準備。

2.1 燃氣輪機齒輪箱振動監測方法

2.1.1 齒輪箱振動數據采集

根據嚙合頻率等參數，使用Machine Analyst振動數據分析軟件進行組態。使用SKF Microlog數據采集器在齒輪箱的輸入（高速）端P1和輸出（低速）端P2盡可能地靠近軸承座處，采集水平（H）、垂直（V）、軸向（A）三個方向的振動數據，如圖4所示。振動數據包括：振動加速度值Acc、振動加速度包絡值Env、振動速度值Vel和振動位移值Dis。

圖2 燃氣輪機齒輪箱振動監測測點示意

2.1.2 齒輪箱振動數值分析

根據測量的加速度及速度幅值，參照速度/加速度值的評價標準（見表1），初步判斷并了解齒輪箱的整體運轉狀況，關注機組后續運轉趨勢，做好連續監測或檢修準備，必要時實施檢修[1]。

表1 速度/加速度值的評價標準

2.1.3 齒輪箱振動信號分析

齒輪箱正常運轉時振動信號（各軸的轉頻和嚙合頻率）平穩，發生故障時，根據振動信號頻率成分和幅值的變化特點，借助Machine Analyst振動數據分析軟件對所采集的數據進行分析，評估齒輪箱狀態，判斷齒輪箱故障。在燃氣輪機系統，最常見的齒輪箱故障有：齒形均勻磨損、斷齒、軸不對中等[2-5]。

2.2 燃氣輪機齒輪箱內窺檢查

使用工業內窺鏡系統對齒輪箱內部齒輪嚙合情況進行檢查，可以直觀掌握、評估齒輪箱內部關鍵零部件磨損情況，齒輪內窺鏡監測評估標準如表2所示。

表2 齒輪內窺鏡監測評估標準

2.3 燃氣輪機齒輪箱油品檢測

潤滑工作是燃氣輪機齒輪箱管理的基礎工作之一，良好的潤滑狀態有利于保障齒輪箱的可靠運行、性能改善、降低摩擦功耗、減少溫升和磨損及潤滑劑的消耗量，反之潤滑失效極易造成軸承、齒輪等關鍵零部件的過度磨損。

通過潤滑油檢驗監測手段可以及時了解齒輪箱潤滑狀態，必要時進行潤滑油更換及實施機組潤滑系統檢查，保障齒輪箱處于良好潤滑狀態。

3 實例分析

按照海洋石油設施燃氣輪機齒輪箱狀態監測評估方法，對海洋石油平臺所用兩種型號燃氣輪機（ALLEN ASG32和ACSG32）的齒輪箱進行振動監測、內窺檢查和潤滑油檢驗等監測，根據監測結果評估齒輪箱運轉狀態。

3.1 振動監測及評估

經監測，圖3為某ALLEN ASG32型號燃氣輪機齒輪箱高速端軸瓦處垂直（V）向振動監測信息，其加速度峰值為329.3 m/s2，嚙合頻率3 445 Hz和二倍頻率6 890 Hz處幅值最大分別為239.7 m/s2和25.6 m/s2。結果顯示該設備的振動值超標，已經威脅到機組的正常運行，應及時安排檢修。齒輪的嚙合頻率及其諧波的幅值最大同樣說明機組軸瓦、齒輪等關鍵零部件出現較明顯的磨損，處于正常磨損階段向劇烈磨損階段的過渡期。

圖3 AL L ENASG32燃氣輪機齒輪箱振動監測信息

某ALLEN ACSG32型號燃氣輪機齒輪箱高速端軸瓦處水平（H）向振動監測信息顯示，其加速度峰值144.9 m/s2，其中二級行星輪/齒圈嚙合頻率2 575 Hz及二、三、四、五、六倍頻率幅值明顯，二倍頻率5 148 Hz處最大幅值114.7 m/s2；太陽輪/一級行星輪嚙合頻率7 648 Hz處最大幅值45.05 m/s2。該設備的振動加速度值接近預警值，應引起重點關注或做好檢修準備。齒輪的嚙合頻率及其諧波的幅值最大同樣說明機組軸瓦、齒輪等關鍵零部件出現較明顯的磨損，處于正常磨損階段向劇烈磨損階段的過渡期。

3.2 內窺檢查及評估

圖4為某平臺3臺（A、B、C）ALLENACSG32型號燃氣輪機齒輪箱內窺檢查結果及評估情況，相關等級說明見表2。其中B機內齒圈有明顯嚙合橫紋，C機行星輪出現明顯嚙合亮斑，即出現了目視可見的清晰磨損，初步判斷相關部件已處于點蝕形成初期，已建議設施關注齒輪箱運行振動、噪音等變化趨勢。

圖4 某平臺3臺燃氣輪機齒輪內窺鏡檢查結果及狀態評估

3.3 滑油檢驗及評估

根據理化指標、污染指標檢測確定油品狀態、機組潤滑狀態，根據光譜分析結果確定設備磨損狀態。進而提出建議：油品繼續使用、加強過濾凈化處理、更換清潔濾芯、更換滑油。

綜合振動監測、內窺檢查、潤滑油檢驗等監測數據，可以客觀評估齒輪箱狀況，為檢維修計劃的制訂及實施提供依據。

4 結論及展望

由于海洋石油設施燃氣輪機實際工作功率普遍處于80%額定功率的水平，有時也會出現低于50%的情況，造成等效運行小時低于累計運行小時的現象普遍存在。基于海洋石油設施的特殊工況，一方面相關設施未按照廠家工作指導手冊規定實施機組解體大修，另一方面如果拋開工作手冊中的指導建議實施故障性維修，極易擾亂設施生產計劃，同時必因設備非計劃停機帶來經濟損失。

開展海洋石油設施燃氣輪機齒輪箱狀態監測方法的研究及應用，有助于設備維保人員客觀評估齒輪箱狀況，使設施管理人員及時掌握齒輪箱運轉狀態，可為燃氣輪機齒輪箱維修計劃及方案的制訂提供決策性依據。

雖然采用振動監測、內窺檢查、潤滑油檢驗等狀態監測及評估方法能夠從某種程度上掌握齒輪箱階段性運轉狀態，但是這種非連續的檢測手段效果受時間間隔及監測頻次的限制，仍不理想。因此應根據齒輪箱現場環境綜合考慮設備重要性、相關零部件強度校核結果等因素，開發在線監測系統，這對于實現機組狀態實時監測具有重要意義。