对于各种旋转设备而言,转子不平衡是最常见的一种故障。据统计,接近70%的机组故障是由于转子不平衡或不平衡引发的其它故障。仅在2018年第2季度,在沈鼓云服务已验证的故障诊断事件中,就有18起为转子不平衡类故障。
所谓的不平衡就是转子质量沿旋转中心线的分布不均匀,转子在高速运行过程中受到离心力的作用,由此引起的机器振动或产生的其它问题称为不平衡故障。按照不平衡发生的过程可分为原始不平衡、渐发性不平衡和突发性不平衡等几种情况。
下表为2018年第2季度沈鼓云服务中心诊断的不同设备出现不平衡类故障的汇总:
(1)对于原始不平衡类故障,其发生的主要原因一般是由于转子的结构设计不合理、机械加工质量偏差、装配误差、材质不均匀、动平衡精度差。
当转子出现原始不平衡类故障时,其时域波形接近标准正弦波形态,频谱中主要以1X为主,其它谐波频率成分幅值较低;当工作转速一定时,振动的相位稳定;转子的轴心轨迹图呈椭圆形,涡动特征为同步正进动;振动随转速变化较为明显,随其它参数变化不太敏感。
(2)对于渐变不平衡类故障,其故障发生的原因主要与机组运行、维护或介质特性有关,转子被腐蚀、磨损或出现不均匀的结垢、脱落等现象;如由于蒸汽品质不良,在汽轮机叶片上经常出现钙、镁及硅类物质沉积在叶片上形成垢;而对于乙烯装置中的裂解气压缩机、甲醇装置中的合成气压缩机、硝酸四合一装置中的氧化氮压缩机等,由于其气体介质特性,也经常在叶轮表面和流道内出现结垢现象;对于烟汽轮机,由于催化剂粉尘结垢导致机组振动变大,影响机组运行的案例发生的更多。
当转子出现渐变不平衡类故障时,其振动特征一般表现为:在一段时间内,振值呈缓慢上涨的趋势,偶尔还会有小幅跳变(向上或向下)的现象;变化的特征频率主要以1X为主,1X相位随之同步小幅变化。对于汽轮机,有时随着通流面积的减小,轴向力增加,轴位移或推力轴承温度也会随之缓慢小幅变化,其轮室压力往往也会增加。
(3)对于突发性不平衡类故障,大多是由于转子受疲劳应力作用,造成转子的零部件(如压缩机叶轮、汽轮机的叶片、围带、拉筋等)局部损坏、脱落,产生碎块飞出等。此类故障往往在汽轮机上出现的概率较高,给设备的安全运行带来一定影响。
当转子出现突发性不平衡类故障时,其振动值在短时间内(一般是秒级或毫秒级)突然大幅升高,随后振值会稳定在一个较高的新水平上;变化的特征频率主要以1倍频为主,1X相位也会同步发生改变;振值突变时刻,其波形图中,在某几个周期内波峰或波谷处幅值出现瞬间增大,随后波形呈稳定的正弦波形态,频谱图中1X幅值占比可达80%以上;机组停机过程中,通过临界转速区间时,其共振峰值与以往停机时比较明显增大,再次启机可能会因为振动超标而导致冲临界失败,机组无法正常起机运行。
若转子存在不平衡类问题,机组长时间运行可能会出现由于转子挠曲变形,振动过大可能会使轴承、密封磨损、干气密封损坏,甚至导致转子出现疲劳断裂的现象。一旦机组出现不平衡类问题时,要找出不平衡的原因,尽快消除转子不平衡的影响因素,确保机组安全、稳定的运行。
【后记】不平衡类故障只是大型旋转机械转子若干常见故障中的一类,对于其他类型的故障,我们在《大型旋转机械转子常见故障》这门课程中进行了系统的讲解。
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