基于多維度潤滑失效分析的設備故障診斷研究

黃藝輝

（廣東能源集團天然氣有限公司，廣東廣州 510630)

0 引言

據統計，80%的機器失效是由于零部件的磨損所引起的，而超過50%的磨損與設備的潤滑失效相關[1]，所以潤滑失效在設備故障分析中具有重要作用。廣東某發電企業以重要輔機設備為目標，以潤滑失效為分析切入點，開展設備關鍵零部件的失效故障診斷研究，這在一定程度減少了相同故障重復發生的概率，提高設備的可靠性。

1 研究背景

潤滑磨損故障是設備故障的主要形式之一，它不僅消耗機械零部件的表面材料，降低機械的工作效率和精度，造成漏油、漏氣、噪聲等，而且還會增加機械系統的能耗。自機組正式投產以來，某發電企業的六大風機油站、部分轉機的齒輪箱和軸承等重要輔機設備故障較多，很多故障就涉及潤滑油或潤滑失效，但這類故障的分析和處理一直缺乏有效的分析、解決手段，部分設備隱患仍然存在。

轉動設備的故障發生點主要集中在幾個關鍵零部件，如軸承、齒輪、液壓系統的泵和閥等。根據SKF 統計，對于無質量瑕疵、安裝正確的軸承，超過80%的故障是由于軸承潤滑不良引起；對于液壓系統而言，約75%的故障與液壓油的質量密切相關；而齒輪系統也有超過50%的故障與齒輪的潤滑失效相關。因此，開展潤滑失效研究分析這些設備的故障有著重要作用。

本項目研究旨在保障設備潤滑安全的前提下，通過油液常規監測和故障診斷分析提前發現重要輔機轉動部位的缺陷或解決、分析已出現的較大故障，以提高設備的可靠性和安全性，減少設備異常或損壞事件發生。

2 研究方法和內容

2.1 基礎條件

近幾年，該發電企業有對汽機專業EH 油酸值、泡沫超標問題和鍋爐專業引風機液壓油站中的異物問題進行過潤滑失效分析，并取得預期效果，同時2015 年以來對關鍵設備用油監測一直在進行，已有這些設備的多年監測數據，可用于油液監測預警分析，為本項目開展奠定了前期基礎。同時，現場很多設備上都裝有在線振動監測裝置，日常的點檢工作也有開展振動、溫度等檢測項目，數據儲備量很大。

2.2 分析方法

轉動設備故障往往伴隨著相關零部件的潤滑失效，如油品污染劣化、油中有異常磨損顆粒等。本項目開展實施的多維度潤滑失效分析方法，是以潤滑失效分析（潤滑失效與磨損失效、油質異常、異物和潤滑故障都有關聯為切入點，結合振動分析、異物分析和失效特征分析等分析手段，對以設備潤滑失效為表征現象的設備故障進行全方位分析，找出故障根源，協助專業分析、處理和解決故障，并制定類似故障的維護和解決方案。

主要的分析方法及各自特點分別為：①潤滑失效分析，以油液分析為主體，側重從油液理化性能指標變化和磨損顆粒的形態特征判斷零部件失效原因；②振動分析，對轉動設備而言，絕大多數故障都與機械振動密切聯系，可用于對相關故障特征的確認；③異物分析，包括電鏡能譜分析、XRD（X 射線衍射）分析、紅外分析等，用于確定異物的成分組成；④失效特征分析，包括磨損顆粒形態、金相分析、硬度分析等，用于確定失效特征，從而與相應的故障聯系起來。

設備常見的故障類型如圖1 所示。多維度潤滑失效分析的設備故障診斷邏輯如圖2 所示。

圖2 基于多維度潤滑失效分析的設備故障診斷邏輯

2.3 研究對象

目前，發電企業的主機設備（汽輪機和發電機）的狀態監測和故障診斷有成熟的檢測分析方法，機組型號相似且參考基數大，并且有專業的技術監督機構和部門定期開展故障失效分析。因此，結合發電企業的實際情況，本項目主要的設備故障診斷分析對象，主要側重于日常油液監測中發現有異常設備和運行中重要輔機設備已發生的缺陷故障，主要包括油站（潤滑油站和液壓油站）、齒輪箱和重要軸承三大類。

研究的設備清單見表1。

表1 研究對象

2.4 研究內容

（1）對發電企業重要輔機設備（液壓或潤滑油站類、軸承類和齒輪箱類三類設備）現場實際發生的設備故障和油液檢測中發現的較大問題以案例的方式開展分析、診斷、協助處理故障和后續維護策略的制定。

（2）先開展6 個設備案例研究，其中軸承故障診斷分析、齒輪故障診斷分析和油站系統（液壓或潤滑系統）各2 例。

（3）對轉動設備主要故障發生點以案例分析的形式，以案例編制這三類轉動設備維護方案，編制這三類設備與潤滑失效相關的故障案例集，故障案例集主要內容包括：①軸承、齒輪、油站系統常見潤滑失效故障現象或表現形式；②軸承、齒輪、油站系統常見潤滑失效故障分析方法；③軸承、齒輪、油站系統預防潤滑失效的維護策略。單例故障診斷（失效技術分析）主要模塊、工作內容如表2 所示。

表2 單例故障診斷策略

（4）提交的單個案例設備故障診斷分析報告，包括以下內容：①故障背景，包括設備基本信息、故障現象、分析需求；②工作方案，包括樣品情況、初步分析或檢測方法等；③檢測結果和分析，盡可能選用潤滑油分析、材料成分分析、電鏡能譜分析、硬度分析、金相組織分析等多種分析手段；④結論與建議，如分析結論、故障原因和相關建議。

3 技術要點

將油液監測融入到設備故障預防體系中，提前發現還沒有表現出故障特征的設備。根據設備故障特征，應用多維度分析方法，綜合客觀數據分析和經驗對設備故障原因進行合理的推斷和分析。針對不同的設備類型（軸承、齒輪、液壓）和實際故障特征，選擇不同的、合理的分析技術組合，達到對設備故障綜合診斷的目的，協助解決設備故障。

4 實施效果

4.1 技術性能指標

通過對重要輔機設備的定期油液監測和潤滑失效分析，平均每年提前發現設備隱患6～8 處，同時根據項目成果優化軸承、齒輪、油站這三類設備維護策略和制定同類設備維護方案，有效降低設備重復缺陷的發生（重復缺陷由之前的每年33 條下降到目前9 條），實現了提高設備可靠性和降低維護成本的目的。

4.2 經濟和社會效益

以電廠開展的油液監測預防設備故障為例，在一次監測中發現某臺油泵的磨損值偏高，結合設備振動加速度大、軸承故障因子參數超標以及頻譜分析的結果，確定該軸承存在異常。后經檢修檢查發現，軸承保持架幾乎全部被磨光，滾動體有明顯故障，與預先診斷的結論吻合。如果該軸承繼續運行下去，隨時有可能散架，密封將跟著失效，油泵高溫易燃油漿介質隨時可能出現泄漏著火，引發嚴重的安全事故。在該案例中，通過監測和診斷避免的直接設備損失達數百萬元，而一旦發生火災造成的損失將無法估計。

4.3 推廣價值

軸承類、齒輪類和油站類故障為輔機和轉動類機械的主要故障，對這三類故障進行的多維度診斷分析具有較強的代表性，診斷分析結果不僅對故障具有價值，還對相同結構的設備同類型故障分析具有參考價值，可以形成培訓資料在集團系統內或行業內推廣。

5 結束語

項目通過對主要設備的油液監測，以油液監測異常或設備潤滑失效故障為切入點，開展重要輔機及轉動設備故障根源分析，可以預防或避免故障的發生，也可避免相同故障多次重復發生，從而達到提高設備可靠性和降低維護成本雙重目的，對提高設備的精細化管理水平和保障機組安全穩定運行具有重要意義，為相關行業提供參考。