振动分析诊断_故障真伪的诊断
在某些状态监测参数（如振动值、轴位移值、瓦块温度等）发生较大变化、甚至报警、联锁停机时，机械设备本身是否真的发生了故障，是否为仪表失灵或生产工艺系统波动所造成的假象，是故障诊断首先应解决的问题。由于仪表失灵在大机组所发生的各类故障诊断中所占的概率较大，以及因生产工艺系统波动或操作不当（特别是在开车或负荷调整的过程中）而产生的故障也常有发生，因此切忌仅限于一、两个因素就轻易判断发生了机械设备故障，而应该根据系统、仪表、运行、现场等多方面情况进行综合的判断。利用振动分析诊断技术来实施解决。
1. 首先应查询故障发生时生产工艺系统有无大的波动或调整
生产工艺系统的异常变化会造成机组工质的组份、流量、压力、温度等发生异常的变化，从而引起机组振动、轴位移、出力等发生变化，但此时机组未必发生机械损伤故障。如果系统发生了变化，尽管机组的振动值、轴位移值明显增大，甚至报警，但只要不再继续上升，机械损坏的可能性往往较小，完全不用急于停机，可以监视运行、观察处理。常见的工艺系统波动所引起的一般故障，有小流量以及气体组分变化引起的旋转失速或喘振，工质变化引起的转子结垢，进出口压差变化引起的转子轴向力偏大，等等，这些故障若处理及时、正确，则可消除、减弱。然而，要是已连锁停机或者振动值和轴位移值仍在继续上升，那么说明故障较为严重，很可能发生了机械损伤。常见的工艺系统波动所引起的机械故障，有强烈喘振引起的动、静件振动碰擦损坏，工质带液引起的轴向力过大所造成的推力轴承损坏，等等。如果系统未发生任何变化，同时又能确定仪表无误，那么在振动值突然明显增大、甚至报警、联锁停机的情况下，机械损伤故障肯定是真的发生了，多数为机械脱落引起的动不平衡（如断叶片），以及轴承失效等。生产工艺系统有无波动可以向当班的操作人员、生产调度员进行查询，如果系统配置了 DCS，则可以直接调看与机组工质组份、流量、压力温度等有关的趋势图，最好再将有问题的振动、轴位移、瓦温及流量、压力、温度等做在同一时间坐标的趋势图上，这样进行判断，即快捷、方便，又准确、明了。例如，89 年，某公司 C 厂德国西门子公司制造的汽轮机机组投运不久便出现下列的问题：①振动值增大；②监视段压力高；③出力不足。其实，蒸汽膨胀受阻，热能难以充分转化为动能才是造成三个问题的原因所在。而西门子汽轮机多为反动式，动、静叶片间距相对较窄，结垢不仅会使转子动平衡状态发生变化、振动值增大，而且还会使通流面积明显变小、蒸汽难以充分膨胀，从而引起监视段压力高和出力不足。经询问，该厂是在改用了 D 厂硬度较高的蒸汽后出现问题的。因此明确诊断为汽轮机结垢，建议用湿蒸汽低速清洗，打开缸体导淋检查确认。在随后的清洗中，缸内排出的全是乳白色、含有大量钙、钠离子的硬水。未进行开缸检查修理，结垢消解，运行恢复正常。2000年元月，某炼厂催化烟机的振动值由以往的30～40µm上升到70~80µm，且有大幅度的波动。厂方要求解体大修、更换转子。由于振动值为缓慢变化，而且有多次回落降低（尽管比正常值高），根据经验感到转子和轴承均未受到损伤，而是催化剂粘结到转子上所致。为了说明问题，通过DCS在同一时间坐标上做出了烟机各振动值与烟气以及轮盘冷却蒸汽温度的趋势图，结果很明显的看到，振动趋势的所有峰值，总是与蒸汽温度趋势的谷值一一对应。通过此图无需作过多解释，大家都清楚地的认识到，烟机的振动是由催化剂的粘结与脱离所形成的动不平衡而引起的，而催化剂的粘结明显与轮盘冷却蒸汽的温度有关。因为当时为冬季，低压蒸汽管网用户较多，尤其是白天与夜晚相差较大，蒸汽的温度无法保证，而且有时为湿气。因此，根本不需要停机揭缸检修，只要保证蒸汽的正常温度，不让湿气进入，烟机的振动值就会回落、稳定。之后，车间进行了调整，在振动值为40～50 µm 的水平上连续稳定运行了 10 个月，直到计划大修改造。
2. 其次应查看仪表、主要是探头的间隙电压是否真实可信
主要是探头的间隙电压是否真实可信由于仪表失灵造成的振动及轴位移增大的假象实在不算少，对生产企业来说仪表又是科技含量高的独门专业，局外人很难摸清仪表是否有问题。在此情况下，通过查看探头的间隙电压来判断仪表是否失灵，不失为一种比较简单、直观、准确的方法。对于使用较多的本特利探头，其间隙电压与间隙的线性特性为 200mV/mil，换算成公制为 7.87V/mm 或 0.00787 V /µm。实际运行中，伴随着振动间隙、轴位移间隙的变化，间隙电压必然也按照这一基本特性发生变化。也就是说，可以根据间隙电压的数值来判断仪表本身有无发生故障。探头的初始安装电压均要求为某一定值，多数为 10 V，也有为 8 V、9 V。对于振动探头来说，是通过直接测量及调整安装电压来确定探头的位置的。考虑到：①振动探头的安装有一定的随意性；②运转后转子被油膜托起，处于两侧 45°上方的探头间隙电压会有所降低（约 0.4 V 左右）；③即使振动值增大了 100µm，其间隙电压的变化也不会超过 0.8 V；④ 其它的偏差。因此，振动探头运行时的间隙电压与初始安装电压相比较，偏差应该在±（2～3）V 以内。一般来说，超过 2V 测振仪表很可能存在故障，超过 3V 基本失灵。另外，在纪录了机组运转正常后各点的间隙电压或有在线状态监测系统自动记录了间隙电的情况下，则消除了上述①、②因素的影响，间隙电压的判断将更为精确、可信。如果振动值与间隙电压的变化关系不符合探头特性（7.87V/mm），超过±0.5V，那么测振仪表很可能已失灵。例如，某振动探头运转正常时的振动值/间隙电压为20µm /9.62 V，现在为 70µm /8.62 V，其振动值增大了 50µm，间隙电压应该降低约 0.4 V，正常情况下不应该低于 9.22 V，至少不应该低于 8.72 V，因此测振仪表本身有问题。轴位移探头的安装极为精细，先反复串动转子校对止推间隙，再取中，调零位，也就是轴位移的初始安装电压，最后还要校核，所以其误差量很小，通常在±0.2 V 以内。也就是说，当轴位移的间隙电压±轴位移值（单位：mm，远离探头时为“＋”，靠近为“－” ）×7.87 与初始安装电压相差在±（0.5～1）V 以内，则表明间隙电压真实可信，仪表无明显故障。若间隙电压超出上述范围，则表明间隙电压有问题，仪表已出现故障，其显示的轴位移数值令人难以相信。例如，2001 年 7 月某炼油厂连续重整循环氢压缩机机组在通过临界转速时，汽轮机轴位移突然连锁动作停机。操作人员认为，停机前机组及工艺系统一切正常，也未见止推轴承温度升高及其他任何运行参数报警，属仪表误动作。经查，“二选二”的轴位移间隙电压为 17.6 V 和 17.8 V，并从 DCS 上调看到推力轴承温度从 52℃跳升到 56℃，且略滞后于轴位移的变化。当即判断不是仪表误动作，而是止推轴承的轴承合金已磨光，原因很有可能是蒸汽带液。为证实此判断，在不影响盘车降温的情况下，无法进行轴承箱揭盖查瓦，令钳工用厚度为 2.2mm及 2.3mm 的塞尺检查了轴位移探头处的间隙，并从回油中摸到了轴承合金的磨损碎粒。诊断的根据是，轴位移间隙电压安装值为 10 V，加上 1mm 的轴承合金厚度（大机组瓦块轴承合金厚度一般为 1～1.2mm，很少会超过 1.5mm），即 7.87V，正好与 17.6 V 和 17.8 V 相符，只有蒸汽带液所形成的巨大轴向力才有可能造成止推轴承合金层瞬间磨光。间隙电压与初始安装电压相差过大时，则表明仪表已出现故障。其中，探头、延伸电缆、测隙仪、显示表头、通讯卡等各个环节上都有可能出现问题。具体来说，防松螺母没有锁紧时，探头会产生松动，间隙电压会产生较大的跳动，并造成为低频成分不固定的间歇性、跳动性强烈振动的假象，许多工厂都曾发生过这类情况；检修中会不经意地碰伤探头，会造成间隙电压突然降低或消失，某化肥厂合成气压缩机中压缸的轴位移探头，就曾被钳工敲击锁母留下的突起翻边碰伤过，一开车轴位移显示就紊乱；浮环密封、机械密封工作状态不好时，探头的密封胶及线圈会被油中的腐蚀介质所腐蚀，造成间隙电压缓慢降低，并引起振动值缓慢降低、直至消失，或者引起轴位移负方向值缓慢增大的假象，直至连锁保护动作停机，某化肥厂氨压缩机驱动透平曾出现过反向轴位移连锁停机，经查是油中既有氨、又有水，造成探头线圈腐蚀。延伸电缆接头处密封不可靠时，油中的水分会使接头锈蚀，造成间隙电压忽有忽无，忽正常忽降低，直至完全消失，许多工厂过去多次发生过此类问题，某化肥厂空压机高压缸周围轴位移于 96 年再次发生此问题时，一开始就被引起关注，后经观察证实后，提前切除了连锁，如今许多工厂将接头移至轴承箱外；延伸电缆自身铠甲及绝缘破损时，油中的水会引起短路，造成间隙电压升高，某炼油厂催化主风机五机组曾发生过此问题，其它工厂也有发生，因此现在不少工厂延伸电缆的铠甲及绝缘已增厚。测隙仪的安装位置靠近地面，最容易发生的故障是因门、孔密封胶条失效，水进入后短路造成间隙电压混乱，多数情况下会造成报警及联锁动作。本特利显示表盘的电源卡在使用期过长的情况下也会发生问题，某化肥厂二氧化碳压缩机在一段时间内，若干个通道的振动值都在无规则地有高有低地增大，经查各间隙电压均有所下降，下降的幅度开始在 1～2 V，仪表部门认为无明显问题，后仍继续下降，最低时仅有 4~5 V，同时振动值又有较大上升，其间仪表部门终于发现是供电的电源卡出现故障，等备件到货换上后，故障消除。如今，很多工厂都上了 DCS，有时在 DCS 上发现振动上升，甚至造成连锁动作停车，但现场的一次仪表及就地表盘上数值仍正常，这是通讯卡出现了故障，因此当二次表或 DCS 上发现有问题时，还应到现场进行对照检查。总之，因仪表故障造成的各种假象屡见不鲜，在进行故障诊断时，首先应确认仪表所显示的信息是否真是可信、仪表本身有无故障。
3. 应查看相关的运行参数有无相应的变化
由于转子本身是一个整体，通过联轴器相连的几根转子所组成的同一轴系也是一个整体，尽管如今使用的金属挠性联轴器（如各种叠片联轴器、膜盘联轴器）以及过去使用的金属半挠性联轴器（如各种齿式联轴器）能够吸收很大或者较大的径向、轴向、角向挠动，但毕竟不可能完全消除。因而，只要是真的发生了振动增大，那么必然是某种激振力对转子产生了作用。此时，尽管有的部位振动增高幅度大，有的部位振动增高幅度小，对于挠性转子甚至有的部位会因为振型的
改变反而振动变小；但是有一点是肯定的，这就是整根转子作为一个整体的振动状态必然发生了变化。同样，如果真的发生了较强烈的振动增大，整个轴系的振动状态也肯定会同时发生变化。因此，当某一轴承某一方向振动值明显增大或甚至报警时，应调看同一轴承、同一转子、同一轴系相关测点在同一时刻的振动值。若同一轴承另一方向的振动值也同时变大或者变小，同一转子另一端轴承两个方向的振动值也同时变大或变小，同一轴系上相邻转子轴承的振动值也同时有变化，尽管变化有可能很小、变化幅度呈衰减状，则肯定是真实的。也就是说，不片面追求同一时刻振动值是否同时增大，尽管同时增大的概率最高，关键只看同一时刻振动值是否发生变化。若同一轴承的另一方向、同一转子的另一端轴承、同一轴系相邻转子轴承的振动值在同一时刻无丝毫变化时，则很可能是假的。当轴位移发生明显变化或波动时，对汽轮机应主要查看蒸汽流量以及进、排气的温度、压力和监视段压力，对压缩机则主要看各缸、各段的进出口压力以及气体的组份和流量，同时都要检查一下蒸汽或气体是否带液，都必需查看止推轴承的瓦块温度以及回油温度、回油量等。若上述运行参数发生了明显异常变化或较大的波动，则肯定是真的；若上述运行参数无任何变化，则很可能是假的。
4. 应察看现场有无人可直接感受到的异常现象
这一条看起来很土，既难以定性、更无法定量，似乎很不科学，但实际上对判断故障的真伪能够起到决定性的作用，是非常关键的一条。
由于工艺系统和运行参数的情况有时较难摸清找准，仪表问题专业性强，三方面查起来都要耗费较多的时间。相比之下，人到现场，通过眼看、耳听、手摸，往往只需要五分钟，便可完成对机组状况的总体了解，确实较为直观、客观、快捷。如果人都感受到了异常，那么机组肯定是发生了实实在在的变化，则故障肯定是真的，而且程度严重；如果感受到似乎有点异常，但不明显，那么机组有可能发生了变化，则故障有可能是真的，其程度还不十分严重；如果感受不到丝毫异常，那么机器很可能没有变化，则故障很可能是假的，即使真有故障，其程度也较轻微。当然要做好这一点，需要依靠经验的积累，平时对正常运行的机组体验得多、体验得细，遇到故障发生时，自然就会感受到明显的区别。眼看，看机组就地压力表以判断振动状况，此类压力表处于悬臂管线的末端，刚性差，对振动的反映较灵敏，正常情况下指针轻微颤动，振动增大时指针颤动的幅度会增大，机组发生强烈振动时，一眼看过去会发现整个压力表连同根部管线在一起颤动；另外看回油的颜色和浊度，以判断润滑状况。耳听，关键是听机组发出的声音是否连续，中间有无间断或迭加声。声音连续则表明运转平稳，有间断或迭加声则表明很可能发生了故障（以上仅对旋转机械而言），如果进一步再能体会出噪声的声调和声量，那就更好。耳听，听机组现场环境噪声以判断机组总体运行状况，正常运行下的机组，噪声是连续、平稳的，其声调和声音自有定式；因运行参数变化或缸内设备零部件发生故障时，缸内气体的流动就会异常，因此产生的气流噪声会使环境噪声的声调发生改变，有可能变高，也有可能变低，而声量通常会变大；在发生严重设备故障的特殊情况下，不使用听棒便可以听到缸内因零部件掉落而造成的金属撞击声或金属辗压声，因齿轮断齿而造成的“咔啦、咔啦、咔啦啦…”的金属辗压声，因轴承严重缺油而形成的“叽…”金属干摩擦高频尖叫声，等等。通过听棒可以了解到轴承及齿轮的工作状况、转子与固定元件有无发生摩擦、固定元件有无松动以及气流的脉动状况等，这是个细活，关键仍然是对连续、间断、迭加声、声调的体会与把握。手摸，用手指尖触摸轴承箱或缸体以判断振动状况，触摸的点及方位不宜变，只能靠自己平时感觉的积累来判断振动的优劣，经验不足时可通过相互比较来加深感觉，或者使用 Vm-63 之类的便携式测振仪；手摸的另一种方法是用手去触摸与轴承箱或缸体上刚性较差的油管，正常情况下，手摸上去只感到轻微抖动，振动较大时手会明显感到抖动增大，机组发生较强烈的振动时，手摸上去会感到颤动很大，甚至有麻手的感觉。例如，2002 年 10 月，某公司重催气压机进气端轴承产生间歇性、跳动性振动，间歇周期由几天一次逐步发展到一天 2～3 次，振动发生时的跳动范围为 3～5µm，问题是振动发生后振动值回不到原来的数值，越来越高，由 60～70µm 很快发展到 80～90µm，实际上为典型的油膜涡动。由于振动值能上能下，许多人并不担心，并认为有可能是仪表失灵。因此请公司领导到现场感受实际的振动状况，进气端轴承箱还包括止推轴承，箱体刚度大，但手摸的振动感极强，排气端刚度差，但振动感觉却不及进气端，因此，振动故障是真实的。由于已了解油膜涡动的另一特点——突发性，领导决定立即停机。经查为油中大量带水所引起的瓦块锈死，根本已无法摆动。1999 年元月，某化工厂西门子汽轮机大修后多次试车均被迫中断。其现象是，低转速下较正常，约 3000rpm 后，伴随着转速升高，现场所感到的振动加大、噪声加大（因拖了新更换的增速齿轮箱），升速到 6000～7000rpm 后，现场的振动及噪声令人难以接受，试车被迫中断，其间本特利表所显示的汽轮机转子的振动值一直正常，尚未报警。在此情况下，有怀疑轴承的、有怀疑转子动平衡的、有怀疑不对中的，更多怀疑的是齿轮增速箱及仪表。到现场后，让其再次开车，通过手感发现前汽轮机轴承箱箱体垂直方向振动大，而且伴随着转速上升而加剧，并达到难以接受的水平。同时气缸的振动也异常的大。由于气缸是通过猫爪扒在前轴承箱上的，因此疑点集中到前轴承箱的稳定性上，主要是连接螺栓螺母的预留间隙上。经核对西门子原始图纸，发现该厂理解错了制造商的要求，将 0.1～0.15mm的间隙错误地留到了垫圈内的碟形弹簧垫圈上，结果造成前轴承箱连接螺栓螺母与垫圈的间隙变成了1mm 以上，转速上升后，前轴承箱随着转子的振动在一同上下跳动（水平方向有纵销在限制），所以本特利表振动虽不大（其所测的是转子相对于轴承座的振动），但实际的振动却很大。因此，还是人的感受往往更客观。
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