基于在線監(jiān)測與故障診斷原理的PTA裝置振動異常原因分析

宮少琦，張 偉，國明笛

(1.沈陽鼓風(fēng)機集團測控技術(shù)有限公司，沈陽 110869；2.大連大高閥門股份有限公司，遼寧 大連 116037； 3.三一重型裝備有限公司，沈陽 110027）

基于在線監(jiān)測與故障診斷原理的PTA裝置振動異常原因分析

宮少琦1，張 偉2，國明笛3

(1.沈陽鼓風(fēng)機集團測控技術(shù)有限公司，沈陽 110869；2.大連大高閥門股份有限公司，遼寧 大連 116037； 3.三一重型裝備有限公司，沈陽 110027）

為了保證PTA生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定和長期運行，對PTA生產(chǎn)裝置設(shè)備實施在線監(jiān)測，實現(xiàn)機組長周期運行數(shù)據(jù)的監(jiān)測與分析，進而為及時捕捉振動信息提供便利條件。對動不平衡類故障機理進行深入剖析，并在一定程度上總結(jié)動不平衡故障特征，依此準(zhǔn)確識別汽輪機兩次突發(fā)性動不平衡故障，即斷葉片故障，及時給出企業(yè)有價值的生產(chǎn)指導(dǎo)建議。對PTA裝置在線監(jiān)測與故障診斷的工程實際應(yīng)用表明：(1)對設(shè)備振動故障機理與故障特征的研究，為故障診斷提供了基本依據(jù)；(2)對設(shè)備故障的早期發(fā)現(xiàn)與處理，極大限度的縮小了因設(shè)備事故帶來的傷害范圍與經(jīng)濟損失；(3)對設(shè)備長周期運行數(shù)據(jù)的監(jiān)測與分析，為預(yù)知維修管理提供了有效保障。PTA裝置振動異常分析工程應(yīng)用充分體現(xiàn)了在線監(jiān)測與故障診斷的及時性、全周期性及便捷性等諸多優(yōu)點，應(yīng)廣泛推廣到工程實際中。

振動與波；PTA裝置；汽輪機；動不平衡；在線監(jiān)測；故障診斷

PTA（Purified Terephthalic Acid）是化纖業(yè)的主要原料，隨著我國聚酯工業(yè)的不斷發(fā)展，近幾年來PTA產(chǎn)品的市場需求量迅速增長，因此擴大PTA生產(chǎn)能力，保證PTA生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定和長期的運行，是推動聚酯工業(yè)發(fā)展的一項重要內(nèi)容。PTA生產(chǎn)裝置工藝線路復(fù)雜，技術(shù)含量高，所配置機組通常是旋轉(zhuǎn)機械，目前行業(yè)中對大型旋轉(zhuǎn)機械振動測試及故障診斷的研究，主要集中在兩個方面：

(1)應(yīng)用實驗室數(shù)據(jù)，對故障機理的剖析和故障診斷方法的開發(fā)；

(2)應(yīng)用離線儀采集設(shè)備運行數(shù)據(jù)，對設(shè)備運行狀態(tài)進行診斷。第一類注重理論性的研究雖然取得了不少好的成果，但缺乏對工程現(xiàn)場諸多因素的綜合考慮，往往與工程實際有一定的差距，因此這些智能診斷方法的應(yīng)用推廣受到限制；第二類結(jié)合了工程實際情況的分析，雖然可以基本確定機組的運行狀態(tài)與故障，但由于采用的是離線儀器，不能長周期的掌握機組的運行情況，對診斷分析有一定影響。因此利用在線監(jiān)測技術(shù)，利用機組長周期的運行數(shù)據(jù)，挖掘設(shè)備運行更全面的信息，是現(xiàn)階段石化行業(yè)實現(xiàn)設(shè)備保運的重要手段。

本文的研究對象是某石化廠120萬噸/年P(guān)TA裝置機組，這是我國首套國產(chǎn)化大型PTA多軸齒式機組，機組長期使用專業(yè)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)（SG8000）進行監(jiān)視保運，監(jiān)測系統(tǒng)可提供機組在監(jiān)測期間的歷史運行數(shù)據(jù)、實時運行數(shù)據(jù)及各類專業(yè)圖譜，為診斷分析帶來了極大的便捷條件，本文以該裝置汽輪機斷葉片事故為案例，闡述對設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的工程實用和其重要意義。

1 動不平衡故障機理與故障特征

1.1 動不平衡力學(xué)機理

據(jù)統(tǒng)計，動不平衡類故障發(fā)生概率占總故障率的30%以上，當(dāng)設(shè)備轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量偏心或彎曲變形時，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布就會偏離轉(zhuǎn)子軸心線，偏心質(zhì)量產(chǎn)生偏心距e，偏心質(zhì)量在設(shè)備運行時會產(chǎn)生偏心力，偏心力隨機組周期轉(zhuǎn)動呈交變循環(huán)狀態(tài)，整個設(shè)備系統(tǒng)就會呈現(xiàn)為動不平衡故障。

設(shè)備轉(zhuǎn)子動不平衡時受力分析簡圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子動不平衡力學(xué)模型

其中，圖中K為轉(zhuǎn)子的剛度參數(shù)，w為轉(zhuǎn)子的角速度運行參數(shù)；Mew2為轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量M產(chǎn)生的偏心力（激振力），Myw2為轉(zhuǎn)子不平衡變形y產(chǎn)生的離心力（響應(yīng)）。另外阻尼為設(shè)備系統(tǒng)中各種阻礙振動的阻力，阻尼力與前兩者相比很小，?？珊雎圆挥嫛?/p>

1.2 動不平衡信號特征

經(jīng)過對動不平衡力學(xué)機理的剖析，以下結(jié)合信號處理相關(guān)知識，總結(jié)了常見動不平衡故障的信號特征，見表1，動不平衡類故障信號特征較明顯，但由于各個工程現(xiàn)場較復(fù)雜，仍存在一些特殊情況，下表仍存在一些不足，仍需在工程實際中不斷總結(jié)。

表1 動不平衡類故障特征

2 PTA設(shè)備概況及在線監(jiān)測

2.1 PTA機組結(jié)構(gòu)

該PTA裝置是典型的三機一組配置：汽輪機+空氣壓縮機組+尾氣膨脹機，整套機組共包含六個軸系，機組外貌如圖2所示，機組參數(shù)見表2。

圖2 機組總貌圖

表2 機組主要參數(shù)

2.2 機組監(jiān)測運行情況

該PTA裝置機組的測振系統(tǒng)共包含6個鍵相測點、24個軸振動測點和18個軸位移測點，傳感器均采用Bently3300XL8 mm型號的電渦流位移傳感器，機組結(jié)構(gòu)與測點布置情況如圖3所示。

2.3 機組異常情況

PTA裝置機組檢修后于2015年2月份開車運行，機組運行的各倍頻能量及相位基本呈直線趨勢，表明機組運行較穩(wěn)定，見圖4，機組測點較多，限于篇幅僅給出汽輪機振動趨勢，汽輪機轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，振幅總體低于 55 μm（遠(yuǎn)離報警值 90 μm）。PTA裝置一直平穩(wěn)運行了兩個月，于2015.3.14凌晨汽輪機非聯(lián)端振動階躍性升高，振幅約達(dá)75 μm后穩(wěn)定，僅用了4秒鐘。

圖3 機組結(jié)構(gòu)與測點布置圖

圖4 汽輪機異常振動趨勢

3 PTA設(shè)備故障診斷

運行的設(shè)備是一個整體的系統(tǒng)，要綜合考慮：機器本體性能、軸承支撐剛度、基礎(chǔ)支撐剛度和外部管道連接等因素對設(shè)備狀態(tài)做出綜合評價。

3.1 機組異常振動分析

1)確定振動信號真?zhèn)?，排除儀表異常

圖5為汽輪機軸振探頭的間隙電壓趨勢，趨勢平穩(wěn)，數(shù)值在設(shè)計線性范圍內(nèi)（10 V±3 V），說明一次表無故障，本次異常振動是真實的機械異常。另外，汽輪機前端X方向振動通道在2015.3.2發(fā)生儀表類故障，GAP接近0 V，此通道數(shù)據(jù)不做參考，后期經(jīng)現(xiàn)場排查此通道傳感器的延伸電纜接線松動。

2)結(jié)合現(xiàn)場情況確定振動方向

圖5 汽輪機振動通道間隙電壓趨勢

設(shè)備異常振動的方向主要包括：機械本體異常（軸向或徑向）和工藝過程異常兩方面。該汽輪機振動異常的同時，見圖6，PTA裝置現(xiàn)場負(fù)荷、瓦溫、油溫、軸位移等相關(guān)過程量沒有調(diào)整變化，且該裝置的壓縮機、膨脹機、齒輪箱振動情況無異常變化，因此可以確定PTA裝置的汽輪機出現(xiàn)了徑向振動異常，且靠近非聯(lián)端軸承側(cè)。

圖6 汽輪機軸位移趨勢

圖7 汽輪機工頻-相位趨勢

4)綜合圖譜特征確定故障

汽輪機運行的波形頻譜圖見圖8。在異常發(fā)生后，汽輪機時域波形接近正弦波，且形態(tài)穩(wěn)定，幅值明顯升高，波形的重復(fù)性與對稱性較好；頻譜特征以工頻為主，頻率成分穩(wěn)定，沒有增加新的頻率成分，只有工頻能量升高。

圖8 汽輪機波形頻譜圖

汽輪機軸非聯(lián)端不同階段的軸心軌跡均呈長短軸相差不大的橢圓狀（圖9），且為正進動形式，在異常發(fā)生后，軸心軌跡渦動能量明顯增大，渦動長軸達(dá)45 μm，增長了30 μm。

綜合以上圖譜特征，可以確定PTA裝置異常振動所發(fā)生的故障類型、部位和嚴(yán)重程度，據(jù)此給出一定建議指導(dǎo)生產(chǎn)。

（1）故障類別：汽輪機發(fā)生了突發(fā)性不平衡故障，并且發(fā)生了永久性的機械損傷；

（2）故障部位：汽輪機葉輪斷葉片；

（3）故障程度：汽輪機異常振動發(fā)生后振動趨勢穩(wěn)定（振動、相位穩(wěn)定），沒有發(fā)生二次損傷，機組目前可維持運行；

（4）指導(dǎo)建議：需密切監(jiān)視運行，如發(fā)現(xiàn)振動惡化異常，應(yīng)立即停機檢修處理，如條件允許應(yīng)準(zhǔn)備汽輪機相關(guān)轉(zhuǎn)子備件。

3.2 機組故障事后跟蹤

PTA裝置維持運行到2015.9.20，汽輪機再次發(fā)生異常振動，見圖10，經(jīng)遠(yuǎn)程分析診斷，汽輪機轉(zhuǎn)子發(fā)生了第二次突發(fā)性動不平衡故障（斷葉片），建議該廠停機檢查處理。但由于現(xiàn)場生產(chǎn)進度要求，仍未馬上停機檢修，在密切監(jiān)視運行的情況下，該廠及時準(zhǔn)備汽輪機相關(guān)的轉(zhuǎn)子備件。

PTA裝置維持運行到2015.11.10（圖11），汽輪機相關(guān)的備品備件已到位，現(xiàn)場嚴(yán)格按照指導(dǎo)建議進行停車、檢查、更換汽輪機備用轉(zhuǎn)子、回裝，整個檢修、處理過程進行不到一個月?，F(xiàn)場拆檢照片如圖12所示。

汽輪機葉輪的兩個葉片從根部斷裂，均被在線監(jiān)測系統(tǒng)所捕捉，同時也驗證了故障診斷的準(zhǔn)確性。2015.12.7，PTA裝置再次開車運行，汽輪機運行情況良好。

4 結(jié)語

圖9 汽輪機非聯(lián)端不同階段軸心軌跡

經(jīng)過對PTA裝置機組實施在線監(jiān)測與故障診斷，滿足了機組運行整周期數(shù)據(jù)的分析與診斷；同時通過對機械設(shè)備振動故障機理的力學(xué)剖析及信號特征總結(jié)，準(zhǔn)確診斷了PTA裝置汽輪機發(fā)生了突發(fā)性動不平衡故障，即斷葉片故障；及時給出企業(yè)生產(chǎn)有價值的指導(dǎo)性建議，為預(yù)知維修管理提供了有效保障，縮小了因機組大事故帶來的傷害范圍；也證明了通過在線監(jiān)測對設(shè)備故障的早期發(fā)現(xiàn)與處理，可以為工業(yè)生產(chǎn)帶來極大的經(jīng)濟效益和時間成本，體現(xiàn)了在線監(jiān)測的及時性、全周期性及便捷性等諸多優(yōu)點。

圖10 汽輪機第二次斷葉片振動趨勢

圖11 汽輪機長周期(一年)運行情況

圖12 汽輪機葉片斷裂

[1]溫廣瑞，金穎，郎博，等.某PTA裝置的一起振動異常故障原因分析[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2010(6)：76-80.

[2]陳紹綿.工業(yè)過程的控制、監(jiān)測與診斷研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[3]陳艷.PTA裝置用空壓機組的控制系統(tǒng)設(shè)計[D].沈陽：東北大學(xué)，2012.

[4]賈丙輝，馮勇，閆國棟，等.轉(zhuǎn)子裂紋對葉尖間隙動態(tài)變化規(guī)律的影響[J].振動、測試與診斷，2016(6)：1153-1160+1240.

[5]童小忠，應(yīng)光耀，吳文健，等.汽輪機轉(zhuǎn)動部件脫落故障的識別方法[J].振動、測試與診斷，2012(5)：779-783+863.

[6]滕麗娜，佟德純，陳兆能.汽輪機葉片動頻的非接觸間斷測量法[J].振動、測試與診斷，2000(4)：49-52+71.

[7]王南飛，南國防，蔣東翔.有限元法在透平葉片振動研究中的應(yīng)用[J].振動、測試與診斷，2016(6)：1216-1221+1244.

[8]錢強.振動監(jiān)測技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷中的應(yīng)用[J].噪聲與振動控制，2014，34(2)：164-168.

[9]胡亮，柳亦兵，徐曉星，陳昀叢.帶橫向裂紋的拉桿轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性研究[J].噪聲與振動控制，2016，36(5)：11-14+20.

[10]邊技超.高速透平發(fā)電機軸向碰摩故障的試驗[J].噪聲與振動控制，2015，35(3)：149-152+162.

Abnormal VibrationAnalysis of PTADevice Based on Online Monitoring and Fault Diagnosis

GONG Shao-qi1,ZHANG Wei2,GUO Ming-di3
(1.Shenyang Blower Works Group M&C Tech.Co.Ltd.,Shenyang 110869,China;2.Dalian DV Valve Co.Ltd.,Dalian 116037,Liaoning China;3.Sany Heavy Equipment Co.Ltd,Shenyang 110027,China)

In order to ensure the safety,stable and longtime operation of PTA device,the on-line monitoring is implemented for the PTA device.The long-period operation monitoring of a device unit is realized and the monitoring data is analyzed.The mechanism of dynamic imbalance fault is dissected and the characteristics of the imbalance fault are summarized.On this basis,the fault of sudden imbalance(broken blade)of the steam turbine is precisely identified twice.And the valuable suggestion for guiding the enterprise production is proposed on time.Engineering application of the online monitoring and fault identification of the PTA device indicates that:(1)Study on the vibration mechanism and characteristics of faults of the devices can provide essential basis for fault diagnosis;(2)The early discovery and treatment of the device faults can greatly reduce the harm and economic loss;(3)The long-period monitoring and analysis of the operation data of the device can provide an effective guarantee for predicting the maintenance management.The application of the abnormal vibration analysis of PTA device has shown many advantages of the online monitoring and fault diagnosis,such as timeliness,full cyclic,and convenient,etc.and can be widely extended to engineering practice.

vibration and wave;PTAdevice;steam turbine;dynamic imbalance;online monitoring;fault diagnosis

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.035

1006-1355(2017)05-0170-05

2017-04-17

國家自然科學(xué)基金資助項目（51641404）；遼寧省教育廳科技研究資助項目（L2015218）

宮少琦(1986－)，女，河北省深州市人，碩士研究生，主要研究方向為大型機械的振動與故障診斷。

E-mail:710950208@qq.com