制氧设备故障诊断方法与技术研究.ppt

东北大学工程硕士论文答辩 制氧设备故障诊断方法与技术研究 课题名称 指导教授 李鹤 答辩人 王立璞 学科专业名称 机械工程 0 论文主要内容 课题来源 意义及目的设备故障诊断的基本分析方法制氧设备常见故障机理与诊断结论 1 课题来源 背景及目的 本课题来源于首钢迁安钢铁公司 用于研究制氧设备故障诊断的问题 之所以选择此课题 主要是针对目前迁钢制氧作业部各个制氧机组 尤其是制氧空压机的历年故障情况以及检修维护及运行中存在的问题而进行的 1 制氧机组多 作用关键 故障停机损失大 出现故障无从分析原因 2 虽有DCS控制系统但作用有限 3 由于对设备的运行状态及其故障特征量了解较少 制定检修计划也存在较大的盲目性 课题来源 2 课题来源 背景及目的 首钢迁安钢铁公司是首钢集团在北京申奥成功后向河北迁安第区转移200万吨 后分三期工程逐渐扩建到800万吨 生产能力 而新建的钢铁企业 迁钢公司三期800万吨钢规模全面投产后 共5套制氧机组 制氧机组的核心设备是空气压缩机 该压缩机为德国MANTurbo公司生产的型号为RG090 03 04和RIKT112 4两种 压缩机常见故障现象是各级轴瓦振动超标 温升超标 一旦发生故障 制氧机组就得被迫停机进行检修 由于制氧机组停机 氧气产品的停送直接影响到炼铁 炼钢的生产 对公司的整体生产带来严重影响 因此制氧压缩机运行的稳定性 可靠性至关重要 如何有效地防止设备重大事故 减少停机时间 最有效的途径就是采取预知维修 对设备进行状态监测和故障诊断 课题的背景 必要性 有效性 3 课题来源 背景及目的 本课题来源于生产实际 因此本着为生产服务 以解决制氧机组的故障诊断推进制氧设备管理为目的 迁钢公司作为新投产的钢铁企业 各级设备管理人员以及专业技术人员都缺乏冶金设备技术的实践经验 本课题的主要目的就是通过对我公司及首钢总公司的制氧设备常见故障分析 对其中部分故障特征的机理予以研究 同时结合故障诊断技术利用长期监测所得的数据 从中得出一些有价值的观点 为迁钢公司今后开展制氧设备故障诊断工作以及设备检修维护运行管理工作提供一些依据 课题的目的 4 设备故障诊断的基本分析方法 5 振动诊断法温度分析法油液分析技术声学诊断法压力 流量分析和无损检测技术等 设备故障诊断的主要技术手段 设备故障诊断的基本分析方法 主要内容 状态监测 分析诊断 故障预测实施过程 信号采集 信号处理分析 状态识别 诊断决策 设备故障诊断的基本分析方法 6 设备故障诊断的基本分析方法 振动分析步骤 7 设备故障诊断的基本分析方法 振动诊断的时域分析方法 1 基于时域波形及概率密度谱的分析方法 2 轴心轨迹分析法 3 时域同步平均法 4 包络解调 8 设备故障诊断的基本分析方法 振动诊断的频域分析方法 9 1 幅值谱 2 相位谱 3 平均谱 4 功率谱 5 对数谱 6 倒频谱 制氧设备常见故障机理及诊断应用研究 首钢公司制氧设备常见故障统计 10 11 制氧设备常见故障机理及诊断应用研究 转子不平衡的故障机理及其诊断应用转子与静止件摩擦的故障机理及其诊断应用机械松动的故障机理及其诊断应用基础共振故障机理及诊断应用 制氧设备常见故障机理及诊断应用研究 12 振动特征 时域波形为正弦波 谐波能量集中于基频 激振频率接近于固有频率时 发生共振 振幅最大 转子轴心轨迹为椭圆 振动的强烈程度对工作转速变化较敏感 转子不平衡的故障机理及其诊断应用 诊断实例 13 我公司三万制氧机组是从法国液化空气公司购进的大型成套设备 每小时氧气产量30000Nm3 h 是公司的关键设备之一 其空气压缩机为瑞士苏尔寿公司设计制造 额定转速6050r min 空压机由6级轴流和3级离心串联而成 离心压缩阶段设有中间冷却装置 该设备在检修中发现转子6级轴流叶片存在不同程度的裂纹 于是将全部动 静叶片进行了更换 并利用真空动平衡机对转子做了3600r min下的动平衡试验 平衡精度达到了规定要求 诊断实例 14 但是组装后试车中 空压机仍发生强烈振动 在线监测仪表显示轴振为 轴流侧 吸气端 75um 离心侧 出气端 115um 大大超出了该设备规定的60um的报警值和80um的停车值 机组无法运行 为了弄清楚振动的原因 尽快解决机组故障 利用振动监测设备对机组振动信号进行了采集分析 测得转子的时域波形图 频谱图和轴心轨迹图 升速曲线图 诊断实例 15 30000m3 h空分装置压缩机示意图 时域波形 频谱 16 轴心轨迹 转子升速曲线 17 诊断实例 18 从上述图中可以看出 振动的时域波形图基本呈正弦波 频谱图中基频分量占主导 轴心轨迹呈椭圆形 符合上述对不平衡故障机理分析的特征 可以确定空压机振动大的原因还是转子存在不平衡所致 可是转子已进行了3600r min的动平衡试验 而且试验台上转子的平衡情况良好 为何转子仍然表现出不平衡故障 通过转子升速曲线图可以分析看出 转子启动升速过程中 振动幅值在1700r min 4900r min明显高于其它转速振幅 考虑到转子的两支承轴承间距离达6米 可以确定1700r min 4900r min分别为该转子一阶临界转速和二阶临界转速 而转子正常运转时的工作转速为6050r min 已超出二阶临界转速 该机组转子属于柔性转子 诊断实例 19 由转子振动理论可知 转子的一阶振型及二阶振型存在明显的差异 工作转速超过二阶临界转速后 转子振动模态发生明显的改变 通过临界转速后要发生质心的转向 在这种情况下3600r min的动平衡显然失去了意义 该转子在3600r min附近的振幅非常微小 而在正常工作转速下振幅却大大超出允许值 机组无法正常运行 而3600r min下的动平衡配重在某种意义上改变了柔性转子的振型 增大了转子的振动 通过重新进行现场动平衡 拆除了部分配重 再开机后振动明显减少 达到了预期效果 经过几次试验处理 在线轴振动监视仪表显示轴振动分别降低到轴流侧30um和离心侧的57um 符合机组运行要求 于是机组投入正常运行 既缓解了当时氧气供不应求紧张的局面 又节省了处理时间和资金 故障诊断技术显示了巨大的优势 制氧设备常见故障机理及诊断应用研究 振动特征 1 转子径向振动出现2 以1 和2 分量为主 不对中越严重 2 所占比例越大 2 转子轴向振动在1 2 甚至3 处有稳定的高峰 3 典型的轴心轨迹为相交型 正进动 4 轴承不对中时径向振动大 有可能出现高次谐波 振动不稳定 5 振动对负荷变化敏感 6 时域波形稳定 每转出现1个 2个或3个峰 无大的加速度冲击现象 转子不对中的故障机理及其诊断应用 20 诊断实例 21 KDON 6000 6000 型制氧机组是由杭州制氧机厂生产制造的成套设备 每小时氧气产量6000Nm3 h 一次检测中发现该机组中的1TY 575 5 5型空气透平压缩机振动值异常 呈逐渐上升的趋势 南北两端轴瓦 滑动轴承 振动值增大到超过和接近ISO2372 机械振动的测量与评价标准 的标准底线 特别是南端轴瓦振动值中的速度值在水平测量和轴向测量上显示为14 28mm s和15 05mm s 位移值在水平测量和轴向测量上显示为45 6um和45 4um 它们分别超过了ISO2372标准中规定的11 2mm s的速度值判定标准和杭州制氧机厂给定的40um的位移判定标准 且在 测量结果报告 表测量结论一栏中出现英文单词Bad 见下表 为此我们果断停机待修理 经过后来抢修时拆开南北轴承座证明停机非常及时 避免了一起重大设备事故 幅值频谱图 功率频谱图 22 诊断实例 23 分析1 从幅值频谱中可以清楚地看到许多杂波 它可以反映轴瓦破损的情况 而表示振动源的主分量 振动能量的大小则用功率频谱比较直观 这是我们采取两组频谱对照分析的原因 分析2 透平压缩机振动大的主要原因有 探头失效使数据反映不真实 转子不平衡增大 油膜涡动 内部气流不稳 转子机座部分零件摩擦 转子不对中等 但依据信息资料对振动原因作进一步分析 可以排除探头失效 转子不平衡增大 油膜涡动 内部气流不稳 转子机座部分零件摩擦等因素 最后判定原因是转子对中不良引起 诊断实例 因为转子不对中可改变轴系临界转速 引起振型变化或共振 引起自激振动 烧瓦或油膜振荡 零部件过度疲劳损坏 机组处于非稳定振动 转子不对中的特征是转子动态挠曲值 弹性倾角发生变化 2倍频分量超过旋转频率上二频分量 在水平方向尤为明显 这就是说2倍频分量是主分量 在频谱图上观察 从上述图很明显的看出空气透平压缩机南端轴瓦振动的主要是因为对中不良而引起的 是激振源 是引起轴瓦破损的主要原因 同理从频谱图上分析 2倍频分量有增大的趋势 它说明轴线越来越倾斜 南瓦对北瓦而言 可以断言 当南瓦最后一点巴氏合金层全部振掉 南瓦的油膜将不会存在 轴线将会进一步倾斜 会引起压缩机动静部件的摩擦 如果不紧急停机 后果不堪设想 解决方法 在空气透平压缩机南端轴承座与机座连接处加装了一个0 3mm的垫片 24 制氧设备常见故障机理及诊断应用研究 振动特征 1 振动频率中包含有2 3 次谐波及分数谐波振动 2 在频谱图上出现的次谐波成分 n 1 2 3 重摩擦时n 2 轻摩擦时n 2 3 4 转子与静止件摩擦的机理及其诊断应用 25 诊断实例 首钢30000m3 h制氧机组多次出现防喘振报警 排气端轴振动也有增大的趋势 对公司生产造成威胁 我们利用Schenck公司VI BROPRT 41O频谱分析仪 西北工大的CAMD6100旋转机械状态监测与故障诊断系统对空压机组进行了振动状态分析 26 1 主电机2 增速机3 离心叶轮 共3级 4 轴流叶片 共6级 图3 18空压机机组测点布置简图 27 增速机测点 H图谱 空压机测点 H图谱 28 从增速机测点图可以看出 增速机测点 振动值较大 在21万转频率点上有一个强列振动分量 振动值达5 5mm s 该频率对应增速机啮合频率 可见增速机齿轮啮合状况不好 从空压机测点图上可以看出 在0 6 9 16 20 21和25万转等频率附近存在振动峰值 不难判断 0 6万转频率处振动是转子的基频振动 是由转子本身不平衡引起 21万转频率处的振动如前所述 是由增速机齿轮啮合状况不良引起的 但是 对其中9 16 20 25万转附近存在的振动 推测这些频率成分可能与转子上的离心叶轮的流道数 轴流的动叶片存在关系 也就是说与叶片有关 另外 在所采集的频率域内有许多低平的谐波分量出现 与转子上的叶轮 叶片存在受力不均 如碰摩 有关 诊断实例 29 检修解决方法 为彻底解决设备隐患 对空压机进行揭盖检查和更换轴流叶片 开盖后发现轴流叶片磨损严重 且一级叶片有刮蹭痕迹 空压机测点图中出现的低平谐波分量 正是碰摩这一故障的特征频谱 换叶片后这些低平谐波分量基本消失 诊断实例 30 制氧设备常见故障机理及诊断应用研究 振动特征 1 径向 特别是垂直方向 振动大 2 除基频分量外 还有很大的倍频分量 特别是3 10倍频 3 振动可能具有高度的方向性 4 可能有1 2 3 2 5 2 等分数谐波分量 这些分量随时间的增长而加大 5 时域波形可能较杂乱 有明显的不稳定的非周期信号 可能有大的冲击信号 6 轴向振动小或正常 机械松动的故障机理及其诊断应用 31 首钢氧气厂3 制氧机组 16000m3 h机组 在线监测系统报警 显示振动值为75um 超正常值60 以上 该在线监测系统只能振动值报警 而不能判断故障原因 故用北京振通904和恩泰克振动分析仪进行故障分析和诊断 诊断实例 32 空压机的构成及测点布置简图 33 用振通904在测点4处采集的频谱图和时域波形图 34 由恩泰克振动分析仪采集的测点4的频谱图 35 从振通904采集的频谱图和时域波形图分析 由频谱图看存在一条明显的谱线 其所对应的频率值是6625Hz 加速度幅值是263 35m s2 显然其中含有重要的故障信息 从时域波形图可以发现有明显的调制现象 啮合频率被低频成分所调制 按说应在频谱图上出现变频带 但由于啮合频率值较大 加上计算机显示精度低 变频带被湮没 从恩泰克振动分析仪采集的频谱图可以看出出几种频率成分 大齿轮转频25Hz 轴 的转频158Hz 轴 的转频195Hz及其谐波分量 上述分析表明 引起啮合频率值较大的重要原因是轴 某瓦的松动导致轴 运转不平稳 从而引起轴 上齿轮与大齿轮啮合时出现偏差 造成啮合不准确 随后的检修也证明了这一点 检修中发现4号轴瓦巴氏合金松脱 齿面点蚀严重 与诊断结论一致 诊断实例 36 制氧设备常见故障机理及诊断应用研究 振动特征 当系统的自振频率与基础的自振频率相等时 系统的振动振幅达到最大值 在无阻尼 D 0 的情况 动幅值将达到无穷大 这时就会发生共振现象 基础共振故障机理及其诊断应用 37 首钢氧气厂16000m3 h制氧机组是引进法国上世纪60年代生产的二手设备 1992年投产 其中空压机机组除当年投产试车时出现过振动故障外 运行尚算稳定 2003年11月份该机组由于主电机转子极包出现烧损故障进行停机检修 更换主电机后在进行联动试车时 电机出现强烈振动 不能投入运行 为此应用西北工业大学生产的旋转设备故障诊断仪对该机组进行了振动监测和诊断分析 诊断实例 38 1 主电机2 联轴器3 压缩机空压机结构及测点布置示意图 39 空压机电机联体试车时的升速曲线 V 40 诊断实例 对电机进行振动监测时发现 该电机振动不仅剧烈 而且振幅很不稳定 随时间呈喇叭形急剧增长 在电机振动故障中 如是机械或电气方面原因所致 则不论其振动如何剧烈 在较短时间内 其振动值的增长一般不会如此迅速 只有在发生自激振动 如油膜振荡或强制振动中的共振时其振动值才会如此迅速增长 但是油膜振荡引起的振动 虽然表现剧烈 且呈持续快速增长之势 但是它对轴承温度的变化比较敏感 并伴有低沉的吼叫声 我们发现在试车过程中 电机的振动值对油温变化并不敏感 没有迹象表明该电机振动故障是由轴承油膜振荡引起的 综合以上分析 我们判断电机的剧烈振动是由机组共振引起的 41 诊断实例 解决方法 对机组的基础进行了两次加固 将压缩机测基础出现裂纹的横梁与立柱之间用混凝土浇筑成一体 同时对电机侧的立柱之间用角钢进行加固 加固后 联体试车时电机前后