本文对一台大型空压机在稳态运行中的数据进行了在线采集，数据分析表明，振动故障类型为周期性同步失稳。总结了该类故障的特性和辩证识别方法，正确及时地诊断出振动的原因是油档积碳，通过临时冷却油档的措施，控制住了振动的波动幅值，安全运行至机组的计划停机。停机检修时验证了结论的正确性。

2013年2月4日，某大型气体集团的一台6万等级的空压机组，机组因非振动原因跳机后重新启机，5日凌晨生产出氧气。2月22日，蒸汽透平两侧轴振动达到报警值引起注意，发现每隔13小时左右振动幅值出现波动，每次波动的幅值先是逐步升高，然后快速下降到正常值。最近波动最大达到73um pp，接近跳机设定值79um pp，因此严重威胁到机组的安全运行，并影响到合同供气，也给下游企业带来连带停产风险。希望在不停机的前提下采集振动数据，分析振动问题产生的原因，提出治理方案，解除报警。

该机组安装的是本特利内华达的3500在线监测保护系统。本特利内华达的故障诊断团队随身携带ADRE408仪器，该仪器是GE新一代的高速动态信号在线采集、分析系统，由ADRE Sxp软件和408 DSPi（Dynamic Signal Procession Instrument 动态数据处理仪）多通道数据采集、处理仪器组成。能边在线采集，边显示和分析，它集成了示波器、频谱分析仪、滤波器、信号调制及数字信号记录仪于同一平台，也特别设计适于网络环境，可通过LAN/WAN远程操作，还可以不依赖计算机独立运行和存储数据。ADRE 408从3500监测系统前面板的缓冲输出采集信号。机组及传感器布置、连线顺序如下图1所示。所有传感器均为本特利8mm XL涡流传感器，灵敏度系数均为7.87V/mm（200mV/mil）。

振动报警、跳机定值

振动定值的设定一般在设备安装调试阶段由设备制造厂商给定。而设备制造厂商根据机器的特性结合国际振动标准确定振动定值。目前设定的报警、跳机定值如表1所示。

振动分析

图2所示为测试期间空压机和汽轮机上所有测点的振动通频趋势。可以看出，两次振动波动间隔约为13小时。振动波动发生在汽轮机上，最大波动发生在两侧轴承的同一方向上（VXI1001、VXI1002）。图3是其中一侧VXI1001测点（另一侧测点图谱、特征相同）的通频和1×倍频的趋势图，从图中可以看到，振动的主要成分是1×倍频。对应的频谱图见图4，进一步说明波动的主要频率为与转速相同的同步振动，频谱分辨率足够高。用户的DCS数据也确认这种同步波动具有周期性，约为13小时。期间运行的工艺参数包括转速没有改变，机组在稳态下运行。

故障诊断工程师在现场都经历过或听说过失稳或波动的问题。最典型的失稳是流体诱导失稳，如油膜涡动、油膜震荡；或者空气动力失稳，如旋转失速、喘振、气流激振等。

处理失稳问题，诊断工程师常常非常关注频域的图谱（一般地，看看振动特征分量是不是接近或者正好转速的分数倍频，即次谐波，如1/2×,1/4×），振动进动方向（正进动或者反进动），轴心轨迹运动，与转速的相关关系，以及轴系的临界转速等（很多失稳类型的推论是，当前转速的次谐波频率正好与转子的某阶临界转速相同，重新激起并发生了共振）。

稳态条件下汽轮机的同步性周期失稳（波动）问题不是很常见，但很有意思。实际故障诊断应用中能准确判断，研究得透彻的不多，容易形成误判，带来不必要的时间浪费和经济损失。与次谐波失稳一样，导致同步失稳的原因有多种，针对不同的原因，采取的措施迥异。

概括来讲，导致这种同步失稳的原因有4种，即周期性的转动部件脱落或外来物冲击和粘附、拍振、Morton效应和轻摩擦。

周期性的转动部件脱落，在脱落发生后，振动不会恢复，极其偶然的情况下才会在上次脱落的对面也脱落，振动恢复，这样的原因应该只存在于理论中。对于外来物的周期性的冲击或者粘附-脱落倒是可能的。现实中有阀门堵塞，叶片受到间隔一定时间的周期性水击的案例；外来过滤材料隔段时间脱落一块，卡在叶片间；气体中含有固体，粘附在叶片上的某个固定位置，积累到一定程度后在离心力作用下周期性脱落；空心转子内部带液，液体的周期性的缓慢移动，导致1×周期性变化。

拍振可以通过高分辨率的频谱图和窄带跟踪频率采样识别出来。常见于两个相邻的感应电机拖动的机器相互影响产生，处理措施是隔断两个机组的振动传递；另一种情况是螺杆离心机，因为转筒和螺杆的转速不同，在不平衡过大等因素的条件下，发生拍振，处理措施是减小转动部件的不平衡量。本案例是精确的1×倍频振动，也不具备拍振条件，这里不详细讨论。

Morton效应是近几年认识并验证的故障原因，是在特定条件下，因为滑动轴承内部的油膜粘性剪切力作用产生热点并连续变化，导致转子热弯曲形成的。特点是单纯的同步失稳波动，但趋势和相位变化平缓、连续。转子和轴承不一定发生了摩擦，识别起来不容易。处理措施较为复杂，通过降低转子的不平衡、改变轴承的间隙和润滑条件可以将振动降下来。

轻摩擦与上述的Morton效应机理很接近，因而误判较多。特点是可以发生在机组的任何位置，有直接的动静摩擦，摩擦产生热弯曲，振动趋势和相位也都出现周期性波动，频率也是精确地1×倍频，即同步失稳。摩擦条件消失时振动降低，甚至到达正常值并维持较长时间。不同的是波动较为突兀，没有Morton效应那么平缓和连续。处理方法是找到动静摩擦的原因，并有针对性地消除。

在本案例中，转子部件的松脱或者外来物质的粘附，稳态下能带来同步振动的变化，但一般不会产生波动（部件松脱后，转子平衡被破坏，但振动幅值不可逆，难有周期性波动）。外来细小物质粘附，一般较为均匀，大质量物质粘附后如同部件松脱，不可逆，难重现，特殊和偶然的情况下，可能会有波动，但没有本案例这么强的周期性。用户也一致认为，转子内部积液，固体粘附不大可能，冲击源也没有。

图2、图3的趋势说明波动是突兀的，不平缓的，另一个明显特征表现在同步极坐标图上，图6的同步极坐标图示出了明显的不平缓、不连续的圆圈，每圈变化较大。与轻摩擦的表现特征相符。轻摩擦振动波动的幅值有限，如果是重摩擦，振动幅值会快速达到跳机值。振动幅值能自动下降到正常值，并保持较长时间，说明导致摩擦的条件消失后（一般往往是动静间隙增加了），重建需要一定的条件和时间。摩擦一般较易发生在密封位置。所以轴密封或者油挡密封摩擦最值得怀疑，而油挡密封更容易发生并得到验证，因为油挡处温度较高，润滑油容易积碳，特定情况下容易产生较大的轻摩擦。静止部件结垢到一定程度后，引起动静间隙减小，加上转子的原始不平衡等因素，使得同步1×倍频分量增大，上述两个因素，产生摩擦，并且摩擦的位置是转子的同一位置（热点），经过静子的同一位置，每转碰磨一次造成振动。轴密封有可能具备同样的条件，但可能需要停机开盖，检查确认较为困难。所以决定先检查油挡是否积碳摩擦。

要求现场工程师用点温仪立即测试，发现振动大的机组在同样的油挡位置，温度明显高，初步加强了对油挡密封积碳的怀疑，也很好解释了为什么振动突然减小，以及油挡重新积碳到一定量需要较长时间，所以较长时间振动正常。

初步判断油挡积碳是主要原因后，建议用户或者隔断汽轮机与轴承座间的热传递，或者对油挡位置冷却。现场采用了易于实现的通仪表风冷却油挡的办法，很快振动幅值大为下降，并且过去13小时以上没有明显的振动波动，振动得到控制，机组安全运行到几个月后的大修，避免了最初预计的停机和打开汽轮机检修的大动作，节省了时间，大大减小了经济损失。

结论

本特利的数据采集系统能提供强大的在线数据采集和数据分析功能，系统对同步振动波动失稳的正确分析和特征识别是及时和准确的。