基于油液在线监测的水轮机组故障诊断分析

李 镇，刘文勇

（1.国家能源集团新疆吉林台水电开发有限公司，新疆伊犁 835000；2.广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510535）

0 引言

水力发电机组的作用是将河川、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，经水轮机转换成水轮机的机械能，水轮机又推动发电机发电，将机械能转换成电能[1]。

机组推导轴承为下导和推力联合轴承，推力承受机组转动部分重量，是发电机最重要的组成部件之一，其运行状况直接关系到机组的安全稳定运行，尤其是推导油液品质、推力油膜厚度及推力瓦受力是机组运行优良的关键指标。

基于设备的“血液”润滑油的在线监测技术[2]可以通过主机及控制系统的油品特性监测分析提前发现系统存在的早期异常，做到早预防、早诊断、早维护，确保设备运行可靠性。关键机组设备润滑油在线监测技术可加强设备的润滑安全监控工作，并把它建立在科学管理的基础上，对保证装置均衡生产、保持设备完好并充分发挥设备效能、改善润滑状况、减少设备故障、提高企业经济效益和社会经济效益都有着极其重要的意义。

1 监测指标

根据现场在线监测仪器获取的监测数据，主要包含污染度、水活性、水分、黏度及磨损情况。以下主要对各参数表征含义及监测结果进行分析。

1.1 水分

在润滑系统中，油中的水分主要来自于油冷器泄漏或空气污染，油中进水将使得设备生锈的风险增大（图1）。水分将使油品氧化变质，增加油泥，恶化油质，聚酯抗燃油进水将使得产生水解反应生成有机酸，使得油品腐蚀性增大；水分还会使油中的添加剂水解反失效，降低油品的极压耐磨或抗氧化性能；对于水分离性较差的油品，水分会促使油品乳化，显著降低油膜强度，所以水分含量应控制在尽可能低的程度。相关研究结果显示，油中含500×10-6水分时轴承的寿命是含100×10-6水时的50%。

图1 水分导致设备寿命缩短

在线水分传感器的直接输出是水活性，即在某个温度下的水分溶解在油中的百分数，用M 湿度表示。由于工程习惯使用水分的含量MSensor，标准单位mg/kg（即ppm），其转化公式为MSensor=M湿度×10f（a，b，T）。

其中：

1.2 黏度和油温

黏度是流体流动时内摩擦力的度量，用于衡量油品在特定温度下抵抗流动的能力。黏度是油品选择的主要依据，同时也是判断设备润滑状态、确定是否换油的重要依据。黏度值的改变反映了设备运行状态的变化，黏度异常将导致设备润滑不良，机械表面产生异常磨损，如点蚀、剥落等（图2）。在使用过程中，油品黏度变化的主要原因有油品氧化、劣化、水分乳化及污染物浸入等，另外在日常维护保养过程中，加错油也会导致黏度发生变化。

图2 黏度变化导致轴瓦剥落

机组润滑系统油温升高后造成的影响主要有以下6 个：

（1）油温升高使油的黏度降低，如果油的黏温性能较差，温度变化导致黏度变化更为显著，元件及系统内油的泄漏量将增多，进而导致液压泵的容积效率降低。

（2）油温升高将使机械元件产生热变形，各类阀类元件受热后膨胀，可能使配合间隙减小，因而影响阀芯的移动，增加磨损，甚至卡阀。

（3）油温升高黏度降低后相对运动表面间的润滑油膜将变薄，增加机械磨损，在油液污染度较高时易产生机械故障。

（4）油温升高使油的黏度降低，使油液经过节流小孔或缝隙式阀门的流量增大，使原来调节好的工作速度发生变化，影响工作的稳定性，降低工作精度。

（5）油温升高将使油液的氧化速度加快，导致油液变质劣化，降低油的使用寿命。油中析出的油泥等沉淀物还会堵塞元件的小孔和缝隙，影响系统的正常工作（图3）。

图3 高温导致设备用油严重氧化

（6）油温过高会使密封装置迅速老化变质，丧失密封性能。

1.3 污染度

据统计，系统故障中有75%以上是由于油液污染造成的。颗粒污染指油中含有的固体颗粒含量，其主要来源于外界的粉尘、砂砾、密封胶质物，也有来源于系统内部的油品氧化产物（油泥）、过滤器的玻璃纤维、油管中的锈蚀/颗粒以及摩擦副表面的磨损颗粒等。这些固体杂质颗粒会影响润滑油膜的连续性，导致摩擦副磨损；催化基础油裂化，影响油液寿命及油膜强度，还可能堵塞滤油器、油线管道、润滑油槽，或沉积在摩擦部件表面影响散热。在高速机中，油泥还易附着在轴瓦表面形成漆膜，固体颗粒污染通常可以用污染度来进行评价。

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1.4 磨损

磨损颗粒污染指油中含有的固体颗粒含量，包括金属颗粒和非金属颗粒，其主要来源于外界的粉尘、砂砾、密封胶质物，也有来源于系统内部的油品氧化产物（油泥）、过滤器的玻璃纤维、油管中的锈蚀颗粒以及摩擦副表面的磨损颗粒等[3]。这些固体杂质颗粒会影响润滑油膜的连续性，导致摩擦副磨损（图4）。催化基础油裂化，影响油液寿命及油膜强度，还可能堵塞滤油器、油线管道、润滑油槽，或沉积在摩擦部件表面影响散热。在高速旋转设备中，油泥还易附着在轴瓦表面形成漆膜，固体颗粒污染通常可以用污染度来进行评价。

图4 设备轴瓦颗粒超标导致轴瓦划伤

2 推导轴承数据分析

2.1 整体趋势分析

在线监测数据收集时间区间为2022 年1 月1日—2022 年10 月17 日，对水分、黏度（40 ℃）、NAS（National Aerospace Standard，美国生产军用飞机标准）污染度等级3 个指标进行归一化处理（图5）。

图5 监测数据趋势

水分的变化趋势整体稳定，无异常超标数据；NAS 等级和黏度的变化趋势整体较为稳定，2022 年7 月以来，在线数据中黏度（40 ℃）和NAS 等级出现较大波动。经与现场沟通，反馈现场存在检修情况，对油品进行滤油操作，建议取样进行离线分析，评估油品性能。

2.2 数据分布分析

2022 年在线监测数据分布情况如表1 所示。

表1 2022 年在线监测数据分布情况

由表1 可知，在用油水分非常小，整体监测数据水分中位值是31×10-6，这与离线检测“痕迹”是一致的，传感器的数据输出跳动较小，其性能稳定；整体监测数据黏度中位值是47.450 mm2/s，数据与离线检测数据47.100 mm2/s 接近，说明传感器性能稳定。监测数据污染度等级中位值是10 级，与离线数据相符，传感器的数据输出跳动较小，其性能稳定。

2.3 相关性分析

对整体数据进行相关性分析，并作出指标相关性分析（图6）。

图6 指标相关性分析

相关性分析结果表明：污染度NAS 等级与水分呈现正相关，相关系数为0.11；污染度等级与Fe（70～100）颗粒呈正相关，相关系数为0.17；说明水分与铁磁颗粒都会影响污染度的变化。

3 结论

3.1 数据分析总结

各站监测对推导轴承（所用油品为长城46#汽轮机油）的数据进行分析，获取的典型值数据见表2。

由表2 可知，水分和黏度（40 ℃）的监测结果均在正常范围之内，而NAS 1638 处于超标状态。由此可以得到以下4 个结论：

表2 监测参数的中位值

（1）在线油水分含量较低，水分数值范围在30×10-6左右，其监测值与离线检测“痕迹”一致。

（2）黏度变化正常，各压气站机组由于使用油品型号、黏度不同，但黏度与油温变化特征符合油品的黏温特性，即油温高、黏度低，油温低、黏度高。由于现场仪器取样点的不同，监测值也存在差异。

（3）污染度等级较高，现场污染度NAS 等级控制≤8，在用油良好的清洁度与压缩机封闭式润滑系统及过滤冷却系统良好分不开。

（4）磨损情况总体良好，在2022 年第三季度出现轻微磨损情况，建议取样进行复测。

3.2 应用建议

根据对设备的在线监测采集数据分析，设备在用油污染度等级需要注意，虽然能满足机组用油要求，但日常应定期查看在线监测数据与设备自带工况参数数据，特别是污染度NAS 等级变化，加强过滤净化处理，控制润滑油污染度等级降至正常范围或不再升高。