对高速涡轮机械与离心泵状态监测技术异同的研究

陈明华，叶剑，肖宇

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452）

海洋石油大型泵类，如外输泵、注水泵以及高速涡轮机械类，如燃气轮机、离心压缩机都属于关键动设备，为保障设备运行可靠性，普遍应用了状态监测技术。这两类设备因结构及运行环境不同，在监测硬件系统、软件工具、数据分析特点方面又存在诸多差异，详述如下。

1 设备结构及运行环境差异（表1）

表1

2 监测系统差异（表2）

表2

3 监测数据及数据分析工具差异（表3）

表3

对于振动监测数据及数据分析方面的差异下文结合设备转子简单模型的转子动力学数学模型，以不平衡为例进行讨论。

对于同样使用动压滑动轴承的旋转机械，包括离心泵及离心压缩机，其简单模型中在不平衡力作用下强迫振动的振动响应数学表达式，式（1）。

其中，Aejα为振动矢量，α为振动高点位置，δ为质量重点位置；m为不平衡质量；r为不平衡质量距旋转中心距离；Ω为转速，不平衡质量与转速同步；K为转子静态刚度；M为转子质量；D为转子阻尼常数；λ为油膜流体周向平均速度比。

由式（1）可知，转子的振动大小取决于不平衡力与转子的动态刚度的比。

海上燃机等高速涡轮机械设计上均在一阶临界转速上运行，设K、D、λ为常数，则仅与转子转速大小相关；当时，径向动态刚度为零，转子共振，振动最大，相位滞后90度。当转速远大于一阶临界转速时，以转子质心为中心旋转，振动大小接近于质量偏心距r。

上文假设转子的刚度、阻尼不变，适用于设备工作转速稳定工况下。在设备实际运行过程中，随着转速的变化，转子轴颈在轴承中的位置，即偏心率，始终随着转子受力变化而不断调整。对于椭圆瓦轴承，轴心在启动过程中，不断抬升。油膜轴承油膜刚度和阻尼是轴心偏心率非线性函数关系，总体上，高偏心率时，油膜轴承刚度大，阻尼大，低偏心率时，刚度小、阻尼小。油膜轴承在转子承受动态、静态载荷是其偏心率也会显著变化，如，进气载荷、不对中和齿轮啮合力施加的载荷等，因此，油膜轴承不论是在起停车，还是在定速运转的过程中，其刚度和阻尼是动态变化的，并影响动态刚度、临界转速和振型，并最终影响振动幅值的大小。

海上大多数离心泵转子支撑轴承为滚动轴承，其振动响应的数学表达式可简化为公式（3）。

海上平台离心泵与高速涡轮机械不同，工作于转子临界转速之下为刚性转子，只有当静态刚度K发生变化时，转子振动才会进入共振影响区域。由此可知，刚性轴滚动轴承的泵类，工作转速运行时，振幅大小主要受激振力不平衡力大小、转子轴系的静态刚度影响，转子振动矢量与激振力之间的夹角近似为零，因此很少用到瞬态分析工具分析离心泵启停车过程的瞬态振动响应。

4 监测与诊断评估标准异同（表4）

表4

5 结语

综上，离心泵与高速涡轮机械的振动监测技术存在诸多差异，对高速涡轮机械进行数据分析除了监测正常运行条件下的振动数据外，还应关注以下数据。

（1）设备启停车瞬态数据。

（2）观察设备慢滚动矢量数据及其变化。

（3）关注设备运行过程的操作、工艺量数据、振动数据的关联变化情况。

（4）观察设备较长时间段的振动矢量幅值与方向变化趋势。

必要时，还应进行与故障诊断相关单位专项测试，主要包括以下测试。

（1）机组升、降速振动试验，以确定机组实际轴系临界转速及过临界的振动特性。

（2）发电机的励磁电流试验，判断机组故障时电气故障还是机械故障。

（3）汽轮机组的有功负荷试验，判断机组负荷调整过程中，汽轮机机械状态和热状态变化对机组振动的影响。

（4）轴承动刚度测试及轴承座外部振动特性试验，测量轴承及其连接部位的振动，以确定其振动特性和连接状况。

（5）结构固有频率测试，确定轴承座，端盖等固定钢结构固有频率，确定是否存在结构共振。

（6）机组轴系动态标高试验，测量机组在升、降速和带负荷过程中轴系个轴承标高的变化。