离心压缩机转子早期异常判别准则∗

温广瑞，马再超，2，3，吴广辉，董书志，刘学良

（1.西安交通大学机械工程学院 西安，710049）（2.清华大学软件学院 北京，100084）（3.工业大数据系统与应用北京市重点实验室 北京，100084）（4.西安陕鼓动力股份有限公司 西安，710075）（5.中国船舶工业系统工程研究院 北京，100070）

引言

离心压缩机是电力、石化、船舶等行业的关键设备，其动力学设计和振动评价主要参考美国石油学会的API617 标准［1］。但该准则一般应用于转子产生故障的高报场合，难以识别因微弱故障导致的早期振动异常。若转子处于轻微异常运行且未能及时识别，将导致预测性维护滞后，存在突发事故隐患。因此，及时识别离心压缩机转子早期振动异常甚至潜在故障，将提高生产过程的安全稳定性。

离心压缩机转子振动信号中蕴含的故障特征一般具有数量多、高频谱线相对接近及不同频率幅值差异大的特点，且往往伴随非线性、非平稳现象及噪声干扰［2］。张小勤［3］采用频谱分析了PC‐1A 型离心压缩机转子振动异常引发联锁停车事故的原因是动平衡不良。文定良［4］采用通频振动趋势、频谱和轴心轨迹发现甲醇合成压缩机存在转子热变形、碰摩和不平衡复合的振动异常。胡大月［5］指出石化企业还缺乏离心压缩机振动异常的经验和处理方法总结。Li 等［6］构造了压力脉冲信号识别离心压缩机转子叶片裂纹微弱异常特征。王兆鑫［7］发现VK50‐3型离心压缩机二级轴振动异常的原因是叶轮表面黏结物脱落。Sun 等［8］提出采用离心压缩机喘振的平均相位提取和识别方法。He 等［9］提出了一种双稳随机共振方法以提取离心压缩机转子叶片裂纹故障特征。马再超等［10］采用改进的总体平均经验模式分解提取转子轴承系统轻度故障特征并进行分类。以上数据分析成果有望转化为某设备专用的监测诊断软件系统，但面临工业现场大量相似个体的推广仍需普适性验证，实际多采用API617 支持。张小龙等［11］采用API617 分析和指导离心压缩机的动力学特性设计。Brun 等［12］指出API617 在离心压缩机喘振时的振动安全极限规定。Lei 等［13］采用消涡结构改进压缩机阻尼特性以符合API617 的稳定性规定。冀沛尧等［14］根据API617 研究得到孔型阻尼密封性能优于迷宫密封。胡永等［15］以API617 新增的磁力轴承标准验证了电磁轴承支撑下的转子系统振动幅值低。可以看出，近年的研究成果仍缺乏API617 针对离心压缩机转子早期异常振动监测的应用，一般仅用于报警。

本研究结合API617 的动力学指标、离心压缩机振动数据和现场专家经验，以Bently 转子系统为实验验证对象，AV90 型轴流压缩机转子为实际验证对象，对API617 动力学部分的振幅限值准则应用进行了探讨，为离心压缩机转子因各类典型轻度故障诱发的早期状态异常判别提供参考。

1 API 振幅限值准则

1.1 振动响应

API617 的动力学部分［1］给出了离心压缩机转子振动响应随转速变化的示意关系和转子处于工作转速区间时的最大振幅示意限制，为简化表达，将这两部分合并为如图1 所示的转子振动响应随转速变化示意图。图中：Nc1为转子一阶临界转速；Ncn为转子第n阶临界转速；Nma为转子最小运行转速；Nmc为转子最大连续转速；Ac1为Nc1处的振幅峰值；N1为0.707 倍Ac1对应的临界区初始转速；N2为0.707 倍Ac1对应的临界区终止转速；N2～N1为在“半功率”点峰值的宽度；Av1为转子振幅极限的实验值，简称“振幅限值”；Amax为转子正常运行时所有探头中最大的振幅峰峰值；Sa1为Nc1与Nma间的实际隔离转速；San为Ncn与Nmc间的实际隔离转速。

图1 转子振动响应随转速变化示意Fig.1 Significance of rotor vibration response changes with rotating speed

图1 定义了离心压缩机转子处于启动、变载、运行、降速和临界各阶段的异常振动判定指标。

以一阶临界为例，转子启动和降速阶段的振幅限值采用Ac1定义，转子变载和运行阶段的振幅限值采用Av1定义；转子处于某临界阶段的振幅限值采用隔离裕度（separation margins，简称SM）定义。

1.2 转子变载和运行的振幅限值

以一阶临界为例，各振动探头处的未滤波峰峰振幅不应超过振幅极限值Av1与25.4 μm 的较小值［1］，Av1按式（1）计算

1.3 转子临界时的隔离裕度准则

隔离裕度准则分为计算值Ma和标准值Mr，以一阶和某阶临界为例，根据文献［1］，其对应的Ma1和Man按式（2）计算

Mr需要引入放大系数An来定义，An的计算方法如式（3）所示

根据An取值规定，Mr的计算方法分为3 种：

1）当An<2.5 时，转子振动响应处于临界阻尼状态，此时没有隔离裕度要求，Mr=0；

2）当An≥2.5 时，且该临界转速小于最低运行转速，则Mr按式（4）计算

3）当An≥2.5，且该临界转速大于最高连续转速，则Mr按式（5）计算

1.4 转子振动异常判定规则

根据API617 的规定，设App为数据样本未滤波的峰峰振幅，可得到如式（6）～（10）所示的转子处于启动、变载、运行、降速和临界各阶段的异常振动判定规则［1］。

1）启动异常

2）变载异常

3）运行异常

4）降速异常

5）临界区异常

2 离心压缩机转子振动数据样本的异常判定方法

2.1 转子启停过程监测节点

离心压缩机转子启停全过程涉及加减速、通过临界转速和加减负荷环节。在不同的转速阶段，离心压缩机振动状态完全不同，各转速阶段对应的振动数据也往往具有较大差异。因此，以API617 转子启停过程定性监测区间为基础，根据离心压缩机现场运行的长期经验积累，进一步设置转速监测节点如下。

2.1.1 刚性转子

启动：50%预设转速，100%预设转速；

加载：20%负荷，50%负荷；

运行：100%负荷；

减载：0 负荷；

降速：95%预设转速，50%预设转速。

2.1.2 柔性转子

启动：90% 一阶临界转速，一阶临界转速，110%一阶临界转速，100%工作转速；

加载：20%负荷，50%负荷；

运行：100%负荷；

减载：0 负荷；

降速：95%工作转速，110%一阶临界转速，一阶临界转速，90%一阶临界转速。

当转子转速超过二阶临界转速时，需要增加的转子振动监测节点包括90%二阶临界转速、二阶临界转速和110%二阶临界转速。

2.2 振幅限值系数选定原则

西安陕鼓动力股份有限公司根据离心压缩机多年研制、应用和监测经验发现，在采用转子故障判定规则时，国内不同机型的振幅限值不同，同一机型之间的振幅限值不同，同一机型处于不同运行过程的振幅限值也不同，但这些振幅限值的差异固定于某一范围内。因此，需要一个系数指标乘以待测试机组的测量振值，将不同振幅限值的差异固定于该系数指标的控制范围内，从而形成离心压缩机振动数据的通用判定规则。

取现役某离心压缩机转子启停过程任意节点数据样本计算振动有效值的算术平均值，记为异常数据参考指标，记为R；该离心压缩机转子启停过程任意节点振幅限值，记为A；称系数指标为振幅限值系数，记为ε，其计算公式为

N台现役离心压缩机的振幅限值系数ε的平均值，记为计算公式为

2.3 数据样本异常一次判定规则

在转子振动异常判定规则的基础上，引入振幅限值系数的平均值εˉ，得到如式（13）～（17）所示的转子处于启动、变载、运行、降速和临界各阶段的异常振动一次判定规则。

启动异常

变载异常

运行异常

降速异常

临界区异常

2.4 数据样本异常二次判定规则

由于一次判定规则适用于转子故障报警场合，缺乏了早期微弱异常的识别能力，因此结合转子振动有效值来二次判定数据的正异常状态。取现役离心压缩机转子启停过程任意节点数据样本R值的算数平均值为，异常数据准则指标记为D，计算公式为

某离心压缩机转子启停过程任意节点数据样本的D指标计算结果，记为d；某待测离心压缩机转子启停过程任意节点数据样本有效值的算术平均值，记为r，计算公式为

当d>D时，判定异常；当d≤D时，判定正常。

2.5 离心压缩机转子数据异常判定流程

根据离心压缩机转子振动异常判定方法，归纳总体流程框架如图2 所示。

由图2 所示流程可归纳出离心压缩机转子振动异常判定的具体步骤如下：

图2 离心压缩机转子振动数据样本的异常判定流程Fig.2 Decision procedure of abnormal data sample from the rotor of centrifugal compressor

1）抽样离心压缩机转子振动信号，得到数据样本；

2）根据数据样本对应的转速条件判断转子当时处于刚性或柔性运行状态；

3）采用一次判定规则判定转子处于启动、变载、运行、降速和临界运行条件时的正异常情况，显示异常则判定结束，正常则继续执行步骤4；

4）采用二次判定规则计算转子正常运行条件下的所有判定指标D值；

5）采用二次判定规则计算转子当前运行条件下的判定指标d值；

6）比较d和D大小，确定转子当前运行的正异常情况，判定结束。

需要说明的是：刚性条件时的一次判定规则仅在盘车和测试时使用，实际运行时一般按照柔性条件处理；实际操作时D值已经储备并阶段性更新。

3 实验验证

离心压缩机转子正常运行时，其理想的振动信号频谱特征通常表现为转频幅值较大且伴随通频噪声的特点。在转子各类典型故障中，转子不平衡振动的频谱特征近似转子正常振动特征，差别在于转频幅值更大。因此，若能尽可能设置较低的转子不平衡程度，使其转频幅值略大于转子正常振动的转频幅值，又便于观察两者之间存在的差异，则该转子轻度不平衡故障能验证离心压缩机转子振动数据样本的异常判定方法。首先，采用平衡校正过的Bent‐ly‐RK4 转子实验台模拟转子轻度不平衡故障，实验台由转子系统和振动测试系统组成，如图3 所示。转子系统包括转子、质量盘、电机、轴承座和基座；振动测试系统包括6 组位移传感器、数据采集模块和上位机。其中：1～4 号传感器以45°和135°方向放置并分为2 组用于采集转子振动信号；5 和6 号传感器分别用于测量相位和获取转速。

图3 Bently-RK4 转子实验台Fig.3 Bently-RK4 rotor test bench

使用上述转子实验台模拟故障并采集转子正常振动和轻度不平衡故障信号。其中，转子系统质量盘部件加工了以22.5°为间隔、均匀分布的螺纹孔，如图4 所示。在0°位置螺纹孔中加入0.4 g 的配重实现转子质心偏离轴心线的轻度不平衡现象。

图4 转子系统质量盘Fig.4 Mass disk of rotor system

实验中，采样频率设为1 024 Hz，采样长度设为1 024 点，工作转速设为4 000 r/min。

3.1 转子不平衡故障验证

列举柔性转子处于100%工作转速和负荷时，正常和轻度不平衡振动时域信号及频谱（time and frequency domain，简称T&F），如图5、图6 所示。

图5 转子正常振动信号的时域波形和频谱Fig.5 Normal rotor vibration signal in T&F

图6 转子轻度不平衡故障信号的时域波形和频谱Fig.6 Slight unbalance rotor vibration signal in T&F

图5、图6 分别给出了转子正常振动和轻度不平衡故障信号的时域波形及频谱。由时域波形看出，转子正常振动信号的坐标幅值范围显示为-4～4 μm，转子轻度不平衡故障信号的坐标幅值范围显示为-10～10 μm。因此，两信号虽然具有近似的振荡周期，但振荡幅值差异大，且转子正常振动信号主要表现为多分量叠加的形式，而转子轻度不平衡故障信号的单一性相对较强。在频谱中，转子正常振动信号的坐标幅值范围为0～1 μm，转子轻度不平衡故障信号的坐标幅值范围为0～8 μm。进一步给出转频67 Hz 及其倍频位置的成分幅值情况，对比可见，两信号除转频幅值差异较大，其他成分幅值都对应近似相等。因此，转子正常振动信号和轻度不平衡故障信号特征仅在转频处存在差异。根据离心压缩机转子振动异常判定的步骤3，进行转子轻度不平衡状态的一次判定。实验研究中设置振幅限值系数为1.0，列出20 个监测节点的标准值、测量值和判定结果如表1 所示。其中，由于节点10 和19 是转子临界区运行过程的监测节点，故采用无量纲的隔离裕度准则进行判定：节点10 的标准值是16.36%，测量值是57.50%，判定正常；节点19 的标准值是16.36%，测量值是57.50%，判定正常。

由表1 可知，节点1～8 对应转子刚性振动条件：1，2，7，8 为转子启动和降速过程的监测节点；3，4，5，6 为转子变载和运行过程的监测节点。节点9～20 对应转子柔性振动条件：9，11，12，17，18，20 为转子启动和降速过程的监测节点；13，14，15，16 为转子变载和运行过程的监测节点；10，19 为转子临界区运行过程的监测节点。可以看出，所有监测节点的监测结果都显示正常。需要注意的是：所有启动和降速过程的测量值远小于标准值，平均测量值约为平均标准值的26.20%；所有变载和运行过程的测量值小于标准值，平均测量值约为平均标准值的70.32%；临界区测量值为标准值的3.51 倍。这些结果验证了现行API 振幅限值准则适用于故障报警场合，而难以识别因微弱故障导致的早期振动异常。因此，继续根据离心压缩机转子振动异常判定的步骤4～6 进行转子轻度不平衡状态的二次判定，实验研究中设置振幅限值系数为1.0，列出20个监测节点的标准值、测量值和判定结果，如表2所示。

表1 转子轻度不平衡20 个监测节点的一次判定Tab.1 The first decision of 20 monitoring nodes for slight unbalance rotor

表2 给出了转子处于轻度不平衡振动状态时，所设20 个监测节点对应的标准值、测量值和二次判定结果。可以看出：节点10，19 和20 显示为标准值大于测量值，判定结果为正常；大部分节点的振动状态都判定异常。进一步观察判定结果异常的节点可以发现：节点1，2，4～9，11，18 的振动测量值和标准值平均相差11.23%；节点3 的振动测量值和标准值相差40.41%；节点12～17 的振动测量平均值是标准平均值的4.81 倍。值得注意的是：节点12～17 监测了柔性转子处于运行和变载时刻的振动状态，判定结果与图5、图6 显示的波形差异相对应；其他节点虽然不是运行和变载区域节点，但同样能检测出异常，其微弱的差异表明这些对应的转子不平衡故障特征属微弱特征。这些结果验证了二次判定规则可辅助API 准则识别因微弱故障而导致的转子早期振动异常。

表2 转子轻度不平衡20 个监测节点的二次判定Tab.2 The second decision of 20 monitoring nodes for slight unbalance rotor

3.2 其他典型故障实验验证结果

笔者直接给出转子轻度不对中、轻度偏心、轻度弯曲、轻度裂纹、轻度松动和轻度碰摩的20 个监测节点判定个数，统计结果如表3 所示。

表3 其他典型轻度故障验证统计Tab.3 Verification statistics of other typical slight faults

6 类典型轻度故障的验证统计结果表明，二次判定规则辅助一次判定规则能识别转子早期异常。

4 实际应用验证

笔者采用轴流压缩机转子故障数据验证离心压缩机转子振动数据样本的异常判定方法的有效性，数据来源于西安陕鼔动力股份有限公司的AV90 型轴流压缩机。轴流压缩机的空气压缩增压主要依赖于转子上安装的多级动叶片、各级工作叶片和导流叶片来实现。气体连续流经由工作叶片和导流叶片构成的轴流压缩机各级，逐级压缩和升压。由于载荷较大，加压过程易使得各级流道扰动转子，从而加剧转子弯曲故障特征。当经过若干次加压后，若转子弯曲振动过大将导致工作叶片接触导流叶片，从而形成周期性碰摩故障。轴流压缩机开盖后的故障转子如图7 所示。测试方法如图8 所示的闭盖状态，采用一对Bently 电涡流传感器互成90°安装于转子轴颈处，测量转子的径向振动位移。

图7 轴流压缩机开盖状态Fig.7 Opening state of axial flow compressor

图8 轴流压缩机闭盖状态Fig.8 Closing state of axial flow compressor

轴流压缩机转子系统的工作转速测量值为4 569 r/min，测试系统的采样频率设为2 048 Hz，采样长度为1 024，获取转子系统一个加压周期的3 个节点（180，300 和550 kPa）振动位移信号，其时域波形和频谱分别如图9～11 所示。

图9 压力180 kPa 的转子振动信号时域波形和频谱Fig.9 Rotor vibration signal with 180 kPa in T&F

图10 压力300 kPa 的转子振动信号时域波形和频谱Fig.10 Rotor vibration signal with 300 kPa in T&F

图11 压力550 kPa 的转子振动信号时域波形和频谱Fig.11 Rotor vibration signal with 550 kPa in T&F

转子压力为180 kPa 时，信号在时域表现为单一的正弦波形，振动峰值在10～20 μm 之间变化。频谱中，转速4 569 r/min 对应的转频76 Hz 幅值为12.499 μm，远大于其他成分幅值。进一步放大观察大于转频的成分，可以看到存在很多幅值微弱的谐波，二倍频152 Hz 成分的幅值为1.345 μm，其右侧谐波幅值相对微弱的多，仅略大于噪声幅值。该节点为转子处于工作转速时的正常振动情况。

转子增压至300 kPa 时，信号仍然表现为单一的正弦波形，振动幅值大于20 μm。频谱中，转频76 Hz 成分幅值升高至25.360 μm，近似于原始幅值的2 倍，仍然远大于其他成分幅值。在大于76 Hz 的放大图中，152 Hz 成分幅值降至0.925 μm，其右侧的成分幅值都小于152 Hz 成分幅值，且基本处于同一数量级。相对180 kPa 节点，转频幅值显著增大的情况代表转子由正常运行转变为弯曲运行。

转子增压至550 kPa 时，信号不再是简单的正弦波形，而是多振动叠加形式，振动幅值处于-200～100 μm 之间，峰值波动剧烈程度远大于180 和300 kPa 的对应结果，且此时波形已经严重不对称。频谱中，转频76 Hz 幅值为47.582 μm，大于其他成分幅值，且其他小幅值成分已经不需要放大观察，与幅值为9.626 μm 的二倍频152 Hz 成分水平相同，共计有11 个三倍频以上的高次谐波。相对180 和300 kPa节点，各成分幅值明显升高，代表工作叶片和导流叶片碰摩。令转子压力180 kPa时的振动状态相关计算值为标准值，进行离心压缩机转子弯曲和碰摩状态的一次判定，应用研究中设置振幅限值系数为1.2，列出3种状态的标准值、测量值和判定结果，如表4所示。

表4 轴流压缩机转子3 种加压状态的一次判定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 对应的正常振动节点显示正常，测量值相对标准值小25.8%；300 kPa 对应为转子弯曲振动，测量值大于标准值的35.2%，表明转子在该监测节点的振动情况出现异常；550 kPa对应为转子碰摩振动，测量值为标准值的4.83 倍，表明转子在该监测节点的振动远超过标准值。轴流压缩机工作条件下的3 个加压时刻振动状态判定表明，由API 振幅限值准则得出的振动标准值适用于高振动报警场合，但可以正确判别3 种工作状态的正、异常情况。笔者继续进行轴流压缩机转子3 种加压状态的二次判定，验证二次判定规则。应用研究中设置振幅限值系数为1.2，列出3 种状态的标准值、测量值和判定结果，如表5 所示。

表5 轴流压缩机转子3 种加压状态的二次判定Tab.5 The second decision of three pressure states of the rotor of axial flow compressor

由表5可知，以转子压力为180 kPa时刻的振动数据计算正常标准值为11.022。可以得出，转子压力为300 kPa 时的测量值是标准值的2.01 倍，转子压力为550 kPa时的测量值是标准值的4.84倍。该计算结果与API准则对应的计算结果类似，可以检测出转子异常振动状态。值得注意的是，二次判定规则在转子弯曲异常检测时，测量效果更明显，表明二次判定规则更适用于转子因微弱故障而导致的早期振动异常检测。

5 结论

1）API617 的振幅限值准则适用于离心压缩机转子的故障报警场合，而难以实现因早期微弱故障导致的振动异常检测。

2）在API617 启停过程监测区间的基础上，详细设计了离心压缩机转子的转速监测节点。

3）以振幅限值系数修正振幅限值准则而构造的一次判定规则仍然适用于离心压缩机转子故障报警。

4）以振幅限值系数修正有效振幅而构造的二次判定规则适用于转子因早期微弱故障导致的状态异常识别。