旋转设备故障分析实例：质量不平衡

1、第二讲 机组振动分析和故障诊断实例：质量不平衡第一节机组故障诊断概况和故障特征汇总汽轮发电机组振动故障诊断是根据相关的数据和信息对故障定性，进而对其产生的原因或机理做出判断，并确定解决措施和实施处理方案。振动故障有很多类型，总计有数十种之多，但其中数种常见故障的发生率占了总数的95以上。根据现场经验，如果能对这些典型故障做出准确的判断，则足可以应付生产实际的需要。因此，对典型、常发故障诊断技术的掌握有十分重要的工程意义。近几十年国内有关单位对机组振动故障处理的历史和经验教训说明，对振动故障的定性一般并不困难，但在确定故障的具体原因时，由于对造成故障的机理分析有分歧，使得误判时有发生。因此，机组

2、振动故障的诊断除需要现场经验外，还应该掌握一定的机组振动故障的基础理论知识和科学的分析能力，这样才能快捷地找出故障的确切原因，提出正确的根治措施，而不致盲目一概采用现场高速动平衡的方法，使得表面上振动有所减小，实际上没有根治，机组经过一段时间的运行或检修后，振动重复出现。【表1】 汽轮发电机组振动故障特征汇总表-序号 故障名称频谱特征其它特征-1原始质量不平衡1X振幅、相位随转速变化，随时间不变，椭圆轨迹或圆轨迹-2转子原始弯曲1X低转速下转轴原始晃度大，临界转速附近振动略减小-3转子热弯曲1X振幅、相位随时间缓慢变化到一定值，转子冷却后状况恢复-4转动部件飞脱1X振动突增，相位突变到定值，伴

3、随声响-5 动静碰摩1X，整分数，内环或外环轨迹，振幅、相位缓慢旋转；或振幅逐倍频渐增加-6油膜涡动0.350.5X低频的出现与转速有关-7 油膜振荡fcri1在一定转速出现，突发性的大振动，频率为转子第一临界转速，大于1X振幅-8汽流激振fcri1与负荷密切相关，突发性的大振动，频率为转子第一临界转速，改变负荷即消失-9转轴不对中1X、2X高的2X，或3X振幅，1/2临界转速有2X共振峰，“8”字形轨迹-10联轴器松动1X，2X等与负荷有关-11结构共振1X，分频，存在明显的共振峰，与转速有关倍频-12结构刚度不足1X与转速有关，瓦振轴振接近-13转子裂纹1X、2X降速过1/2临界转速有2X

4、振动峰，随时间逐渐增大-14转子中心孔进油1X，0.80.9X与启机次数有关，随定速、带负荷时间而逐渐增大-15转轴截面刚度不对称2X1/2临界转速有2X振动峰-16轴承座刚度不对称2X垂直、水平振动差别大-17轴承磨损1X，次同步1X，1/2X，1.5X高，-18轴承座松动1X与基础振动差别大-19瓦盖松动，紧力不足1X，分频，可能出现和差振动或拍振1/2X-20瓦体球面接触不良1X和其它振幅不稳定-21叶轮松动1X相位不稳定，但恢复性好-22轴承供油不足1X瓦温、回油温度过高-23匝间短路1X、2X和励磁电流有关-24冷却通道堵塞1X与风压、时间、负荷有关-25磁力不对中2X随有功增大-2

5、6密封瓦碰摩1X、2X振幅逐渐增大-第二节质量不平衡的种类和特征1原始质量不平衡1X振幅、相位随转速变化，随时间不变，椭圆轨迹或圆轨迹2转子原始弯曲1X低转速下转轴原始晃度大，临界转速附近振动略减小3转子热弯曲1X振幅、相位随时间缓慢变化到一定值，转子冷却后状况恢复4转动部件飞脱1X振动突增，相位突变到定值，伴随声响第三节现场动平衡的一般方法（一） 方法模态法影响系数法谐分量法旋转机械的高速动平衡，就其基本方法来讲，已是成熟、定型的，计算加重量的程序也已完善。（二） 动平衡方案和加重步骤的确定 汽轮发电机组的现场高速动平衡通常按照下列步骤进行： 测取基本振动数据，对记录数据进行分析； 制定动平

6、衡加重方案，确定加重步骤； 试加重或获取影响系数； 正式加重。（三）不平衡质量轴向位置判断和加重面的确定在进行动平衡加重前，确定不平衡质量在轴系上的轴向位置并进而确定加重平面，是整个平衡方案中最重要的内容，它决定了动平衡加重的效果甚至成败。2、 模态分析辅助确定动平衡步骤3、 动平衡前期的数据采集和处理（1）基本振动数据的获取（2）对记录数据的分析4、 转子振动数据稳定性的判断（1）机组进行平衡的前提条件（2）稳定的和不稳定的质量不平衡（3）不稳定质量不平衡的动平衡5、 影响系数处理技术（1）关于试加重的选择（2）对影响系数的分析和筛选第四节 深圳西部电厂#5机组动平衡深圳西部电力有限公司#5

7、汽轮发电机组为哈尔滨汽轮机厂、哈尔滨电机厂生产的优化引进型双缸双排300MW机组。机组振动调试始自2002年9月7日，11月3日结束。其间与振动相关的主要过程如下：9月10日： 首次冲转，一次升速到3000rpm；9月12日： 首次并网；严密性试验；10月10日：汽机真空消缺后启机；10月15日：动平衡加重；10月17日：冲转到3000rpm；带低负荷；解列；超速试验；10月18日10月24日：投辅机及自动，升负荷；10月25日11月1日：168小时带负荷试运行；11月1日： 168小时试运行结束。1、动平衡前机组振动状况（1）3000rpm定速和带低负荷的振动3000rpm定速（9月10日）

8、#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦轴振X 25微米 95105 93 24 20轴振Y 20 6560 56 59 24瓦振 652 72 18 瓦振 633 36 13 9月12日，12MW#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦轴振X 24微米 88100 98 22 23瓦振 49 73 动平衡加重前2X、3X、4X振动2、第一阶段冲转、定速过程振动异常原因分析从9月10日到12日，冲转、定速、并网、带负荷过程，机组振动出现过三次较大的异常：（1） 9月10日20:40，机组首次冲到2000rpm，#6轴振达到190微米，对振动数据分析表明，属发电机转子后端、#6轴承部位临时性问题，其后1

9、5分钟，#6轴振迅速下降，趋于正常。以后的启机过程该测点一直正常。（2） 9月11日6:40，电气试验部分完成，打闸惰走到1300rpm，#5X、#5Y轴振分别达到400微米和350微米。对打闸前数小时的电气试验数据和振动数据的分析说明，原因为电气试验中励磁电流对测振涡流探头干扰造成的。11日下午机组再次冲转到3000rpm，#5轴振两测点均正常。（3） 9月12日清晨电气试验完后,4:40打闸，惰走到1600rpm，#1X轴振132微米，略偏高，投盘车，偏心指示大，130微米。分析原因，是由于高中转子处于热态，转子略有弯曲，这种情况不应该影响再次冲转。9:50冲转，在600rpm停留，检查振

10、动值，略偏大，但没有大问题，决定升速，顺利冲到3000rpm。3、对机组动平衡前振动状况的分析（1） 3000rpm定速和带低负荷的振动，#3、#4两个瓦振超标（标准为30微米）；#2X、#3X、#4X三个轴振超标（标准为80微米）；（2） 上述超标值中，#4瓦振突出，达到70微米，且有随转速和负荷增大的趋势；（3） 升降速临界转速振动#1轴振偏大，但在标准范围之内（标准250微米），其余各瓦临界转速振动情况良好。（4） 9月10日到12日在冲转、定速、并网、带负荷过程中机组出现的三次较大的振动异常，均属新机首次开机过程，机组结构状态不稳定（转动部件、缸体、膨胀、例行碰磨等）造成的常规性暂时故

11、障，随以后的启机，这些故障自行消失并不会复现。（5） 从第一阶段机组暴露出来的问题看，#5机组振动存在两处问题，一是低压转子存在原始质量不平衡（属哈汽制造缺陷），二是#4、#3轴承的轴振与瓦振之比偏小（通常情况，如果轴振10丝，瓦振一般应该是23丝），造成这样状况的原因是支撑刚度偏低，不排除#4、#3轴承座二次灌浆的缺陷。除上述两点，其余没有发现严重的振动缺陷。4、#2、#3、#4瓦振动超标原因分析根据振动频谱分析和数据比较，#2、#3、#4瓦振动超标的主要原因是低压转子存在原始质量不平衡，另外和中/低对轮以及基础有关。真空缺陷处理完后，随真空度的提升和负荷的增加，3、4瓦的振动可能会有少许的

12、变化，但不可能显著降低。5、高速动平衡从9月13日到10月7日，#5机组进行了汽机真空低以及电气方面的缺陷处理。关于#4、#3瓦振、轴振偏高问题的处理，协商决定待真空处理完后再行处理。10月10日，真空消确完后启机，3000RPM振动如下：#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦轴振X 18微米 90 82 83 21 16轴振Y 22 46 26 47 45 27瓦振 38 74 此次启机，3000rpm振动数据和真空处理前基本相同，说明#4、#3瓦瓦振、轴振偏高的原因不是由于低压缸真空缺陷，而是转子存在原始质量不平衡。于是决定进行动平衡，在低压转子实施加重。10月15日加重平衡块，加重量：低压

13、转子前末级加400g；低压转子后末级加400g。加重后振动（10月17日，3000rpm）：#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦轴振X 41微米 4638 43 41 18轴振Y 49 4734 50 57 29瓦振 10 37 5 12 12动平衡加重后2X、3X、4X振动这次加重，#4、#3瓦振显著下降，均不到10微米；#2、#3、#4轴振也都降到50微米以下。动平衡效果显著。6、超速试验振动超速试验过程，从3000rpm到危急保安器动作转速3300rpm，各瓦振、轴振测点振动变化平缓，没有出现急剧增大的情况。7、升负荷过程振动机组负荷从零到满负荷300MW过程，振动基本稳定，除#1瓦轴振

14、外，其余各瓦振、轴振均无明显变化。升负荷过程各瓦瓦振始终小于16微米；轴振小于60微米。#1瓦两个方向轴振随负荷增加略有上升，从零到300MW，#1X从46微米增加到65微米，#1Y从53微米增加到74微米，分别增加了约20微米。首次升负荷到300MW（10月22日15:10）各测点振动如下：#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦轴振X 64微米 6058 31 38 24轴振Y 7376 6142 52 50 32瓦振 9 412 16 9 12第六节 清镇发电厂7机组异常振动测试分析与故障处理1、前言3月18日17:00，我所接清镇发电厂总工李荣、汽机副主任罗来有电话，称同日上午9时系统发生

15、电气故障，鸡场变压器三相短路，造成该厂7、8机组失压运行，无功瞬间增大到300MW以上，机组轴系受到冲击，部分轴瓦振动明显增大，尤其7机3瓦振动由冲击前的30微米增大到约8090微米，严重影响到机组正常安全运行。鉴于我所近年对7机组进行过多次振动测试和分析，情况熟悉，李总要求我所人员尽快赶赴现场，协助进行分析处理。我所人员于3月19日20时到达清镇发电厂，在厂领导、汽机、运行各部门人员密切协助下，立即开始了测试、分析和处理工作。到3月23日凌晨，完成了对7机振动的分析、初步处理和观察。其间在现场进行的工作步骤和内容如下：1、 3月19日21:303月20日16:00振动测试，连续测试7机在各种

16、负荷状况下以及升降速过程的振动对机组振动状况进行评估分析异常振动产生的原因确定处理方案计算高速动平衡加重量2、 3月20日16:003月21日0:00第一次加重，启机，全速，打闸惰走；3、 3月21日0:003月21日9:00第二次加重，启机，全速，并网；4、 3月21日9:003月22日21:00机组带高负荷和满负荷，阀切换试验，振动测试。经过对轴系两次加重的动平衡，7机组振动得到明显改善，在高负荷和满负荷、进汽方式为顺序阀和单阀时，振动最大的3瓦基本保持在50微米左右，最高60微米；汽机其余各瓦振动小于20微米，振动稳定。7机组振动尚待进一步处理，继续降低3瓦振动；对3瓦振动波动现象也需继

17、续观察分析。2、电气系统故障后的机组振动状况（1） 电气事故前后机组TSI记录电气事故发生在3月18日09:07:07,#7机组振动在线监测系统记录到事故前后的瓦振、轴振变化，如下表：7机组瓦振（通频振幅（微米）、工频振幅/相位）2004年3月18日9:009:30 测点 3瓦4瓦5瓦6瓦7瓦9:00:0132/30/291°43/39/254°19/17/129°20/15/120°22/20/339°9:03:0132/30/295°43/38/253°20/17/126°19/15/115°24/1

18、9/338°9:07:0131/29/295°43/38/253°19/16/131°20/15/116°23/19/337°系统发生电气故障9:07:0763/54/229°77/78/253°41/33/121°17/12/113°17/13/18°9:08:0170/65/221°73/69/248°41/38/120°14/9/168°19/17/6°9:12:0278/72/220°65/63/250°42

19、/39/126°13/8/135°20/16/356°9:17:0079/73/220°63/60/248°40/38/126°14/8/122°21/17/335°9:30:0174/71/225°59/57/247°37/35/126°14/8/105°19/15/349°7机组轴振（通频振幅（微米）、工频振幅/相位）2004年3月18日8:309:10 测点3轴4轴5轴6轴7轴8:31:0140/32/7°73/66/18°36/31/21

20、0°45/44/74°25/12/325°9:07:0141/32/7°71/66/18°36/31/212°45/43/74°26/12/334°系统发生电气故障9:07:07169/154/321158/143/18°62/54/218°48/42/96°29/11/9°9:08:01170/171/313149/146/10°57/57/214°50/50/85°33/14/322°9:10:01175/175/311141/13

21、9/9°53/54/216°50/49/85°24/13/325°TSI的记录数据表明，系统发生电气故障前各瓦、轴的振动状况良好，振幅相位稳定；电气故障的发生造成振动瞬间突增，瓦振、轴振均有明显增大，其中3瓦瓦振和轴振增大的量值为最大，3瓦瓦振增大到80微米，轴振增大到170微米，相位同时发生阶跃；故障对4、5瓦振动影响次之；对发电机两瓦振动影响不明显。由于电气故障引起的振动变化，故障后的状况较稳定。系统电气故障使得7机3、4瓦振动增大，严重危及机组安全运行。（2） 3月19日，20日我所对7机组振动的测试结果我所人员到现场后首先对机组当时的振动状态进行

22、了测试。1)高负荷和满负荷振动测试结果如下：7机组瓦振（通频振幅（微米）、工频振幅/相位）2004年3月19日 测点2瓦3瓦4瓦5瓦21:37175MW垂直20/8/155°88/82/120°51/48/136°38/36/26°水平33/23/352°31/24/31°60/56/112°62/59/323°21:37200MW垂直12/5/167°98/88/117°54/52/135°38/36/22°水平30/20/356°30/21/20°60

23、/57/114°66/66/326°2)满负荷单阀运行振动情况该机组自3月18日事故以后到3月19日夜，没有带过200MW，且都是顺序阀运行。20日0:40，切换成单阀，3瓦振动大幅度增加，瓦振增加到150微米，轴振增加到300微米，见图。3)升降速过程振动为进一步确定机组振动状况，将机组解列，降速惰走到900rpm，再挂闸升到3000rpm，3、2瓦临界转速振动偏大（见下表）。同时，1瓦临界转速振动到170微米（DCS显示）。升降速3瓦波特图如下。顺序阀切单阀，3瓦振动增大的时间趋势图临界转速振动测点2瓦3瓦降速1516rpm94/72°146/341°

24、;降速1310rpm137/346°57/311°升速1310rpm127/339°54/309°升速1520rpm82/63°135/343°升降速过程2、3瓦临界转速振动（3） 3月20日7机组带高负荷振动测试结果3月20日8:0014:00，对机组带高负荷（132MW188MW）的振动做了进一步测试，以确定振动原因。机组带高负荷3、4瓦振动趋势图根据上述振动测试数据，说明7机组振动现状为：（1）3、4、5瓦振偏高，满负荷3瓦振动10丝；（2）单阀进汽3瓦振动15丝，轴振30丝，过高；（3）3、4、5瓦振幅、相位不稳定，3000r

25、pm和不同负荷的相位偏差可达3040°；（4）临界转速振动偏大。分析：机组当前的振动状况是否稳定？当前的振动大是否是质量不平衡造成的？加重能否有效？如何加重？这种振动状况的机组无法保证安全运行。经各方商定，立即停机进行动平衡加重。3、动平衡加重共进行两次停机加重。第一次：接长轴中对轮加重P=560g；第二次：接长轴中对轮加重P=80g；低压转子4瓦测末级叶轮加400g；低压转子5瓦测末级叶轮加377g。两次加重后，3000rpm定速的振动明显降低，各瓦振小于25微米；3瓦轴振106微米；带负荷后振动逐渐增大，高负荷最大振幅65微米左右。工况、参数稳定时，可以逐渐下降到50微米。多数情

26、况3瓦振动为5055微米。动平衡后的振动值如下：7机组动平衡后瓦振（工频振幅（微米）/相位）测点2瓦3瓦4瓦5瓦3月21日 9:203000rpm垂直15/221°21/258°19/68°16/36°水平11/156°20/147°22/290°5/3°3月22日8:30203MW垂直8/6/270°53/50/259°13/12/240°5/3/246°水平33/30/179°26/23/260°19/14/97°鉴于生产等原因，决定动平衡处

27、理暂时告一段落，对3瓦振动情况做进一步观察分析，待适当机会再次进行动平衡。4、7机组异常振动原因分析根据分析，本次电气系统故障造成的机组振动增大的过程分为两个阶段：第一个阶段是电气故障对轴系扭矩的冲击；第二个阶段是扭矩冲击导致的轴系振动增大。鸡场变发生三相短路瞬间，此时发电机送出的有功功率变小，但主蒸气参数未变，于是转速飞升到3024rpm，使得发电机输出相位和系统相位拉开，同时由于强励动作，发电机电压提高；紧接着，在鸡场变故障切除瞬间，发电机与系统并列，但当时两者的相位差和过高的电压，造成类似于非同期并网的过程，这个过程对机组轴系产生瞬间扭矩冲击。相位差越大，发电机电压越高，扭矩冲击越严重。正常运行中的机组轴系各横截面传递一个定常的扭矩，这个扭矩量值的波动通常不大。但如果系统发生电气故障或汽机运行故障，均可以使轴系扭矩发生大的波动。在可能造成汽轮发电机组扭矩变化的各种起因中，多数是来自电气系统的扰动，如三相自动快速重合闸（不论成功与否）、非同期并网、失磁、单相自动快速重合闸、两相短路或接地、单相接地、断线等。所有的线路切合都可以对轴系扭矩产生瞬间冲击作用。除了来自电气系统的原因外，汽机调速系统的扰动，如甩负荷、快关等，也会