某船用燃氣輪機振動超限故障監(jiān)測診斷分

船用燃氣輪機具有功率密度高、占用體積小、加速性能好等特點，且運行成本低、壽命周期較長，在船舶動力領域得到廣泛應用。隨著全船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展需要，燃氣輪機發(fā)電模塊也將是主要應用方向[1]。但作為一種高速旋轉(zhuǎn)流體機械，燃氣輪機振動問題又較為突出。引發(fā)燃機異常振動原因較多，如壓氣機喘振、轉(zhuǎn)子彎曲或中心偏離、軸承損壞、動靜部件碰磨、地腳螺栓松動、基礎不牢等均會導致機組振動偏大，此外機組起動過程中過臨界轉(zhuǎn)速振動也會略微升高[2]。本文以實際工作中遇到的某型船用燃氣輪機振動超限故障為例，對裝備故障現(xiàn)象、故障診斷分析、故障拆檢修復等進行了詳實介紹，并將故障拆檢結(jié)果與監(jiān)測推斷結(jié)論進行了相互印證，有效擴充了燃機故障監(jiān)測診斷的相關經(jīng)驗，為指導裝備后續(xù)管理使用維護提供技術參考。一、故障基本現(xiàn)象某船某型燃氣輪機在正常工況運行后停機過程中，發(fā)生振動變大并超限報警，且停機后高壓轉(zhuǎn)子發(fā)生抱軸故障。故障發(fā)生時機器累計運行2200h，故障發(fā)生前總體運行狀態(tài)良好。該燃機隨機裝配了振動監(jiān)測組件，用于監(jiān)測燃氣輪機運行中低壓壓氣機機匣、燃燒室機匣和動力渦輪承力環(huán)3個特征點的振動狀態(tài)[3]，技術人員在船舶靠港后故障勘驗中，通過對上述測點振動監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)的分析，還原燃機當日故障現(xiàn)象如下：慢車時發(fā)現(xiàn)低壓振動值為13mm/s左右，高壓振動值從8mm/s躍升至17mm/s左右，且停機過程中低壓振動值及高壓振動值變化劇烈，低壓振動值最大響應點為：低壓轉(zhuǎn)速為1327r/min時，低壓振動值為28.4mm/s；高壓振動值最大響應點為：高壓轉(zhuǎn)速為3335r/min時，高壓振動值為45.1mm/s。具體變化如圖1所示。圖1故障當日燃機低、高壓振動隨轉(zhuǎn)速變化值停機后，值班人員對故障燃機進行盤車檢查，發(fā)現(xiàn)低壓壓氣機轉(zhuǎn)子及高壓壓氣機轉(zhuǎn)子均發(fā)生抱軸現(xiàn)象，無法手動盤車。靜置約3h后，值班人員對燃機進行盤車檢查，發(fā)現(xiàn)燃機低壓轉(zhuǎn)子可正常盤車，但高壓轉(zhuǎn)子偶發(fā)出現(xiàn)盤車阻力增大現(xiàn)象，且當高壓轉(zhuǎn)子盤車阻力增大時，若繼續(xù)盤車，低壓轉(zhuǎn)子偶發(fā)跟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。該燃機靜置24h后，進行盤車檢查發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子及高壓轉(zhuǎn)子盤車狀態(tài)均恢復正常。二、故障診斷分析1、碼頭檢查及分析故障當日船方對燃機運行操作均合理規(guī)范，且當日氣象環(huán)境、海洋環(huán)境和空氣環(huán)境均正常，可排除外部因素對機組影響。根據(jù)故障現(xiàn)象及歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，技術人員首先完成了燃氣輪機的靜態(tài)檢查，主要檢查項目為盤車檢查、金屬屑信號器檢查、通流區(qū)域葉片結(jié)構(gòu)檢查、機外回油濾檢查等，均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。然后對故障燃機開展了系泊狀態(tài)下的動態(tài)檢查，完成了燃機冷吹、工藝拖轉(zhuǎn)、起動至慢車工況、水清洗以及水清洗后的燃機啟動至慢車工作等內(nèi)容。具體檢查情況如下：1）冷吹及工藝拖轉(zhuǎn)時，燃氣輪機運行狀態(tài)總體正常，高壓轉(zhuǎn)子振動值在2mm/s左右，低壓轉(zhuǎn)子振動值在1.8mm/s左右。2）冷吹及工藝拖轉(zhuǎn)結(jié)束后，燃氣輪機起動至慢車工況，燃機總體運行狀態(tài)平穩(wěn)。起動過程中，低壓轉(zhuǎn)速在2000~2100轉(zhuǎn)/分鐘區(qū)間，高壓轉(zhuǎn)速在1500~2400轉(zhuǎn)/分鐘區(qū)間時，高、低壓振動值變大，低壓振動最大值為13.1mm/s，高壓振動最大值為11.9mm/s，隨著轉(zhuǎn)速增加，高、低壓振動值降低。停機過程中，低壓轉(zhuǎn)速在400~1000轉(zhuǎn)/分鐘區(qū)間，高壓轉(zhuǎn)速在1300~2700轉(zhuǎn)/分鐘區(qū)間時，高、低壓振動值變化較大，低壓振動最大值為7.3mm/s，高壓振動最大值為8.6mm/s，數(shù)值相比故障日停機時振動數(shù)據(jù)均有明顯減小，如圖2所示。圖2靜態(tài)檢查后燃機啟動全過程低、高壓振動隨轉(zhuǎn)速變化值3）為排除通流區(qū)域積垢對燃氣輪機運行狀態(tài)的影響，技術人員對故障燃機進行水清洗，并按規(guī)范要求在水清洗后對燃氣輪機進行工藝拖轉(zhuǎn)，起動燃機至慢車工況烘干。水清洗、工藝拖轉(zhuǎn)、以及慢車工況運行時，燃機運行狀態(tài)及參數(shù)均與靜態(tài)檢查后首次冷吹、工藝拖轉(zhuǎn)及慢車工況運行數(shù)據(jù)相似，其振動值變化如圖3所示。圖3水清洗后起動至慢車低、高壓振動隨轉(zhuǎn)速變化值4）動態(tài)檢查過程中，技術人員發(fā)現(xiàn)起動和停機過程存在低頻噪聲和發(fā)動機輕微抖動現(xiàn)象（低頻噪聲類似“突突”“轟轟”聲），冷吹和慢車工況運行時，低頻噪聲和發(fā)動機輕微抖動現(xiàn)象減弱。2、航行試驗檢查及分析通過燃機碼頭慢車工況動態(tài)驗證，盤車正常，未復現(xiàn)抱軸現(xiàn)象，僅在起動和停機過程中存在明顯低頻噪聲和發(fā)動機輕微抖動現(xiàn)象，問題原因暫不能準確定位。因此組織該船燃機開展航行工況運行試驗，試驗內(nèi)容主要包括燃機各工況穩(wěn)定運行試驗、燃機機動性試驗以及抱軸故障復現(xiàn)試驗等。同時為彌補燃機在線振動測試系統(tǒng)僅能顯示通頻速度有效值而無法查看異常頻率振動分量的問題，技術人員采用離線監(jiān)測手段在故障燃機與正常燃機低壓端相同位置附加設置兩個測點（圖4），開展振動信號的精密診斷與比對分析。圖4附加測點位置示意圖各運行工況下附加測點振動測量數(shù)據(jù)如表1。上述測量結(jié)果顯示：故障燃機振動明顯大于正常燃機，同一工況下相同測點振動總量基本上為正常燃機2至3倍；故障燃機振動主要來源于高壓壓氣機轉(zhuǎn)頻分量，且該分量幅值明顯大于正常燃機，而低壓壓氣機轉(zhuǎn)頻分量幅值均較小，兩者數(shù)值相差不大。通過對振動信號進一步的波形頻譜分析可知：故障燃機在低工況下出現(xiàn)明顯的異常頻率振動分量，而正常燃機無對應異常分量，如進一工況故障燃機低壓端測點1和測點2頻譜圖中34.6Hz分量幅值較大，并伴有明顯的69.3Hz、103.9Hz、138.6Hz、173.2Hz、207.9Hz、242.5Hz分量（圖5所示），它們分別為高壓壓氣機轉(zhuǎn)頻的1/3、2/3、1、4/3、5/3、2、7/3倍，懷疑高壓壓氣機在低轉(zhuǎn)速工況下存在轉(zhuǎn)子碰摩情況，且支承部件間可能存在松動問題。圖5進一工況下附加測點振動波形頻譜圖此外航行試驗檢查還發(fā)現(xiàn)在進3、進6、進9工況時，出現(xiàn)3次高壓壓氣機后機匣金屬屑報警，經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)信號器中存在少量絲狀金屬屑及碎狀金屬屑，清潔信號器并工況運行2h后，檢查發(fā)現(xiàn)少量碎狀金屬屑再次產(chǎn)生。3、初步原因分析根據(jù)靜態(tài)檢查、動態(tài)檢查以及航行試驗檢查結(jié)果，綜合振動故障特征及其它故障征兆，認為：1）高壓壓氣機在低轉(zhuǎn)速工況下出現(xiàn)轉(zhuǎn)子碰摩情況；2）高壓轉(zhuǎn)子軸承某部位存在異常，初步定位為高壓壓氣機后軸承區(qū)域。根據(jù)高壓壓氣機后軸承處結(jié)構(gòu)、應力及運行特性分析，可能導致此次故障的原因有高壓轉(zhuǎn)子的高壓后軸承疲勞失效、軸承支撐件出現(xiàn)異常、異物進入高壓后軸承腔、高壓后軸承緊固件松動等，從而導致機組運行狀態(tài)變差，發(fā)生高壓壓氣機轉(zhuǎn)子抱軸現(xiàn)象。三、故障拆檢結(jié)果故障燃機返廠后首先檢查機器外觀，重點檢查外部附件、管路及電氣設備外觀。之后對燃氣發(fā)生器進行了盤車，檢查有無異常。然后將其分解成高、低壓轉(zhuǎn)子狀態(tài)。在完成部件分解之后，在高壓壓氣機的4號支點位置發(fā)現(xiàn)異常，對4支點軸承區(qū)域部件進行重點拆解，明確存在故障：鎖圈鎖耳斷裂、調(diào)整墊存在磨損、軸承動環(huán)端面存在磨損且有黑色附著物、石墨環(huán)端面嚴重磨損、曲徑密封套端面磨損、軸套開裂表面磨損、4號支點軸承內(nèi)環(huán)松動等，故障結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6高壓壓氣機4號支點軸承故障結(jié)構(gòu)示意圖對比前期故障監(jiān)測診斷分析結(jié)果，燃機現(xiàn)場拆檢所反映的故障情況與前期推論基本一致，具體對應關系如表2所示。四、結(jié)語振動好壞直接關系到燃氣輪機的使用安全，作為裝備管理人員應加強對燃機運行狀態(tài)的振動監(jiān)測，上述案例正是由于船員敏銳察覺燃機振動參數(shù)的異常變化，及時作出停用決定，才有效避免了燃機故障的深度劣化甚至整機報廢。但燃機由于軸系結(jié)構(gòu)復雜，產(chǎn)生振動因素較多，同一振動故障可能有著多方面的癥候表現(xiàn)，