離心壓縮機轉子早期異常判別準則?

溫廣瑞，馬再超，2，3，吳廣輝，董書志，劉學良

（1.西安交通大學機械工程學院 西安，710049）（2.清華大學軟件學院 北京，100084）（3.工業大數據系統與應用北京市重點實驗室 北京，100084）（4.西安陜鼓動力股份有限公司 西安，710075）（5.中國船舶工業系統工程研究院 北京，100070）

引言

離心壓縮機是電力、石化、船舶等行業的關鍵設備，其動力學設計和振動評價主要參考美國石油學會的API617 標準［1］。但該準則一般應用于轉子產生故障的高報場合，難以識別因微弱故障導致的早期振動異常。若轉子處于輕微異常運行且未能及時識別，將導致預測性維護滯后，存在突發事故隱患。因此，及時識別離心壓縮機轉子早期振動異常甚至潛在故障，將提高生產過程的安全穩定性。

離心壓縮機轉子振動信號中蘊含的故障特征一般具有數量多、高頻譜線相對接近及不同頻率幅值差異大的特點，且往往伴隨非線性、非平穩現象及噪聲干擾［2］。張小勤［3］采用頻譜分析了PC‐1A 型離心壓縮機轉子振動異常引發聯鎖停車事故的原因是動平衡不良。文定良［4］采用通頻振動趨勢、頻譜和軸心軌跡發現甲醇合成壓縮機存在轉子熱變形、碰摩和不平衡復合的振動異常。胡大月［5］指出石化企業還缺乏離心壓縮機振動異常的經驗和處理方法總結。Li 等［6］構造了壓力脈沖信號識別離心壓縮機轉子葉片裂紋微弱異常特征。王兆鑫［7］發現VK50‐3型離心壓縮機二級軸振動異常的原因是葉輪表面黏結物脫落。Sun 等［8］提出采用離心壓縮機喘振的平均相位提取和識別方法。He 等［9］提出了一種雙穩隨機共振方法以提取離心壓縮機轉子葉片裂紋故障特征。馬再超等［10］采用改進的總體平均經驗模式分解提取轉子軸承系統輕度故障特征并進行分類。以上數據分析成果有望轉化為某設備專用的監測診斷軟件系統，但面臨工業現場大量相似個體的推廣仍需普適性驗證，實際多采用API617 支持。張小龍等［11］采用API617 分析和指導離心壓縮機的動力學特性設計。Brun 等［12］指出API617 在離心壓縮機喘振時的振動安全極限規定。Lei 等［13］采用消渦結構改進壓縮機阻尼特性以符合API617 的穩定性規定。冀沛堯等［14］根據API617 研究得到孔型阻尼密封性能優于迷宮密封。胡永等［15］以API617 新增的磁力軸承標準驗證了電磁軸承支撐下的轉子系統振動幅值低。可以看出，近年的研究成果仍缺乏API617 針對離心壓縮機轉子早期異常振動監測的應用，一般僅用于報警。

本研究結合API617 的動力學指標、離心壓縮機振動數據和現場專家經驗，以Bently 轉子系統為實驗驗證對象，AV90 型軸流壓縮機轉子為實際驗證對象，對API617 動力學部分的振幅限值準則應用進行了探討，為離心壓縮機轉子因各類典型輕度故障誘發的早期狀態異常判別提供參考。

1 API 振幅限值準則

1.1 振動響應

API617 的動力學部分［1］給出了離心壓縮機轉子振動響應隨轉速變化的示意關系和轉子處于工作轉速區間時的最大振幅示意限制，為簡化表達，將這兩部分合并為如圖1 所示的轉子振動響應隨轉速變化示意圖。圖中：Nc1為轉子一階臨界轉速；Ncn為轉子第n階臨界轉速；Nma為轉子最小運行轉速；Nmc為轉子最大連續轉速；Ac1為Nc1處的振幅峰值；N1為0.707 倍Ac1對應的臨界區初始轉速；N2為0.707 倍Ac1對應的臨界區終止轉速；N2～N1為在“半功率”點峰值的寬度；Av1為轉子振幅極限的實驗值，簡稱“振幅限值”；Amax為轉子正常運行時所有探頭中最大的振幅峰峰值；Sa1為Nc1與Nma間的實際隔離轉速；San為Ncn與Nmc間的實際隔離轉速。

圖1 轉子振動響應隨轉速變化示意Fig.1 Significance of rotor vibration response changes with rotating speed

圖1 定義了離心壓縮機轉子處于啟動、變載、運行、降速和臨界各階段的異常振動判定指標。

以一階臨界為例，轉子啟動和降速階段的振幅限值采用Ac1定義，轉子變載和運行階段的振幅限值采用Av1定義；轉子處于某臨界階段的振幅限值采用隔離裕度（separation margins，簡稱SM）定義。

1.2 轉子變載和運行的振幅限值

以一階臨界為例，各振動探頭處的未濾波峰峰振幅不應超過振幅極限值Av1與25.4 μm 的較小值［1］，Av1按式（1）計算

1.3 轉子臨界時的隔離裕度準則

隔離裕度準則分為計算值Ma和標準值Mr，以一階和某階臨界為例，根據文獻［1］，其對應的Ma1和Man按式（2）計算

Mr需要引入放大系數An來定義，An的計算方法如式（3）所示

根據An取值規定，Mr的計算方法分為3 種：

1）當An<2.5 時，轉子振動響應處于臨界阻尼狀態，此時沒有隔離裕度要求，Mr=0；

2）當An≥2.5 時，且該臨界轉速小于最低運行轉速，則Mr按式（4）計算

3）當An≥2.5，且該臨界轉速大于最高連續轉速，則Mr按式（5）計算

1.4 轉子振動異常判定規則

根據API617 的規定，設App為數據樣本未濾波的峰峰振幅，可得到如式（6）～（10）所示的轉子處于啟動、變載、運行、降速和臨界各階段的異常振動判定規則［1］。

1）啟動異常

2）變載異常

3）運行異常

4）降速異常

5）臨界區異常

2 離心壓縮機轉子振動數據樣本的異常判定方法

2.1 轉子啟停過程監測節點

離心壓縮機轉子啟停全過程涉及加減速、通過臨界轉速和加減負荷環節。在不同的轉速階段，離心壓縮機振動狀態完全不同，各轉速階段對應的振動數據也往往具有較大差異。因此，以API617 轉子啟停過程定性監測區間為基礎，根據離心壓縮機現場運行的長期經驗積累，進一步設置轉速監測節點如下。

2.1.1 剛性轉子

啟動：50%預設轉速，100%預設轉速；

加載：20%負荷，50%負荷；

運行：100%負荷；

減載：0 負荷；

降速：95%預設轉速，50%預設轉速。

2.1.2 柔性轉子

啟動：90% 一階臨界轉速，一階臨界轉速，110%一階臨界轉速，100%工作轉速；

加載：20%負荷，50%負荷；

運行：100%負荷；

減載：0 負荷；

降速：95%工作轉速，110%一階臨界轉速，一階臨界轉速，90%一階臨界轉速。

當轉子轉速超過二階臨界轉速時，需要增加的轉子振動監測節點包括90%二階臨界轉速、二階臨界轉速和110%二階臨界轉速。

2.2 振幅限值系數選定原則

西安陜鼓動力股份有限公司根據離心壓縮機多年研制、應用和監測經驗發現，在采用轉子故障判定規則時，國內不同機型的振幅限值不同，同一機型之間的振幅限值不同，同一機型處于不同運行過程的振幅限值也不同，但這些振幅限值的差異固定于某一范圍內。因此，需要一個系數指標乘以待測試機組的測量振值，將不同振幅限值的差異固定于該系數指標的控制范圍內，從而形成離心壓縮機振動數據的通用判定規則。

取現役某離心壓縮機轉子啟停過程任意節點數據樣本計算振動有效值的算術平均值，記為異常數據參考指標，記為R；該離心壓縮機轉子啟停過程任意節點振幅限值，記為A；稱系數指標為振幅限值系數，記為ε，其計算公式為

N臺現役離心壓縮機的振幅限值系數ε的平均值，記為計算公式為

2.3 數據樣本異常一次判定規則

在轉子振動異常判定規則的基礎上，引入振幅限值系數的平均值εˉ，得到如式（13）～（17）所示的轉子處于啟動、變載、運行、降速和臨界各階段的異常振動一次判定規則。

啟動異常

變載異常

運行異常

降速異常

臨界區異常

2.4 數據樣本異常二次判定規則

由于一次判定規則適用于轉子故障報警場合，缺乏了早期微弱異常的識別能力，因此結合轉子振動有效值來二次判定數據的正異常狀態。取現役離心壓縮機轉子啟停過程任意節點數據樣本R值的算數平均值為，異常數據準則指標記為D，計算公式為

某離心壓縮機轉子啟停過程任意節點數據樣本的D指標計算結果，記為d；某待測離心壓縮機轉子啟停過程任意節點數據樣本有效值的算術平均值，記為r，計算公式為

當d>D時，判定異常；當d≤D時，判定正常。

2.5 離心壓縮機轉子數據異常判定流程

根據離心壓縮機轉子振動異常判定方法，歸納總體流程框架如圖2 所示。

由圖2 所示流程可歸納出離心壓縮機轉子振動異常判定的具體步驟如下：

圖2 離心壓縮機轉子振動數據樣本的異常判定流程Fig.2 Decision procedure of abnormal data sample from the rotor of centrifugal compressor

1）抽樣離心壓縮機轉子振動信號，得到數據樣本；

2）根據數據樣本對應的轉速條件判斷轉子當時處于剛性或柔性運行狀態；

3）采用一次判定規則判定轉子處于啟動、變載、運行、降速和臨界運行條件時的正異常情況，顯示異常則判定結束，正常則繼續執行步驟4；

4）采用二次判定規則計算轉子正常運行條件下的所有判定指標D值；

5）采用二次判定規則計算轉子當前運行條件下的判定指標d值；

6）比較d和D大小，確定轉子當前運行的正異常情況，判定結束。

需要說明的是：剛性條件時的一次判定規則僅在盤車和測試時使用，實際運行時一般按照柔性條件處理；實際操作時D值已經儲備并階段性更新。

3 實驗驗證

離心壓縮機轉子正常運行時，其理想的振動信號頻譜特征通常表現為轉頻幅值較大且伴隨通頻噪聲的特點。在轉子各類典型故障中，轉子不平衡振動的頻譜特征近似轉子正常振動特征，差別在于轉頻幅值更大。因此，若能盡可能設置較低的轉子不平衡程度，使其轉頻幅值略大于轉子正常振動的轉頻幅值，又便于觀察兩者之間存在的差異，則該轉子輕度不平衡故障能驗證離心壓縮機轉子振動數據樣本的異常判定方法。首先，采用平衡校正過的Bent‐ly‐RK4 轉子實驗臺模擬轉子輕度不平衡故障，實驗臺由轉子系統和振動測試系統組成，如圖3 所示。轉子系統包括轉子、質量盤、電機、軸承座和基座；振動測試系統包括6 組位移傳感器、數據采集模塊和上位機。其中：1～4 號傳感器以45°和135°方向放置并分為2 組用于采集轉子振動信號；5 和6 號傳感器分別用于測量相位和獲取轉速。

圖3 Bently-RK4 轉子實驗臺Fig.3 Bently-RK4 rotor test bench

使用上述轉子實驗臺模擬故障并采集轉子正常振動和輕度不平衡故障信號。其中，轉子系統質量盤部件加工了以22.5°為間隔、均勻分布的螺紋孔，如圖4 所示。在0°位置螺紋孔中加入0.4 g 的配重實現轉子質心偏離軸心線的輕度不平衡現象。

圖4 轉子系統質量盤Fig.4 Mass disk of rotor system

實驗中，采樣頻率設為1 024 Hz，采樣長度設為1 024 點，工作轉速設為4 000 r/min。

3.1 轉子不平衡故障驗證

列舉柔性轉子處于100%工作轉速和負荷時，正常和輕度不平衡振動時域信號及頻譜（time and frequency domain，簡稱T&F），如圖5、圖6 所示。

圖5 轉子正常振動信號的時域波形和頻譜Fig.5 Normal rotor vibration signal in T&F

圖6 轉子輕度不平衡故障信號的時域波形和頻譜Fig.6 Slight unbalance rotor vibration signal in T&F

圖5、圖6 分別給出了轉子正常振動和輕度不平衡故障信號的時域波形及頻譜。由時域波形看出，轉子正常振動信號的坐標幅值范圍顯示為-4～4 μm，轉子輕度不平衡故障信號的坐標幅值范圍顯示為-10～10 μm。因此，兩信號雖然具有近似的振蕩周期，但振蕩幅值差異大，且轉子正常振動信號主要表現為多分量疊加的形式，而轉子輕度不平衡故障信號的單一性相對較強。在頻譜中，轉子正常振動信號的坐標幅值范圍為0～1 μm，轉子輕度不平衡故障信號的坐標幅值范圍為0～8 μm。進一步給出轉頻67 Hz 及其倍頻位置的成分幅值情況，對比可見，兩信號除轉頻幅值差異較大，其他成分幅值都對應近似相等。因此，轉子正常振動信號和輕度不平衡故障信號特征僅在轉頻處存在差異。根據離心壓縮機轉子振動異常判定的步驟3，進行轉子輕度不平衡狀態的一次判定。實驗研究中設置振幅限值系數為1.0，列出20 個監測節點的標準值、測量值和判定結果如表1 所示。其中，由于節點10 和19 是轉子臨界區運行過程的監測節點，故采用無量綱的隔離裕度準則進行判定：節點10 的標準值是16.36%，測量值是57.50%，判定正常；節點19 的標準值是16.36%，測量值是57.50%，判定正常。

由表1 可知，節點1～8 對應轉子剛性振動條件：1，2，7，8 為轉子啟動和降速過程的監測節點；3，4，5，6 為轉子變載和運行過程的監測節點。節點9～20 對應轉子柔性振動條件：9，11，12，17，18，20 為轉子啟動和降速過程的監測節點；13，14，15，16 為轉子變載和運行過程的監測節點；10，19 為轉子臨界區運行過程的監測節點?？梢钥闯觯斜O測節點的監測結果都顯示正常。需要注意的是：所有啟動和降速過程的測量值遠小于標準值，平均測量值約為平均標準值的26.20%；所有變載和運行過程的測量值小于標準值，平均測量值約為平均標準值的70.32%；臨界區測量值為標準值的3.51 倍。這些結果驗證了現行API 振幅限值準則適用于故障報警場合，而難以識別因微弱故障導致的早期振動異常。因此，繼續根據離心壓縮機轉子振動異常判定的步驟4～6 進行轉子輕度不平衡狀態的二次判定，實驗研究中設置振幅限值系數為1.0，列出20個監測節點的標準值、測量值和判定結果，如表2所示。

表1 轉子輕度不平衡20 個監測節點的一次判定Tab.1 The first decision of 20 monitoring nodes for slight unbalance rotor

表2 給出了轉子處于輕度不平衡振動狀態時，所設20 個監測節點對應的標準值、測量值和二次判定結果。可以看出：節點10，19 和20 顯示為標準值大于測量值，判定結果為正常；大部分節點的振動狀態都判定異常。進一步觀察判定結果異常的節點可以發現：節點1，2，4～9，11，18 的振動測量值和標準值平均相差11.23%；節點3 的振動測量值和標準值相差40.41%；節點12～17 的振動測量平均值是標準平均值的4.81 倍。值得注意的是：節點12～17 監測了柔性轉子處于運行和變載時刻的振動狀態，判定結果與圖5、圖6 顯示的波形差異相對應；其他節點雖然不是運行和變載區域節點，但同樣能檢測出異常，其微弱的差異表明這些對應的轉子不平衡故障特征屬微弱特征。這些結果驗證了二次判定規則可輔助API 準則識別因微弱故障而導致的轉子早期振動異常。

表2 轉子輕度不平衡20 個監測節點的二次判定Tab.2 The second decision of 20 monitoring nodes for slight unbalance rotor

3.2 其他典型故障實驗驗證結果

筆者直接給出轉子輕度不對中、輕度偏心、輕度彎曲、輕度裂紋、輕度松動和輕度碰摩的20 個監測節點判定個數，統計結果如表3 所示。

表3 其他典型輕度故障驗證統計Tab.3 Verification statistics of other typical slight faults

6 類典型輕度故障的驗證統計結果表明，二次判定規則輔助一次判定規則能識別轉子早期異常。

4 實際應用驗證

筆者采用軸流壓縮機轉子故障數據驗證離心壓縮機轉子振動數據樣本的異常判定方法的有效性，數據來源于西安陜鼔動力股份有限公司的AV90 型軸流壓縮機。軸流壓縮機的空氣壓縮增壓主要依賴于轉子上安裝的多級動葉片、各級工作葉片和導流葉片來實現。氣體連續流經由工作葉片和導流葉片構成的軸流壓縮機各級，逐級壓縮和升壓。由于載荷較大，加壓過程易使得各級流道擾動轉子，從而加劇轉子彎曲故障特征。當經過若干次加壓后，若轉子彎曲振動過大將導致工作葉片接觸導流葉片，從而形成周期性碰摩故障。軸流壓縮機開蓋后的故障轉子如圖7 所示。測試方法如圖8 所示的閉蓋狀態，采用一對Bently 電渦流傳感器互成90°安裝于轉子軸頸處，測量轉子的徑向振動位移。

圖7 軸流壓縮機開蓋狀態Fig.7 Opening state of axial flow compressor

圖8 軸流壓縮機閉蓋狀態Fig.8 Closing state of axial flow compressor

軸流壓縮機轉子系統的工作轉速測量值為4 569 r/min，測試系統的采樣頻率設為2 048 Hz，采樣長度為1 024，獲取轉子系統一個加壓周期的3 個節點（180，300 和550 kPa）振動位移信號，其時域波形和頻譜分別如圖9～11 所示。

圖9 壓力180 kPa 的轉子振動信號時域波形和頻譜Fig.9 Rotor vibration signal with 180 kPa in T&F

圖10 壓力300 kPa 的轉子振動信號時域波形和頻譜Fig.10 Rotor vibration signal with 300 kPa in T&F

圖11 壓力550 kPa 的轉子振動信號時域波形和頻譜Fig.11 Rotor vibration signal with 550 kPa in T&F

轉子壓力為180 kPa 時，信號在時域表現為單一的正弦波形，振動峰值在10～20 μm 之間變化。頻譜中，轉速4 569 r/min 對應的轉頻76 Hz 幅值為12.499 μm，遠大于其他成分幅值。進一步放大觀察大于轉頻的成分，可以看到存在很多幅值微弱的諧波，二倍頻152 Hz 成分的幅值為1.345 μm，其右側諧波幅值相對微弱的多，僅略大于噪聲幅值。該節點為轉子處于工作轉速時的正常振動情況。

轉子增壓至300 kPa 時，信號仍然表現為單一的正弦波形，振動幅值大于20 μm。頻譜中，轉頻76 Hz 成分幅值升高至25.360 μm，近似于原始幅值的2 倍，仍然遠大于其他成分幅值。在大于76 Hz 的放大圖中，152 Hz 成分幅值降至0.925 μm，其右側的成分幅值都小于152 Hz 成分幅值，且基本處于同一數量級。相對180 kPa 節點，轉頻幅值顯著增大的情況代表轉子由正常運行轉變為彎曲運行。

轉子增壓至550 kPa 時，信號不再是簡單的正弦波形，而是多振動疊加形式，振動幅值處于-200～100 μm 之間，峰值波動劇烈程度遠大于180 和300 kPa 的對應結果，且此時波形已經嚴重不對稱。頻譜中，轉頻76 Hz 幅值為47.582 μm，大于其他成分幅值，且其他小幅值成分已經不需要放大觀察，與幅值為9.626 μm 的二倍頻152 Hz 成分水平相同，共計有11 個三倍頻以上的高次諧波。相對180 和300 kPa節點，各成分幅值明顯升高，代表工作葉片和導流葉片碰摩。令轉子壓力180 kPa時的振動狀態相關計算值為標準值，進行離心壓縮機轉子彎曲和碰摩狀態的一次判定，應用研究中設置振幅限值系數為1.2，列出3種狀態的標準值、測量值和判定結果，如表4所示。

表4 軸流壓縮機轉子3 種加壓狀態的一次判定Tab.4 The first decision of three pressure states of the rotor of axial flow compressor

由表4 可以看出：180 kPa 對應的正常振動節點顯示正常，測量值相對標準值小25.8%；300 kPa 對應為轉子彎曲振動，測量值大于標準值的35.2%，表明轉子在該監測節點的振動情況出現異常；550 kPa對應為轉子碰摩振動，測量值為標準值的4.83 倍，表明轉子在該監測節點的振動遠超過標準值。軸流壓縮機工作條件下的3 個加壓時刻振動狀態判定表明，由API 振幅限值準則得出的振動標準值適用于高振動報警場合，但可以正確判別3 種工作狀態的正、異常情況。筆者繼續進行軸流壓縮機轉子3 種加壓狀態的二次判定，驗證二次判定規則。應用研究中設置振幅限值系數為1.2，列出3 種狀態的標準值、測量值和判定結果，如表5 所示。

表5 軸流壓縮機轉子3 種加壓狀態的二次判定Tab.5 The second decision of three pressure states of the rotor of axial flow compressor

由表5可知，以轉子壓力為180 kPa時刻的振動數據計算正常標準值為11.022?？梢缘贸?，轉子壓力為300 kPa 時的測量值是標準值的2.01 倍，轉子壓力為550 kPa時的測量值是標準值的4.84倍。該計算結果與API準則對應的計算結果類似，可以檢測出轉子異常振動狀態。值得注意的是，二次判定規則在轉子彎曲異常檢測時，測量效果更明顯，表明二次判定規則更適用于轉子因微弱故障而導致的早期振動異常檢測。

5 結論

1）API617 的振幅限值準則適用于離心壓縮機轉子的故障報警場合，而難以實現因早期微弱故障導致的振動異常檢測。

2）在API617 啟停過程監測區間的基礎上，詳細設計了離心壓縮機轉子的轉速監測節點。

3）以振幅限值系數修正振幅限值準則而構造的一次判定規則仍然適用于離心壓縮機轉子故障報警。

4）以振幅限值系數修正有效振幅而構造的二次判定規則適用于轉子因早期微弱故障導致的狀態異常識別。