转炉煤气加压机振动在线监测与故障诊断

代琳娜

首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200

一、绪论

我部门采用OneproD设备监测系统对本部门转动设备振动情况进行实时监控及振动故障判断，实现了对机组的预防性维修。

某分厂煤气加压机有焦炉煤气加压机、高炉煤气加压机和转炉煤气加压机三种，分别为煤气进行加压输送，常见的振动故障有转子不平衡、不对中、轴弯曲、碰磨等。现就最常见的转子不平衡故障机理进行阐述，实现对煤气加压机的预防性维修。

二、故障机理分析

转子不平衡故障产生的机理是转子各横截面的质心连线与各截面的几何中心连线不重合，从而使转子在旋转时，各截面离心力构成一个空间连续力系，转子的挠度曲线为一连续的三维曲线，如图1所示。这个空间离心力力系和转子的挠度曲线是旋转的，其旋转的速度与转子的转速相同，从而使转子产生工频振动。

实际的转子，由于轴的各向弯曲有差别，特别是由于支撑刚度各向不同，因而转子对不平衡质量的响应，在X、Y方向不仅振幅不同，而且相位差也不是90°，因而转子的轴心轨迹为椭圆形，如图2所示。

所以，当转子有质量不平衡故障时，在不平衡力的作用下转子将发生振动，振动的主要特征如下。

（1）振动的时域波形为正弦波。

（2）转子的振动是一个与转速同频的强迫振动，振动幅值随转速按共振曲线规律变化，在临界转速处达到最大值。因此，转子不平衡故障的突出表现为一倍频（1X）振动幅值大。同时，出现较小的高次谐波（如2X、3X、4X振动），整个频谱呈所谓的“枞树形”。

（3）在一定的转速下，振动的幅值和相位基本上不随时间发生变 化。

（4）轴心运动轨迹为圆形或椭圆形。

（5）动态下轴线弯曲成三维曲线，并以转子转速绕静态轴心线旋 转。

对于各机组而言，无论其平衡状况有多么好，总是或多或少地存在质量不平衡。所以，其振动频谱中始终有1倍频分量，这种情况是允许的。这里有必要引入一个判断转子出现不平衡故障的标 准。

当转子出现不平衡故障时，转子的整体振动水平会超标，可利用如下方法来判断转子不平衡故障：设诊断开始时与转速同步的振动矢量为XN，通频矢量为XM，当满足│XN│≥α│XM│(α=0.7)，且相位角和振动信号的通频幅值不随时间变化（或变化很小）时可判断机组存在转子质量不平衡故障。

图1 转子质心的空间分布

图2 转子不平衡的轴心轨迹

三、转炉煤气加压机振动监测和故障诊断

1.机组概况

转炉煤气加压机采用D900-11型单向进气单级离心式鼓风机，是专供压缩输送转炉煤气之用，转子呈简支梁型。其在线监测有两个测点，分别位于鼓风机驱动端(F1Y)和非驱动端(F2Y)轴承处，均为加速度传感器，测量振动速度值（图3）。正常运行转速为2 985r/min，振动报警值4.5mm/s，连锁停机值7.1mm/s。

以4#转炉煤气加压机为例进行分析。2013年7月29日，该机启机运行，鼓风机F1Y和F2Y振动速度值分别为0.604mm/s和0.767mm/s，机组运行状态良好，运行至8月18日开始，两测点振动值呈明显上升趋势，F1Y和F2Y测点振动速度值分别为0.886mm/s和1.26mm/s，振动值不大，重点观察运行。运行至9月1日时，F1Y和F2Y测点振动值上升至2.57mm/s和3.72mm/s，直逼报警值4.5mm/s，振动趋势图如图4。

图3 机组及测点分布

图4 4#转炉煤气加压机本次故障运行期间振动趋势图

2.振动原因分析

应用在线监测系统对4#转炉煤气加压机振动大问题进行故障分析。图5为2013年7月29日和9月1日F1Y、F2Y两测点振动频谱对比图，图中显示F1Y测点1倍频振动值由0.35mm/s上升至2.29mm/s，F2Y测点1倍频振动值由0.64mm/s上升至3.49mm/s。由频谱对比图可见，两测点频率成分主要为1倍频，同时有很小的高次谐波；且振动通频值增大的主要成分为1倍频。

对比1倍频振动值│XN│同振动通频值│XM│的关系，F1Y测点│XN│=2.29mm/s，│XM│=2.57mm/s，F2Y测点│XN│=3.49mm/s，│XM│=3.72mm/s，均有│XN│≥α│XM│(α=0.7)关系。

图5 振动频谱对比图

图6 振动时域波形对比图

图7 4#转炉煤气加压机振动趋势图

图6所示为2013年7月29日和9月1日F1Y、F2Y两测点振动时域波形对比图，由图可见，各测点振动时域波形在一个周期内为典型的正弦波，故障状态下的时域波形较正常运行状态下时域波形振幅增大。再根据通频振动值是随着时间的推移缓慢爬升的特点，可以判断振动是由转子不均匀结垢或腐蚀，引起转子不平衡。

如果转炉煤气的品质长期不良，随着时间的推移，将在鼓风机的叶片表面结垢或腐蚀叶片，使转子原有的平衡遭到破坏，振动增大。由于结垢或腐蚀需要相当长的时间，所以振动是随着时间而增大的。并且由于流通部分结垢或腐蚀，导致流通条件变差，轴向推力增加，效率逐渐下降。

观察在线监测系统使用以来4#转炉煤气加压机振动趋势图（图7）可见，机组平均运行周期为45天，此次设备已运行近40天，且振动值接近报警值，同以往停机检修时振值大小相近，故决定停机检修，避免出现生产事故。

3.停机检修

2013年9月2日对4#转炉煤气加压机进行了解体检修，发现叶轮、扩压器和壳体表面积灰严重。为解决其振动故障，对转子、扩压器和壳体进行除垢，并对转子做动平衡。检修后，振动值明显下降，F1Y和F2Y两测点振动值分别为0.44mm/s和0.45mm/s。

[1]虞和济，韩庆大，李沈等.设备故障诊断工程[M].北京：冶金工业出版社，2001.

[2]李录平，卢绪祥.汽轮发电机组振动与处理[M].北京：中国电力出版社，2007.