水轮机故障声学诊断技术研究及其应用探讨

王辉斌，吴长利，邹桂丽，卢文秀，褚福磊，陈贞石，朱 俊，任继顺，陈 伟

（1. 湖南省电力公司试验研究院 湖南 长沙，410007；2. 清华大学 北京，100084；3. 东江水电厂 湖南 郴州，423403； 4. 北京奥技异电气技术研究所 北京，100084；）

1 前言

近年来，随着国家能源政策的调整，水电建设得到了重视。随着大型水利枢纽工程的兴建以及大中型水电厂的相继建成投产，水电在整个电网中的比重越来越大，水轮机运行的安全性和稳定性问题日显突出。因此，对水轮机开展状态监测与故障诊断技术也显得越来越必要和迫切。

目前，在越来越多的水电厂都已经安装了基于振动的故障监测和诊断系统。但是传统的振动诊断也有许多局限性：例如监测定子铁心的运行状态一般采用加速度传感器，但有限的监测传感器往往难以准确地诊断出定子铁心的某一部位故障；又如水轮机过流部件的裂纹、空化以及卡门涡，以常规振动方式（如摆度、振动位移、脉动等）进行测量往往难以捕捉到故障信号、实现对故障点进行直接监测。为了更好地对水轮机运行状态进行监测和评价，需要一种新的技术和方法。利用声发射信号对水轮机的状态进行监测和故障诊断，正是基于这一需求而发展起来的新技术。

声发射又称应力波发射，声发射检测技术是无损检测中的一种新方法，它是通过检测材料在受到外力作用下变形或内部结构破坏而产生的高频应力波信号的诊断方法。典型的声发射信号的频率范围为20kHz～1MHz，金属材料的声发射信号范围在20kHz～300kHz。声发射信号检测提取的是高频的振动信号，能够有效地避开低频信号的干扰，因此对故障特征的提取和分析非常有效。声发射检测方法现已在石油化工工业、电力工业、材料试验、民用工程、航空航天工业、金属加工、交通运输业等领域得到了广泛地应用。

声发射技术研究是现行的水电机组常规振动测试研究的补充和发展。现在水电行业普遍应用的振动测试仪的测试分析能力一般在200～500Hz，以目前的测试仪不适合于分析超声波段的高频声发射信号，因此水轮机故障的声发射监测及诊断技术的研究，对提升水轮机运行状态的监测水平、拓展故障诊断手段，以及确保水轮机的安全稳定运行，都具有重要的意义。

2 几种典型水轮机故障的声发射机理研究

水轮发电机组在运行过程中，几种常见故障如碰摩、裂纹、基座松动、轴承故障以及空蚀空化等都会产生声发射信号。

（1）基于声发射信号的空化状态诊断机理研究

水轮机运行过程中发生的空化空蚀现象对水轮机的运行安全和运行效率产生极大的影响。空化是液体在一定温度下降低压力使液体汽化的现象，液体发生空化的过程是在极短的时间内突然发生，使液体连续性遭到破坏，在液体中形成充满蒸汽或气体的空泡。如果液体是流动的，这些空泡将随液体一起运动，空泡的尺寸将随液体内部压力的降低而涨大。当气泡进入高压区时，泡内的水蒸气将凝聚，气体将被溶解，气泡很快溃灭消失。空泡溃灭时产生极高的压力并伴随有高温、放电、化学反应产生。同时在空化的产生和压缩、膨胀过程中，将产生高频噪声和压力脉动。溃灭的时间以毫秒计，甚至以微秒计的时间内完成。在这一瞬间，气泡周围液体温度可达1000℃，温升可达500～800℃，辐射出的合成冲击波的压力差可高达4000大气压。如此的高温高压使机械表面的材料迅速屈服，并从表面剥落下来，这种现象称为空蚀。

水轮机空蚀主要发生在流速较高的转轮通道区域，即发生在转轮及其配合的静止部件表面上。水轮机中的空蚀大体可以分为：翼型空蚀、局部空蚀、间隙空蚀和空腔空蚀。对于混流式水轮机，主要有翼型空蚀和空腔空蚀。翼型空蚀主要是由于叶片的局部低压区形成的，而空腔空蚀一般发生在低水头、低负荷时，尾水管空蚀涡带内部含有大量的气穴，当气穴崩溃时，将使转轮的泄水锥及尾水管的锥管段和肘管段遭受空蚀破坏。

根据空化空蚀现象的产生机理可以推断，空泡的瞬间形成和溃灭而产生的冲击波作用于叶片和管壁，这种冲击振动的信号必含有高频的振动成分（声发射信号）。实现对高频信号的提取和分析，既能够排除低频信号的影响，又能够准确诊断空化空蚀的严重程度，这是一种比较理想的监测方法。

所以根据水轮机运行过程中空化空蚀的发生情况，将声发射传感器分别固定于尾水管和蜗壳处测定声发射信号。在水轮机工况变化、发生空化现象时，高频振动冲击作用于水轮机壳体，通过声发射传感器拾取的高频信号可以分析空化现象的严重程度。通过选择传感器的安装位置和安装数量，可以诊断出水轮机空化产生的位置以及水轮机叶片和壳壁空蚀的位置和严重程度等信息，为机组维护人员提供准确、可靠的运行资料，从而实现设备高效、安全的运行及最经济合理的维护。

通过记录水轮机不同运行工况的声发射信号，如起停机过程、甩负荷过程、水头高度及尾水位变化对空化空蚀现象产生的影响规律分析：

（a）运行水头对空化空蚀的影响：水轮机翼型空蚀随水头的增加而变得严重。而对于空腔空蚀，在最优工况下运行，空腔空蚀较小，运行水头较低和较高时，将产生空腔空蚀。

（b）水轮机功率对空化空蚀的影响：水轮机翼型空蚀随功率的增加而变得严重。而对于空腔空蚀，水轮机在低水头低负荷或高水头、大负荷下运行时，均比较严重。

（c）吸出高度对空化空蚀的影响：下游水位降低时，运行吸出高度增加，此时即容易形成翼型空蚀，也容易形成空腔空蚀。

图1、图2为水轮机空化严重工况下的典型声发射图谱，从图1的空蚀声发射信号波形图以及图2的频谱图中可以看到，水轮机在运行过程中，由于空化和空蚀的影响，会产生声发射信号，并且声发射信号在时轴上的发生位置以及声发射信号幅值大小基本没有什么规律性；但是从声发射信号的频谱图中可知，空化空蚀发生时，将产生160kHz左右的频率成分。

（2）基于声发射信号的碰摩状态诊断机理研究转子系统中动静件间发生碰摩时会引起碰摩处动静件弹性应变而产生声发射，该声发射信号蕴涵了丰富的碰摩信息。因此，可利用转子系统动静件碰摩时的声发射辨识碰摩故障。与振动方法不同的是，声发射信号幅值的大小与转子振动状态关系不大，而主要与碰摩时发生的能量直接相关。因此，在没有发生碰摩之前，不平衡、不对中等其他工况或故障因素基本不会在声发射信号中反映出来，所检测到的碰摩声发射信号是“单纯”的，这样，应用声发射技术就可以避免掉用振动诊断转子系统故障中很难去掉的如不平衡，不对中等干扰因素的影响。声发射的这一特点十分适合实际机组运行过程中的动静件碰摩故障的辨识，因此，声发射技术可为转子系统碰摩辨识提供一条可行的途径和方法。

图1 空蚀声发射时域波形

图2 空蚀声发射频谱

图3和4是典型的碰摩故障波形图和频谱图，从图中可以看到，碰摩故障的频率成分主要集中在70kHz以内。另外，碰摩故障产生的声发射信号为突发型，一般情况下一个周期内一次。

（3）基于声发射信号的裂纹状态诊断机理研究转轮裂纹的发生不仅影响机组的安全运行，也大量增加检修工作量，消耗大量的人力、物力，费工费时。根据断裂力学分析，认为结构的危险性是由裂纹尖端应力强度因子K所控制，K是把裂纹尺寸、受力方式和结构形状联系起来的参数，利用声发射总计数N来表述金属材料中的应力强度因子K值和裂纹扩展速率的关系。波形分析是指通过分析声发射(AE)信号的时域波形或频谱特征来获取信息的一种信号处理方法。理论上讲，波形分析应当能给出任何所需的信息，因而波形也是表达AE源特征的最精确的方法，并可导致对AE的定量了解。从所采集的AE波形，人们可以很方便地获得信号的频谱和相关函数等信息，并可通过信号处理获得任何感兴趣的参数。因此，我们可以通过参数分析、波形分析以及时频分析对裂纹故障进行诊断。

图3 典型的碰摩故障声发射信号

图4 典型的碰摩故障声发射信号频谱

图5和6是典型的裂纹故障波形图和频谱图，从声发射信号的频谱中可以看到，裂纹故障发生时频率成分主要集中在50kHz和150kHz附近，裂纹故障的声发射信号也不是连续型的，典型的裂纹故障在一个完整的周期内有两个声发射事件，因为裂纹开闭各一次，并且裂纹开时信号幅值大，裂纹闭时信号幅值小。

图5 典型的裂纹故障声发射信号

图6 典型的裂纹故障声发射频谱

3 水轮机故障声发射诊断技术研究

对于实际运行的水轮机，碰摩、裂纹和空蚀状况的发生是渐变的、逐步演化的，为区分这三者故障信号，特研究了用以评价这些状态的指标：脉冲重复率、声强烈度、波形贴近度。

（1）脉冲重复率

记数法是处理声发射脉冲信号的一种常用方法。目前应用的记数法有：声发射事件记数和振铃记数率以及它们的总记数，另外还有一种对振幅加权的记数方法，称为“加权振铃”记数法。振铃计数率定义为单位时间内声发射脉冲超过门槛值的次数，并且单一的振铃计数率受阈值的影响很大，并且它们都只能区分一段时间内声发射信号的平均出现的次数，而对声发射信号是随机出现的还是有规律出现的无法区别。为此，定义了脉冲重复率。

脉冲重复率的定义为单位时间内时轴上声发射脉冲信号重复出现的概率，也表征了声发射信号释放的频率高低，该技术主要用于区分时轴上随机出现的和必然出现的声发射脉冲。因为对于水轮机的碰摩、裂纹和空蚀三种状况来说，碰摩和裂纹的声发射信号是周期性的，而空化的声发射信号是随机产生的，我们可以通过计算每个周期内，相同相位所生成的脉冲重复率来区分空蚀还是其他两种故障。

（2）声强烈度

记数法的缺点是易受样品几何形状、换能器的特性及连接方式、阐值电压、放大器等工作状况的影响。由于记数法处理声发射信号存在以上缺点，尤其对连续型声发射信号更为明显，因而通常采用测量声发射信号的能量来对连续型声发射信号进行分析。

我们定义声强烈度来反映声发射信号能量的大小，用声强烈度表示可从能量观点直接反映物体的声发射强度。常用均方根电压或均方电压来进行声发射信号的能量测量。声发射信号能量的测量可以直接与材料的重要物理参数如声发射事件的机械能、应变率或形变机制等直接联系起来，而不需要建立声发射信号的模型。能量测量问题同样解决了小幅度连续型声发射信号的测量问题。另外，测量信号的均方根电压或均方电压也有很多优点。首先，均方根电压或均方电压对电子系统增益和换能器耦合情况的微小变化不太敏感，而且不依赖于任何阀值电压，不像计数技术一样与阀值的大小有密切的关系。其次，均方根电压或均方电压与连续型的声发射信号的能量有直接关系，但对于计数技术来说，根本不存在这样的简单关系。第三，均方根电压或均方电压很容易对不同应变率和不同样品体积进行修正。

（3）波形贴近度

由于碰摩和裂纹故障的声发射原理不同，因此，两者的典型声发射事件波形图和频谱图都有所区别，在这里我们提出了波形贴近度来反映两个声发射信号的波形相似程度。首先，对典型故障信号样本进行包络处理，包络处理后如图7和8所示；然后把实测数据进行包络处理；最后与典型故障数据包络函数做时域上的互相关分析，获得最大的互相关系数ρt。

图7 典型碰摩故障包络信号

图8 典型裂纹故障包络信号

诊断实例：某故障时域波形如图9所示，其包络线如图10、图11所示。可以看到，该故障信号与碰摩故障的波形贴近度系数最大值在0.8以上，而与裂纹故障的波形贴近度系数最大值在0.5以下。

图9 某故障时域波形

图10 碰摩包络线贴近度曲线

4 声发射监测及诊断系统设计研究

（1）系统构成

本系统基于北京奥技异技术研究所的状态监测系统进行研究开发，其体系结构如图12所示。

图11 裂纹故障包络线贴近度曲线

图12 声发射诊断系统结构

声发射采集分析装置是由超声波传感器、前置放大器、集成采集单元等一整套设备组成，超声波传感器以及前置放大器均由美国声学物理公司提供，集成采集单元其内部集成了高速 AD采集模块、数据处理分析以及显示分析功能，可针对超声波传感器输出信号进行高速数字化采集和分析处理，其针对空蚀信号的类型以及特点设定相应的采集速度，采集策略，预处理算法等，形成适合于声发射信号采集和分析的装置。

（2）分析功能

主要分析功能有：采集卡的设置；实时波形显示功能；频谱实时分析功能；结合形态滤波及小波的分解与重构功能；声发射日趋势分析功能（声发射信号在一天内随有功功率、导叶开度等的趋势变化图）；声发射相关趋势分析功能；声发射状态分析功能等。

5 现场应用分析

东江水电厂装有4台混流式水轮发电机组，1987年第一台机组投产发电，1989年4台机组全部投入运行。在投运初期，水头较低，机组尚能稳定运行，振动不明显。随着上游水库水位的上升，机组进入高水头段运行，振动逐渐加剧。机组的强烈振动造成一系列的设备损坏，诸如转轮叶片裂纹、尾水管里衬撕裂、十字补气架脱落、主轴密封紧固螺栓断裂和定子铁心松动等重大设备缺陷，严重威胁着东江水电厂的安全运行；同时，也给机组设备的检修造成了极大的压力：被迫更改机组检修计划，缩短检修周期，延长机组检修工期，加大检修投入更是经常发生。

为此，东江水电厂进行了减震改造。2号机组正处于改造过渡期，且仍存在影响到机组安全运行的严重隐患（如水轮机的叶片裂纹、空蚀等），利用常规的在线监测系统不能完全对设备运行状况提供评价。因此，将研制的声发射监测诊断系统首先应用于东江水电厂2号机组上，以确保该机组在改造前的安全稳定运行。

表1 2号机组主要参数

针对水轮机的声发射信号传播途径的特点，在尾水管壁、导叶拐臂上各布置了一个声发射传感器。

系统经过一个多星期的现场调试，于2006年9月正式投运。利用该系统对2006年10月1日至2006年11月10日期间的监测数据进行了分析，其间的运行水头波动范围为：133～135m。

图13 空化声强烈度-负荷趋势

图14 裂纹声强烈度-负荷趋势

图15 碰摩声强烈度-负荷趋势

如图13～15，东江水电厂2号机组在132～134m水头下运行时，水轮机的空化声发射强度在40MW左右工况较为剧烈，在 100MW 工况附近较其他工况要偏小；裂纹声发射强度基本随负荷的增加有增大趋势，在满负荷声发射强度达到最大；转轮部分的碰摩声发射强度较弱，且各负荷段内幅值基本一致，监测时间内，没有发生较明显的碰摩故障。

总结2006年9月至2007年4月监测时段内声发射强度的规律发现，空化声强烈度、裂纹声强烈度随时间发展略有增大趋势（分析从略）。对比2006年11月 c级检修前后的振动摆度及声发射信号变化规律发现：检修前后机组各部位的振动摆度、水压脉动及水轮机效率并没有明显变化，虽然空化声强烈度没有明显区别，但检修前后的裂纹声强烈度有了明显变化（分析从略）。

通过以上应用分析，使用声发射技术检测分析机组的故障是非常有效的手段，能发现常规监测手段不能发现的问题和规律。

6 结语

本文就水轮机故障声发射诊断理论及系统设计进行了探讨分析，并简要分析了现场应用成果。将声发射分析技术应用于水轮机故障诊断，以水轮机的超声波段的声发射信号为测试研究对象，系统采用了形态滤波的方法，有效地避免了环境干扰、提高了故障信号的信噪比。对水轮机状态，特别是水下部分的运行状态进行了检测分析，采用和应用了"脉冲重复率"、"声强烈度"、"波形贴近度"三个指标，来区分水轮机的碰摩故障、空化状态、裂纹故障，并分别对这三种状态进行量化评价。基于研究的成果研制开发了监测系统，在东江水电厂2号机组上得到了应用，结合检修工作对该技术的诊断结果进行了验证。结果表明，这一技术对指导机组检修及运行是可行、有效的手段。

该系统同样可以应用于轴承、定子铁芯等部位的运行状态监测分析，同样的也可以扩展到对不同类型的水轮机声发射特性研究分析，可以极大地丰富水轮机故障声发射诊断技术的理论。

将声发射监测技术应用于水电机组故障诊断领域，扩宽了水电机组状态监测及诊断的手段和理论，解决了利用常规振动监测系统所无法检测发现的故障。相信今后随着科技的进步，以及声发射诊断技术在水轮机故障监测及诊断方面的深入研究、分析理论逐步成熟，这一新兴技术将广泛应用于水轮机故障诊断及监测领域，促进水电科技进步，确保水电厂机组安全稳定运行。

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