第七講 汽輪機組故障診斷的技術(shù)基礎(chǔ).ppt

第七講汽輪機組故障診斷的技術(shù)基礎(chǔ) 第一節(jié)設(shè)備故障的定義和分類一 設(shè)備故障的定義對機械設(shè)備故障 Fault 的定義目前尚未有統(tǒng)一的說法 各種文獻(xiàn)上的定義也不盡相同 從故障診斷的角度來說 比較流行的一種說法是 機械設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)異常 不能達(dá)到預(yù)定的性能要求 或者表征其工作性能的參數(shù)超過某一規(guī)定界限 有可能使設(shè)備部分或全部喪失功能的現(xiàn)象 有時也用特定的詞 Failure 表示故障 如設(shè)備因腐蝕而失效 也屬于故障范圍 在一般情況下兩者是同義詞 但嚴(yán)格地來說失效與故障是有區(qū)別的 一般地 所有失效都屬于故障 但不是所有的故障都是失效 二 設(shè)備故障的分類由于機械設(shè)備多種多樣 因而故障的形式也有所不同 必須對其進(jìn)行分類研究 以確定采用何種診斷方法 故障分類的方式主要有以下幾種 1 按故障存在的程度分類 1 暫時性故障 這類故障帶有間斷性 是在一定條件下 系統(tǒng)所產(chǎn)生的功能上的故障 通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)或運行參數(shù) 不需要更換零件就可恢復(fù)系統(tǒng)的正常功能 2 永久性故障 這類故障是由某些零件損壞而引起的 必須經(jīng)過更換或修復(fù)后才能消除故障 這類故障還可分為完全喪失所應(yīng)有功能的完全性故障及導(dǎo)致某些局部功能喪失的局部性故障 2 按故障發(fā)生 發(fā)展的進(jìn)程分類 1 突發(fā)性故障 出現(xiàn)故障前無明顯的征兆 難以靠早期試驗或測試來預(yù)測 這類故障發(fā)生時間短暫 一般帶有破壞性 如轉(zhuǎn)子的斷裂 人員誤操作引起設(shè)備的損毀等屬于這一類故障 2 漸發(fā)性故障 設(shè)備在使用過程中某些零部件因疲勞 腐蝕 磨損等使性能逐漸下降 最終超出允許值而發(fā)生故障 這類故障占有相當(dāng)大的比重 具有一定的規(guī)律性 能通過早期狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)報來預(yù)防 3 按故障嚴(yán)重的程度分類 1 破壞性故障 它既是突發(fā)性又是永久性的 故障發(fā)生后往往危及設(shè)備和人身安全 2 非破壞性故障 一般 它是漸發(fā)性的又是局部性的 故障發(fā)生后暫時不會危及設(shè)備和人身的安全 4 按故障發(fā)生的原因分類 1 外因故障 因操作不當(dāng)或環(huán)境條件惡化而造成的故障 如調(diào)節(jié)系統(tǒng)的誤動作 設(shè)備的超速運行等 2 內(nèi)因故障 設(shè)備在運行過程中 因設(shè)計或生產(chǎn)方面存在的潛在的隱患而造成的故障 5 按故障相關(guān)性分類 1 相關(guān)故障 也可稱間接故障 這類故障是由設(shè)備其他部件引起的 如軸承因斷油而燒瓦的故障是因油路系統(tǒng)故障而引起的 2 非相關(guān)故障 也可稱直接故障 這是因零部件本身直接因素引起的 對設(shè)備進(jìn)行故障診斷首先應(yīng)診斷這類故障 2 按故障發(fā)生 發(fā)展的進(jìn)程分類 1 突發(fā)性故障 出現(xiàn)故障前無明顯的征兆 難以靠早期試驗或測試來預(yù)測 這類故障發(fā)生時間短暫 一般帶有破壞性 如轉(zhuǎn)子的斷裂 人員誤操作引起設(shè)備的損毀等屬于這一類故障 2 漸發(fā)性故障 設(shè)備在使用過程中某些零部件因疲勞 腐蝕 磨損等使性能逐漸下降 最終超出允許值而發(fā)生故障 這類故障占有相當(dāng)大的比重 具有一定的規(guī)律性 能通過早期狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)報來預(yù)防 3 按故障嚴(yán)重的程度分類 1 破壞性故障 它既是突發(fā)性又是永久性的 故障發(fā)生后往往危及設(shè)備和人身安全 2 非破壞性故障 一般 它是漸發(fā)性的又是局部性的 故障發(fā)生后暫時不會危及設(shè)備和人身的安全 4 按故障發(fā)生的原因分類 1 外因故障 因操作不當(dāng)或環(huán)境條件惡化而造成的故障 如調(diào)節(jié)系統(tǒng)的誤動作 設(shè)備的超速運行等 2 內(nèi)因故障 設(shè)備在運行過程中 因設(shè)計或生產(chǎn)方面存在的潛在的隱患而造成的故障 5 按故障相關(guān)性分類 1 相關(guān)故障 也可稱間接故障 這類故障是由設(shè)備其他部件引起的 如軸承因斷油而燒瓦的故障是因油路系統(tǒng)故障而引起的 2 非相關(guān)故障 也可稱直接故障 這是因零部件本身直接因素引起的 對設(shè)備進(jìn)行故障診斷首先應(yīng)診斷這類故障 6 按故障發(fā)生的時期分類 1 早期故障 這種故障的產(chǎn)生可能是設(shè)計加工或材料上的缺陷引起的 在設(shè)備投入運行初期暴露出來 這種早期故障經(jīng)過暴露 處理 完善后 故障率開始下降 早期故障不僅發(fā)生在新機械投入使用的初期 而且當(dāng)機械的零部件經(jīng)過維修或更換 重新投人使用時 也會出現(xiàn)早期故障 2 使用期故障 又叫偶發(fā)期故障 是產(chǎn)品有效壽命期內(nèi)發(fā)生的故障 這種故障是由于載荷 外因 運行條件等 和系統(tǒng)特性 內(nèi)因 零部件故障 結(jié)構(gòu)損傷等 無法預(yù)知的偶然因素引起的 設(shè)備大部分時間處于這種工作狀態(tài) 這時的故障率基本上是恒定的 對這個時期的故障進(jìn)行監(jiān)視與診斷具有重要意義 3 后期故障 又叫耗散期故障 它往往發(fā)生在設(shè)備的后期 由于設(shè)備長期使用 甚至超過設(shè)備的使用壽命后 因設(shè)備的零部件逐漸磨損 疲勞 老化等原因使系統(tǒng)功能退化 最后可能導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)性的 危險的 全局性的故障 這期間設(shè)備故障率呈加速上升趨勢 通過監(jiān)測 診斷等方式 發(fā)現(xiàn)失效零部件后應(yīng)及時更換 以避免發(fā)生事故 第二節(jié)設(shè)備故障診斷技術(shù)的內(nèi)容和類型一 設(shè)備診斷技術(shù)的內(nèi)容設(shè)備故障診斷的內(nèi)容包括狀態(tài)監(jiān)測 分析診斷 趨勢預(yù)報和診斷決策四個方面 具體的實施過程可以歸納為如下幾個方面 見圖 1 信號采集設(shè)備在運行過程中必然會有力 熱 振動及能量等各種量的變化 由此會產(chǎn)生各種不同的信息 根據(jù)不同的診斷需要 采集能表征設(shè)備工作狀態(tài)的不同信號 如振動 壓力 溫度等 是十分必要的 2 信號處理將采集到的信號進(jìn)行分類處理 加工 以便獲得能表征機械設(shè)備狀態(tài)的特征 3 狀態(tài)識別將經(jīng)過信號處理后獲得的設(shè)備特征參數(shù)與規(guī)定的允許參數(shù)或判別參數(shù)進(jìn)行比較 對比或推理分析 以確定設(shè)備所處的狀態(tài) 是否存在故障及故障的類型和性質(zhì)等 并預(yù)測設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢 4 診斷決策根據(jù)對設(shè)備狀態(tài)的判斷 決定應(yīng)采取的對策和措施 二 設(shè)備診斷技術(shù)的分類1 按診斷對象分類可分為旋轉(zhuǎn)機械 如汽輪機組 診斷技術(shù) 往復(fù)機械 如內(nèi)燃機 診斷技術(shù) 工程結(jié)構(gòu) 如海洋平臺 診斷技術(shù) 運載器和裝置 如航天飛機 坦克 診斷技術(shù) 通訊系統(tǒng) 如雷達(dá) 診斷技術(shù) 工藝流程 如化工過程 診斷技術(shù) 2 按診斷的目的和要求分類可分為功能診斷 檢查設(shè)備是否達(dá)到預(yù)定功能 和運行診斷 即對運行設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)診斷 了解是否發(fā)生故障 定期診斷和連續(xù)診斷 直接診斷 根據(jù)零部件的直接信息進(jìn)行的診斷 和問接診斷 利用二次信息進(jìn)行的診斷 常規(guī)工況診斷和特殊工況診斷 在線診斷和離線診斷 3 按診斷方法的完善程度分類 可分為簡易診斷和精密診斷 第三節(jié)故障信息的獲取方法與故障特征信號的選取一 故障特征參量的定義對于某一具體的故障類型 我們所關(guān)心的問題主要有兩個方面 一是這種故障通過哪些物理參量表現(xiàn)出來 二是與各物理參量間的關(guān)系強弱情況如何 一般說來 對于前一個問題 只要機械系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生了變化 就必定會影響與之相聯(lián)系的各個動態(tài)物理參量 而故障類型與物理參量的關(guān)系強弱是我們最為感興趣的 因為只有那些與某種故障類型之間的關(guān)系密切 對故障靈敏可靠的物理參量才能用于故障診斷 在機械故障診斷學(xué)領(lǐng)域 將這些對故障靈敏 穩(wěn)定可靠的物理參量稱為故障特征參量 又稱為故障特征信號 二 故障特征信號的選取原則雖然某種故障類型發(fā)生所引起變化的物理參量有多個 但可作為故障特征參量的卻是有限的 這就引出了如何來確定故障特征參量的問題 實踐證明 選取故障特征參量應(yīng)遵循如下的原則 1 高度敏感性原則 機械系統(tǒng)狀態(tài)的微弱變化應(yīng)能引起故障特征參量的較大變化 2 高度可靠性原則 故障診斷特征參量是依賴于機械系統(tǒng)的狀態(tài)變化而變化的 如果把故障特征參量取作因變量 系統(tǒng)狀態(tài)取作自變量 則故障特征參量應(yīng)是系統(tǒng)狀態(tài)這個自變量的單值函數(shù) 3 實用性原則 或可實現(xiàn)性原則 故障特征參量應(yīng)是便于檢測的 如果某個物理參量雖對某種故障足夠靈敏 但這個參量不易獲得 經(jīng)濟 技術(shù)方面的考慮 那么 這個物理參量也不便作為故障特征參量 三 設(shè)備故障信息的獲取方法設(shè)備故障信息獲取的方法主要有以下幾種 1 直接觀察法 主要靠人的經(jīng)驗和感官來獲取信息 且限于能觀測到的或接觸到的機器零部件 2 參數(shù)測定法 該方法是根據(jù)設(shè)備在運行過程中的各種輸出參數(shù) 如振動 噪聲 溫度 壓力 變形 脹差 阻值等 的測定 獲取設(shè)備的故障信息 3 磨損殘渣測定法 測定機械零部件 如軸承 齒輪等 的磨損殘渣在潤滑油中的含量和顆粒分布 也是一種有效的獲取故障信息的方法 4 設(shè)備性能指標(biāo)測定法 設(shè)備性能包括整機及零部件性能 通過測量機器性能及輸入 輸出量的變化信息來判斷機械的工作狀態(tài)也是一種重要方法 四 設(shè)備故障的評定方法1 故障判斷標(biāo)準(zhǔn)常用的三種判斷標(biāo)準(zhǔn)為絕對判斷標(biāo)準(zhǔn) 相對判斷標(biāo)準(zhǔn)和類比判斷標(biāo)準(zhǔn) 1 絕對判斷標(biāo)準(zhǔn) 要求在設(shè)備的同一部位或按一定要求測得的表征機械設(shè)備狀態(tài)的值與某種相應(yīng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)相比較 以評定設(shè)備的狀態(tài) 2 相對判斷標(biāo)準(zhǔn) 采用這種判斷標(biāo)準(zhǔn)時 要求對設(shè)備的同一部位 同一種工況 同一種量值進(jìn)行測定 將設(shè)備正常工作情況的值定為初始值 按時間先后將實測值與初始值進(jìn)行比較來判斷設(shè)備的狀態(tài) 3 類比判斷標(biāo)準(zhǔn) 若有數(shù)臺型號相同 規(guī)格相同的設(shè)備 在相同條件下對它們進(jìn)行測定 經(jīng)過相互比較作出判斷 用這種方法對機械設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行評定而制訂的標(biāo)準(zhǔn)稱為類比標(biāo)準(zhǔn) 2 故障嚴(yán)重程度及其計算當(dāng)機械設(shè)備出現(xiàn)故障時 應(yīng)該用一個定量指標(biāo)來衡量故障嚴(yán)重程度 故障嚴(yán)重度可用 0 1 區(qū)間中的一個數(shù)值來表示 當(dāng)故障嚴(yán)重度取1時 表示故障對機械的危害非常大 必須立即停機 否則將出現(xiàn)重大事故 當(dāng)故障嚴(yán)重度取0時 表示故障對機械沒有影響 此時可認(rèn)為沒有出現(xiàn)故障 當(dāng)故障嚴(yán)重度取 0 1 區(qū)間任意值時 表示故障依此危害程度對機械施加影響 第四節(jié)信號分析與處理機械設(shè)備故障診斷過程中由傳感器上所獲得的信號都是動態(tài)波形 因為動態(tài)波形往往是由很多幅值 頻率 相位關(guān)系各不相同的波形混合疊加而成的 為了分解復(fù)合信號內(nèi)的各種頻率成分有效量 必須對信號進(jìn)行加工處理 即信號處理 在故障診斷過程中用到的信號處理方法有 時域分析 頻域分析 幅值域分析 時差域分析 計數(shù)域分析 轉(zhuǎn)速域分析 倒頻域分析等 下面介紹常用的信號分析方法 一 頻譜分析法將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號進(jìn)行分析的方法稱為頻譜分析 其理論基礎(chǔ)是傅立葉變換 時域信號的頻譜表示就是把信號分解成一族不同頻率的信號 對于任一個周期為t的信號都有x t x t nT 二 相關(guān)分析法在對動態(tài)信號測量和分析時 由于背景噪聲的影響 信號的周期性將難以呈現(xiàn) 利用相關(guān)分析則可以識別信號的周期性 自相關(guān)函數(shù)是代表一個波形與其自身時移形式之間的相似性度量 互相關(guān)函數(shù)是指兩個基本點不同的時間函數(shù)的相似性的度量 1 自相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)也可以理解為曲線x t 與在時間軸上平移 后得到的曲線x t 的相似性 相似性取決于 的大小 當(dāng) 0時 兩曲線完全相似 2 互相關(guān)函數(shù)互相關(guān)函數(shù)是兩個相關(guān)的隨機函數(shù)x t 和y t 及它們之間相似性Rxy 關(guān)系的函數(shù) 是利用一個信號分析 搜索另一個信號的相似性的方法 三 統(tǒng)計特征分析法信號的統(tǒng)計特征分析又稱為信號的幅值域分析 在各態(tài)歷經(jīng)的假設(shè)前提下 對隨機過程的分析便變成對其任一樣本的統(tǒng)計分析 第五節(jié)汽輪機組常用故障診斷技術(shù)一 振動診斷技術(shù)利用汽輪機組在運行中產(chǎn)生的振動信號進(jìn)行故障診斷 是目前最常用的診斷手段 這主要是由于振動信號中包含了豐富的故障信息 有時還非常直觀 其測試分析的手段 方法和理論比較成熟 易于實現(xiàn)在線實時監(jiān)測和診斷 其中 決定診斷效果的關(guān)鍵是信號分析處理技術(shù) 1 基本原理汽輪機組是旋轉(zhuǎn)機械 其旋轉(zhuǎn)運動是一個激勵源 激勵作用在機械設(shè)備上產(chǎn)生了機械振動 機械振動在機組各部件中傳遞 直達(dá)設(shè)備的表面 因此 機組在工作過程中產(chǎn)生的振動 包含了很多狀態(tài)信息 采集這些振動信號 提取信息 就可以從中診斷出機械設(shè)備及其工作過程的狀態(tài) 2 機械設(shè)備振動測試 1 振動信號的測試原理 上圖是振動信號測試原理圈 用傳感器將機組振動量 位移 速度或加速度 的變化轉(zhuǎn)變成電量 電荷 電壓或電流 的變化 為了能測取各種振動量 測量系統(tǒng)常包含有積分和微分電路 信號經(jīng)放大后可直接分析 記錄或示波 2 振動信號的測取要點 振動信號測取要點主要有 1 根據(jù)被測件的振動頻率選擇傳感器 2 測試前應(yīng)對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定 以保證測量的可靠性 3 選擇測點時應(yīng)注意 測點應(yīng)盡可能靠近被診斷的零部件 測取旋轉(zhuǎn)部件的振動信號一般將傳感器安裝在軸承座上或距軸承承載區(qū)越近越好 傳感器不能安裝在蓋板 軸承蓋之類的輕薄零件上 要盡可能減少傳感器與被測件間的機械分界面 4 安裝傳感器應(yīng)注意 振動頻率較高 如5kHz以上 時 傳感器應(yīng)采用剛性安裝方法 用螺釘連接或用彈力膠黏結(jié) 而不應(yīng)用磁性安裝 用磁座吸附 如果設(shè)備表面較熱 應(yīng)采用云母片等隔熱 5 振動在不同部件 不同方向的傳播特性是不相同的 故應(yīng)在多個位置 多個方向測量振動信號 二 噪聲診斷技術(shù)在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中 所碰到的噪聲有兩類 一類是指一些不規(guī)則的 間歇的或隨機的聲波 另一類是指不希望有的擾動或干擾聲音 有時也包括那些在有用頻帶內(nèi)任何不需要的干擾 在人們所處的某一環(huán)境中 所有噪聲的總和稱為環(huán)境噪聲 當(dāng)觀測研究某噪聲源時 凡與該聲源信號存在無關(guān)的一切干擾 統(tǒng)稱為背景噪聲 1 噪聲信號的測試原理下圖是噪聲信號測量系統(tǒng)示意圖 用傳聲器來拾取機組產(chǎn)生的噪聲信號 并將聲學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號 經(jīng)前置放大后輸入到聲級計 還可以通過信號分析與處理的方法進(jìn)行更為精密的狀態(tài)監(jiān)測和診斷 噪聲信號的測取要點主要有 1 根據(jù)聲壓級合成原理 測取聲信號時 一般要求背景噪聲聲壓級低于被測機組的聲信號10dB以上 如果背景噪聲較大 應(yīng)采用克服聲干擾的手段或技術(shù) 如采用指向性強的傳感器 采用隔聲套 應(yīng)用自適應(yīng)消噪技術(shù)或聲強測量技術(shù)等 2 為進(jìn)一步分析噪聲信號的時域 頻域和倒頻域的構(gòu)成 聲級計應(yīng)采用線性計權(quán) 分析機械設(shè)備噪聲對人的影響 測取與人耳頻率特性根接近的A計權(quán) 3 傳聲器的安裝位置應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定 4 風(fēng) 振動等對噪聲測量都有明顯影響 應(yīng)盡量整免 在汽輪機房內(nèi)測量時 還應(yīng)注意墻壁等反射體的影響 2 噪聲診斷方法利用噪聲的測量與分析進(jìn)行機組監(jiān)測與診斷的主要方法有下列幾種 1 聲強法 用聲強法能區(qū)分聲波究竟是在聲強探頭的前方還是后方 左側(cè)還是右側(cè)人射的 而且這種區(qū)分對每一種頻率成分均可實現(xiàn) 聲強法測量對聲學(xué)環(huán)境沒有特殊的要求 并可在近場測量 既方便又迅速 可以為維修管理提供詳細(xì)而有用的信息 2 相關(guān)函數(shù)法 相關(guān)函數(shù)法是利用兩個或兩個以上的傳聲器組成監(jiān)測陣列單元 通過各傳聲器所測聲源信號兩兩之間的互相關(guān)函數(shù)或互譜 決定信號時差或相位差 并計算聲源到各測點的路程差 由此可確定聲源的位置 這種方法可用于監(jiān)測和診斷壓力容器 如加熱器 除氧器等 和管路 如主蒸汽管道 再熱蒸汽管道 抽汽管道等 的泄漏 3 頻譜分析精密診斷法 頻譜分析是識別聲源的重要方法 對于像汽輪機組這樣的旋轉(zhuǎn)機械而言 一般可在它們的噪聲信號中找到與轉(zhuǎn)速n r min 和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的基波和諧波峰值及其頻率值 可識別主要噪聲 三 聲發(fā)射診斷技術(shù)金屬材料在外載荷作用下產(chǎn)生晶格的滑移變形和孿生變形時會發(fā)生聲發(fā)射 材料中裂紋的形成和擴展過程 不同相界面間發(fā)生斷裂以及復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷的形成也都能成為聲發(fā)射源 聲發(fā)射檢測的基本原理就是根據(jù)物體的發(fā)聲推斷物體的狀態(tài)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化 由于物體發(fā)射出來的每一個聲信號都包含著反映物體內(nèi)部或缺陷性質(zhì)和狀態(tài)變化的信息 聲發(fā)射檢測就是接受這些信號 加以處理 分析和研究 從而推斷材料內(nèi)部的狀態(tài)變化 下圖是聲發(fā)射檢測原理圖 從聲發(fā)射源發(fā)出的聲音信號以彈性波的形式向四周傳播 經(jīng)過耦合劑從材料傳播到傳感器變成電信號 由聲發(fā)射儀器接受并進(jìn)行處理 最后將數(shù)據(jù)顯示出來 聲發(fā)射是材料或零部件的缺陷發(fā)生變化時產(chǎn)生的 所以 聲發(fā)射檢測是一種動態(tài)無損檢測方法 在故障診斷中用以進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和報警 四 紅外診斷技術(shù)1 紅外測溫原理汽輪機組與其他機械設(shè)備一樣 在正常工作時都有額定的溫度 當(dāng)機組的狀態(tài)出現(xiàn)異常時 部件的溫度可能異常 從而引起其紅外輻射的變化 機組部件的紅外輻射變化 可由靈敏的紅外探測儀加以檢測識別 2 常用紅外診斷方法常用的紅外診斷方法有紅外溫度檢測 紅外主動探查和紅外被動探查 紅外溫度檢查就是用紅外測溫儀測量機組部件的溫度 由溫度初步判斷是否存在故障 紅外主動探查