现代设备故障与诊断

题目：设备监测和故障诊断技术现状学号： 姓名： 许云华现代科学技术创造了结构上日益复杂的设备系统，它们的生产效率和自动化程度愈高，发生故障时带来的损失就愈大。通过对故障产生机理的了解，人们一方面从设备的设计、制造安装维护过程中尽量寻找减少和延迟故障事件的办法。另一方面，又从设备状态监测和设备故障诊断中，努力提高故障发生的预知性，以便采取适当的措施，在考虑故障的条件下力求设备的寿命周期费用最省，提高设备的效益。设备状态监测与故障诊断技术是一门专业化很强的学科，起源于20世纪40年代，其主要内容是利用现代的电子仪器和分析手段，对设备的运行状态进行监控，预测设备故障的类型和劣化趋势，用于确定设备的最佳维修时机，避免浪费，直接影响设备的维修制度，使设备的维修从计划维修向预制维修发展。在西方工业发达国家，该项技术已成熟应用在流程工业上，为企业创造巨大的经济效益。我国于70年代开始重视该项技术的研究，通过技术交流与合作，国内很多大型企业已经开始应用这项技术，在2005年杭州“设备状态监测与故障诊断技术”交流会上，武钢、鞍钢、燕山石化等多家大型企业均派代表参加并热烈讨论；多家高等院校和科研院所，例如西北工业大学，北京工业大学等，设立了专门的研究机构，并已生产较多专业的故障诊断仪器，具有自己的知识产权，可以说目前正是“方兴未艾”。 所谓设备故障，一般是指设备失去或降低其规定功能的事件或现象，表现为设备的某些零件失去原有的精度或性能，使设备不能正常运行、技术性能降低，致使设备中断生产或效率降低而影响生产。设备在使用过程中，由于磨擦、外力、应力及化学反应的作用，零件总会逐渐磨损和腐蚀、断裂导致因故障而停机。加强设备保养维修，及时掌握零件磨损情况，在零件进入剧烈磨损阶段前，进行修理更换，就可防止故障停机所造成的经济损失。设备的故障必定表现为一定的物质状况特征，这些特征反映出物理的、化学的异常现象，它们导致设备功能的丧失。我们把这些物质状况的异常特征称为故障模式。研究各种故障模式，分析故障产生的原因、机理，记录故障现象和故障经常出现的场合，采取有效监测方法，并提出避免的措施，这是设备故障研究的主要任务。设备故障诊断技术随着近十多年来国际上电子计算机技术、现代测量技术和信号处理技术的迅速发展而发展起来，是一门了解和掌握机械设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部是否正常，早期发现故障及原因，并预报故障发展趋势的技术。 设备故障诊断对设备管理影响很大。所谓设备故障诊断技术，就是在设备运行过程中或基本上不拆卸设备的情况下，了解和掌握设备的运行技术状态，确定其整体或局部正常与否，早期发现故障及其原因，判断故障的部位和程度，预测故障发展趋势和往后技术状态变化的技术。诊断过程主要有3个步骤:（1）检测设备状态的特征信号；（2）从所检测的特征信号中提取征兆；（3） 故障的模式识别。其大致经历以下3个阶段:基于故障事件原故障诊断阶段，主要缺点是事后检查，不能防止故障造成的损失；基于故障预防的故障诊断阶段；基于故障预测的故障诊断阶段，它是以信号采集与处理为中心，多层次、多角度地利用各种信息对机械设备的状态进行评估，针对不同的设备采取不同的措施。对于设备的诊断：一是防患于未然，早期诊断；二是诊断故障，采取措施。其主要内容包括： a）正确选择与测取设备有关状态的特征信号。 所测取的信号应该包含设备有关状态的信息，例如，诊断起桁架有无裂纹不能靠测取桁架各点温度信号中不包含裂纹有无的信息。而测取桁架的振动信号则可达到目的，因为振动信号中包含了结构有无裂纹的信息，这种信号即称为特征信号。 b）正确地从特征信号中提取设备有关状态的有用信息（征兆）从特征信号直接判明故障的有无一般是比较困难的。例如，从结构的振动信号一般以直接判明结构有无裂纹，还需根据振动理论、信号分析理论、控制理论等提供的理论与方法，加上试验，对特征信号加以处理，持取有用的信息（称为征兆），才有可能判明设备的有关状态。征兆信息包括结构的物理参数（如质量、刚度等）、结构的模态参数（如固有频率、模态阻尼等），设备的工作特性（如耗油率、工作转速、工率等），信号统计特性及其他特征量。 c）根据征兆进行设备的状态诊断，识别设备的状态。可采用多种模式识别理论与方法，对征兆加以处理，构成判别准则，进行状态的识别与分类。状态诊断是设备诊断的重点，而特征信号与征兆的获取正确与否是进行正确状态诊断的前提。征兆既用于由外表现象推断内部状态，此时可称为症候，以用于由现在现象推断未来状态，此时可称为预兆。状态诊断既包括诊断设备是否将发生什么故障，此即早期诊断；也包括诊断设备已发生什么故障，此即早期诊断设备已发生什么故障，此即故障诊断。 d）根据征兆与状态进行设备的状态分析故障位置、类型、性质、原因与趋势等。例如，故障树分析过程可知故障的原因往往是次一级的故障；如轴承烧坏是故障，其原因是输油管不输油，不输油是因油管堵塞，后者是因可能是次级故障，因而有关的状态诊断方法也可用于状态分析。 e）根据状态分析作出决策，干预设备及其工作进程，以保证设备安全可靠、高效地发挥其应有功能，达到设备诊断目的。为了及时发现和排除故障，减少和避免事故的发生，长期以来，设备工作者不断地研究、总结，改变了过去的事故维修模式，实施各种可行、有效的定期预防性试验和检修方式。与事故维修相比，这种体制曾经适应了我国生产力的发展，发挥过积极作用，不管是在思维还是在效果上都取得了很大进步。但它对设备运行中的突发性事故常常措手不及，造成惨重损失。而且定期计划维修也存在一定程度的盲目性和强制性，缺少针对性和科学性，常对设备的稳定造成干扰。由于预防性试验大多是离线进行的，试验时需停机、停电，造成较大的经济损失。而一些重要设备轻易不能停运，致使定期试验无法按照计划进行；即使可停运待检设备，也往往因为运行中与停运后的设备状态差异，不同程度地影响到试验结果的准确性。另一方面，对于正常的设备，若按计划采用定期检测和维修，又造成不必要的人力和物力的极大浪费。甚者，可能因检查维修，造成维修过度，即造成“维修干扰”。如某厂的1台300 MW水-氢-氢发电机，维修前绝缘状态良好，维修后，绝缘水平明显降低。经查，是由于进行耐压试验，使绝缘受到损害。泄漏电流的测试，也可造成绝缘恶化或损伤。又如某局进行变压器的例行检查维修，由于工作人员的疏忽，将工具遗留在变压器内，造成重大事故。同时，定期检测和维修，不是连续和实时监测，无法避免设备在两次试验间隔期可能发生的故障。状态监测与故障诊断技术，采取对潜伏性故障的早期、连续监测，与离线检测相结合，应用现代分析、电子和计算机等技术，进行综合分析，预测设备可能发生的故障，以期做到预知维修和有效维修，将对电力设备的运行起到重要的安全保障作用。状态监测和故障诊断技术的发展在20世纪60年代至70年代，一些工业发达国家即开始状态监测和故障诊断技术的研究。因受到当时工业技术水平的限制，加之设备潜伏性故障初期发展速度慢，征兆信号微弱，能够监测的特征量与设备状态不完全吻合，可变因素和影响因素太多等原因，使状态监测和故障诊断技术的发展和应用受到阻碍。到20世纪80年代至90年代，传感技术、计算机技术和光纤等高新技术的发展和应用，使设备的状态监测和故障诊断技术得到迅速发展。近年来，随着光电技术的发展，加拿大、美国等国家相继研制出不同类型的在线监测装置，更加促进了设备的状态监测和故障诊断技术的实施和有效发展。早在20世纪60年代，我国已认识到设备状态监测和故障诊断技术的重要性，在70年代，就进行过一些带电试验和在线监测技术的研究和应用，但由于当时技术不完善，测量结果分散性大，加上操作复杂和误报等原因，使该技术没有得到大力推广。随着大容量、高电压等级电气设备的迅速增加，一些设备的故障率偏高，使状态监测和故障诊断技术的开发更加迫切。为发展状态监测和故障诊断技术，我国相关部门多次召开全国设备监测和故障诊断技术研讨会，研究如何发展和推广状态监测与诊断技术。由于设备质量缺陷、维护不当以及运行操作失误引起的各类故障都会影响到回转机械的稳定运行，威胁到生产的安全，甚至会造成设备停机、流程中断，造成严重的经济损失。据统计，1992-1993年，国内17套尿素装置故障停车共计549次，停车957天，相当于3套尿素装置的_生产能力放空一年，最多的一套装置共停车67次，共计1天，直接经济损失数亿元。1995年酒泉钢铁公司的发电机组由于多次强行启动，造成转子弯曲过大而报废，给酒缸和嘉峪关市造成了近亿元的经济损失。因此研制和开发先进的大型回转机械状态监测和故障诊断系统，对于确保这些关键设备的安全、高效、长周期运行，避免巨大的经济损失和灾难性事故的发生，具有重大的经济价值。现就以发电机来说明状态监测和故障诊断技术。发电机的状态监测和故障诊断目的是在初始阶段，检测出发电机缺陷，以有计划地安排检修，减少停机，避免事故发生；在服役期延长发电机平均无故障时间和缩短平均修理时间，降低发电机维修费用，提高可用性。多年来，发电机运行所采用的监视和控制方法，大多用来进行机组运行工况的调整以及非正常或事故状态的控制。大型发电机都有继电保护系统，从表面上看，继电保护功能很完善，但是，继电保护系统只是当被监视参数达到或超过继电器设定值时才起作用，即只有当故障已经发生时才动作，并没有预防功能。由于继电保护与设备诊断技术功能不同，所以其对潜伏性故障的早期发现或诊断无能为力。发电机状态监测与诊断系统需要观测和采集运行状态下许多电气、机械和物理化学的数据与特性，建立正确的数据处理系统，给出运行异常和存在缺陷的信息，根据早期征兆进行故障预报，采用计算机故障模糊专家系统进行诊断和趋势分析，并提出检修方案。发电机的故障诊断系统，通过对发电机运行过程与状态参数分析及检修、试验的结果，无损探伤、电气绝缘检查结果的分析，综合进行故障诊断。常用的局部放电监测与诊断，多采用电脉冲信号法和超声法。对电信号和声信号联合监测取得理想的定量和定位效果，根据视在放电量、分布图谱和放电源的定位，来判断故障。状态监测、故障诊断技术虽然有其不可替代的优势，但在目前情况下，尚存在很多不足和问题需要解决。已经安装投运了状态监测系统的单位，决不可高枕无忧，不再有安全忧患意识。由于设备有复杂的结构系统，运行参数间并非全部有严格的逻辑和定量关系，其故障现象、故障原理之间具有很大的不确定性，一个故障可表现出多种征兆，监测到的几个故障起因同时反映一个故障征兆，故障与征兆之间关系模糊复杂，因此完全通过建立精确的数学模型来诊断是十分困难的。这种复杂的系统都是模糊的系统，而模糊系统的边界、结构等概念的外延是模糊的，内涵是灰色的。也就是说，此系统中的一些信息是确知的，另一些是非确知的，因此，需要采用将精确性向模糊性逼近的模糊集的数学方法来处理这些模糊现象，并注入人工神经网络系统，才能对设备故障诊断这一复杂系统，找出合适的描述方法。同时还要模拟技术专家在进行故障诊断时的经验及将经验、规则模型化，以计算机替代专家，并以远程通信方式进行传输。除此之外，复杂的现场环境也给状态监测和故障诊断技术的应用带来困难。到目前，状态监测和故障诊断技术尚存在一些不足和问题：如现有的监测、诊断系统尚不能完全实现连续不断的实时监测，所以对突发性故障不能准确、及时预报。再有，现有的一些监测系统，只能反映设备故障的发展趋势，很难提供设备故障的类型及故障的危急程度等等。综上所述，设备故障诊断技术，与人们平常“看病”的技术十分相似。随着科学技术与生产的发展，设备工作强度不断增大，生产效率、自动化程度越来越高，同时设备更加复杂、各部分的关联愈中密切，从而往往某处微小故障就爆发链锁反应，导致整个设备乃至与设备有关的环境遭受灾难性的毁坏，这不仅会造成巨大的经济损失，而且会危及人身安全，后果极为严重。因此，设备诊断技术日益发挥重要作用，它可使设备无故障、工作可靠，发挥最大效益；保证设备在将有故障或已有故障时，能及时诊断出来，正确地加以维修，以减少维修时间，提高维修质量，节约维修费用。设备的状态监测和故障诊断技术，可以迅速、连续地反映设备的运行状态，预示运行设备存在的潜伏性故障，提出处理措施，不同程度地延长设备的服役期，减免不必要的维修干扰，大大降低运行成本，易实行自动化和科学化设备管理，是保障设备安全经济运行的有力措施，应大力推广。然而，该技术毕竟为新兴的多学科高新技术，其发展和实施还存在许多困难，距离替代预防性