一种基于振动特征信息的高中压转子裂纹识别方法与流程

本发明属于动力机械工程领域，涉及一种基于振动特征信息的高中压转子裂纹识别方法。

背景技术：

近年来，许多大型汽轮发电机组在供电市场的压力下，纷纷参与电网的“深度调峰”和“快速启停”改造。这就使得汽轮发电机组冷、热态交变运行成为常态，高中压转子频繁地承受着这种交变应力的冲击，由此产生的低周疲劳损伤已开始显现，已有多台机组发生了高中压转子裂纹，并造成了重大的经济损失和恶劣的社会影响。

目前，汽轮发电机组的转子裂纹检查都是在停机检修时，对转子进行金属探伤试验。但实践表明，高中压转子轴封、叶轮根部等特殊结构部位，会影响仪表的损伤检测结果，有时可能无法探出已存在的裂纹，特别对近年来一些转子裂纹是由内部出现并逐渐向外扩展的情形。此外，裂纹的扩展速度是呈非线性特征，最后阶段发展很快，还未等到机组停机检查，裂纹已发展到严重影响机组安全运行的危险程度。因此，探寻及时、准确、可靠的高中压转子裂纹识别方法的研究是十分必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于振动特征信息的高中压转子裂纹识别方法，该方法能够及时、准确的识别高中压转子的裂纹。

为达到上述目的，本发明所述的基于振动特征信息的高中压转子裂纹识别方法包括以下步骤：

1)在高中压转子冷态启动前及热态停机后，检测盘车状态下高中压转子的晃度，然后将检测到的高中压转子的晃度与预设转子裂纹阈值进行比较，当高中压转子的晃度大于等于预设转子裂纹阈值时，则转至步骤2)，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹；

2)对冷态启动和热态停机过程中的高中压转子振动进行测试，提取冷态启动和热态停机过程中高中压转子的振动特征值，再根据提取出的高中压转子的振动特征值初步判断高中压转子是否出现裂纹，当初步判断出的结果为高中压转子出现裂纹时，则转至步骤3)，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹；

3)对运行过程中的高中压转子振动进行测试，并对运行过程中高中压转子的振动特征进行趋势分析及频谱分析，以复核高中压转子是否存在裂纹，当复核结果为高中压转子出现裂纹时，则转至步骤4)，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹；

4)对变主蒸汽温度及主蒸汽压力试验中的高中压转子振动进行测试，提取变参数试验中高中压转子的振动特征值，再根据变参数试验中高中压转子的振动特征值判断高中压转子是否出现裂纹，并将判断结果作为高中压转子是否出现裂纹的最终结果。

步骤4)之后还包括：对高中压转子进行现场动平衡试验，得高中压转子的加重影响系数，然后根据所述高中压转子的加重影响系数进一步校核高中压转子是否存在裂纹。

步骤1)的具体操作为：

11)在高中压转子前端裸露轴上或者与该裸露轴相连接的主油泵轴上设置百分表，在5min-10min内，通过百分表测量冷态启动前及热态停机后高中压转子在盘车状况下的多组晃度数据；

12)计算步骤11)测量得到的多组晃度数据的均值h，并将计算结果作为冷态启动前及热态停机后高中压转子的晃动测量结果；

13)当冷态启动前与热态停机后高中压转子的晃动测量结果之差小于等于冷态启动前高中压转子晃度的30％时，即|h冷态启动前-h热态停机后|/h冷态启动前×100％≤30％，则转至步骤2)，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹。

步骤2)的具体操作为：

21)利用汽轮发电机组随机配备的tsi系统，通过二次仪表测量冷态启动及热态停机过程中高中压转子的振动数据；

22)对步骤21)测量得到的冷态启动及热态停机过程中高中压转子的振动数据进行频谱分析，提取一倍频分量及二倍频分量；

23)对冷态启动及热态停机过程中高中压转子的振动数据进行分析，提取振动特征指标，所述振动特征指标包括临界转速、临界转速区域的一倍频振动峰值及副临界转速区域的二倍频振动峰值；

24)比较冷态启动与热态停机过程中的振动特征指标，当冷态启动的临界转速ωn与热态停机过程中的临界转速ω′n满足ωn-ω′n>150r/min时、冷态启动临界转速区域的一倍频振幅峰值a1与热态停机过临界转速区域的一倍频振幅峰值a′1满足时或者热态停机过程中的副临界转速区域的二倍频振幅峰值a2超过50μm时，则初步判断得出高中压转子出现裂纹，并转至步骤3)，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹。

步骤3)的具体操作为：

31)在机组正常带负荷运行过程中，寻找可稳定运行的最高负荷w工况，保证在该工况下的蒸汽参数处于运行规程规定的标准值；

32)将机组稳定在负荷w下运行8h，保持主蒸汽参数、再热蒸汽参数及排汽缸参数不变，测量该过程中高中压转子的振动数据；

33)对步骤32)测量得到的高中压转子的振动数据进行频谱分析及趋势分析，当振动数据中的一倍频成分超过预设值，且振动存在逐步爬升现象时，则启动设定时间的振动趋势分析；

34)利用汽轮发电机组随机配备的dcs系统或tdm系统，调用最近一个月连续运行的振动数据进行趋势分析，当高中压转子的振动为逐步爬升或一倍频振动相位存在60°以上的不可逆跳变现象时，则表明高中压转子存在裂纹，并转至步骤4)，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹。

步骤4)的具体操作为：

41)在机组正常带负荷运行过程中，寻找可稳定运行的最高负荷w工况，并保证在此工况下的蒸汽参数处于运行规程规定的标准值，稳定运行0.5h后，得试验前工况s1；

42)将机组稳定在工况s1下，测试工况s1下的高中压转子0.5h以上的振动数据，并求得振幅平均值

43)将机组稳定在工况s1下，保持其他参数不变，同时在保证蒸汽过热度的前提下，缓慢降低主蒸汽温度5℃，并维持此工况0.5h，得试验工况s2；

44)将机组稳定在工况s2下，测试工况s2下高中压转子0.5h的振动数据，并求得振幅平均值

45)将机组恢复至工况s1下，并保持其他参数不变，缓慢降低主蒸汽压力10％，并维持此工况0.5h，得试验工况s3；

46)将机组稳定在工况s3下，测试工况s3下高中压转子0.5h的振动数据，并求得振幅平均值

47)当或时，则说明高中压转子出现裂纹，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹。

51)将机组稳定在定速工况s下，测试工况s下高中压转子前后轴承的一倍频振动矢量数据a及b；

52)求解高中压转子在一阶临界转速与二阶临界转速之间运行时的一阶振型分量及二阶振型分量

52)根据一阶振型分量及二阶振型分量的大小，在停机期间在高中压转子的两端平衡螺孔中加一阶配重矢量或二阶配重矢量q；

53)启动机组，并将机组稳定在定速工况s下，测试加重后高中压转子前后轴承的一倍频振动矢量数据a′及b′；

54)计算加重后转子的一阶振型分量及二阶振型分量

55)计算一阶振型影响系数及二阶振型影响系

56)当步骤55)计算得到的一阶振型影响系数超过预设经验影响系数α′150％以上、步骤55)计算得到的二阶振型影响系数超过预设经验影响系数α′250％以上、一阶振型影响系数的角度变化相对于预设一阶振型影响系数的角度超过60°或者二阶振型影响系数的角度变化相对于预设二阶振型影响系数的角度超过60°时，则说明高中压转子出现裂纹，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于振动特征信息的高中压转子裂纹识别方法在具体操作时，通过对机组启停过程、定速运行过程、变参数及动平衡试验过程的高中压转子振动特征指标进行提取分析，以识别高中压转子早期裂纹故障，特别是高中压转子内部裂纹故障，避免高中压转子在运行中断裂的灾难性事故，操作简单，准确性及实时性较高。

进一步，本发明直接采用汽轮发电机组随机配备的dcs系统和tdm系统数据，无需额外仪表设备，便于现场实施，且识别结果可靠，已在实践中多次成功识别出转子裂纹故障，为电厂创造了巨大的经济和社会效益。

附图说明

图1为在机组带负荷运行过程中高中压转子振动趋势图；

图2为高中压转子裂纹的示意图；

图3为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图3，本发明所述的基于振动特征信息的高中压转子裂纹识别方法包括以下步骤：

1)在高中压转子冷态启动前及热态停机后，检测盘车状态下高中压转子的晃度，然后将检测到的高中压转子的晃度与预设转子裂纹阈值进行比较，当高中压转子的晃度大于等于预设转子裂纹阈值时，则转至步骤2)，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹；

步骤1)的具体操作为：

11)在高中压转子前端裸露轴上或者与该裸露轴相连接的主油泵轴上设置百分表，在5min-10min内，通过百分表测量冷态启动前及热态停机后高中压转子在盘车状况下的多组晃度数据；

12)计算步骤11)测量得到的多组晃度数据的均值h，并将计算结果作为冷态启动前及热态停机后高中压转子的晃动测量结果；

13)当冷态启动前与热态停机后高中压转子的晃动测量结果之差小于等于冷态启动前高中压转子晃度的30％时，即|h冷态启动前-h热态停机后|/h冷态启动前×100％≤30％，则转至步骤2)，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹。

2)对冷态启动和热态停机过程中的高中压转子振动进行测试，提取冷态启动和热态停机过程中高中压转子的振动特征值，再根据提取出的高中压转子的振动特征值初步判断高中压转子是否出现裂纹，当初步判断出的结果为高中压转子出现裂纹时，则转至步骤3)，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹；

步骤2)的具体操作为：

21)利用汽轮发电机组随机配备的tsi系统，通过二次仪表测量冷态启动及热态停机过程中高中压转子的振动数据；

22)对步骤21)测量得到的冷态启动及热态停机过程中高中压转子的振动数据进行频谱分析，提取一倍频分量及二倍频分量；

23)对冷态启动及热态停机过程中高中压转子的振动数据进行分析，提取振动特征指标，所述振动特征指标包括临界转速、临界转速区域的一倍频振动峰值及副临界转速区域的二倍频振动峰值；

24)比较冷态启动与热态停机过程中的振动特征指标，当冷态启动的临界转速ωn与热态停机过程中的临界转速ω′n满足ωn-ω′n>150r/min时、冷态启动临界转速区域的一倍频振幅峰值a1与热态停机过临界转速区域的一倍频振幅峰值a′1满足时或者热态停机过程中的副临界转速区域的二倍频振幅峰值a2超过50μm时，则初步判断得出高中压转子出现裂纹，并转至步骤3)，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹。

3)对运行过程中的高中压转子振动进行测试，并对运行过程中高中压转子的振动特征进行趋势分析及频谱分析，以复核高中压转子是否存在裂纹，当复核结果为高中压转子出现裂纹时，则转至步骤4)，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹；

步骤3)的具体操作为：

31)在机组正常带负荷运行过程中，寻找可稳定运行的最高负荷w工况，保证在该工况下的蒸汽参数处于运行规程规定的标准值；

32)将机组稳定在负荷w下运行8h，保持主蒸汽参数、再热蒸汽参数及排汽缸参数不变，测量该过程中高中压转子的振动数据；

33)对步骤32)测量得到的高中压转子的振动数据进行频谱分析及趋势分析，当振动数据中的一倍频成分超过预设值，且振动存在逐步爬升现象时，则启动设定时间的振动趋势分析；

34)利用汽轮发电机组随机配备的dcs系统或tdm系统，调用最近一个月连续运行的振动数据进行趋势分析，当高中压转子的振动为逐步爬升或一倍频振动相位存在60°以上的不可逆跳变现象时，则表明高中压转子存在裂纹，并转至步骤4)，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹。

4)对变主蒸汽温度及主蒸汽压力试验中的高中压转子振动进行测试，提取变参数试验中高中压转子的振动特征值，再根据变参数试验中高中压转子的振动特征值判断高中压转子是否出现裂纹，并将判断结果为高中压转子出现裂纹时，则转至步骤5)；

步骤4)的具体操作为：

41)在机组正常带负荷运行过程中，寻找可稳定运行的最高负荷w工况，并保证在此工况下的蒸汽参数处于运行规程规定的标准值，稳定运行0.5h后，得试验前工况s1；

42)将机组稳定在工况s1下，测试工况s1下的高中压转子0.5h以上的振动数据，并求得振幅平均值

43)将机组稳定在工况s1下，保持其他参数不变，同时在保证蒸汽过热度的前提下，缓慢降低主蒸汽温度5℃，并维持此工况0.5h，得试验工况s2；

44)将机组稳定在工况s2下，测试工况s2下高中压转子0.5h的振动数据，并求得振幅平均值

45)将机组恢复至工况s1下，并保持其他参数不变，缓慢降低主蒸汽压力10％，并维持此工况0.5h，得试验工况s3；

46)将机组稳定在工况s3下，测试工况s3下高中压转子0.5h的振动数据，并求得振幅平均值

47)当或时，则说明高中压转子出现裂纹，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹。

5)对高中压转子进行现场动平衡试验，得高中压转子的加重影响系数，然后根据所述高中压转子的加重影响系数进一步校核高中压转子是否存在裂纹。

步骤5)的具体操作为：

51)将机组稳定在定速工况s下，测试工况s下高中压转子前后轴承的一倍频振动矢量数据a及b；

52)求解高中压转子在一阶临界转速与二阶临界转速之间运行时的一阶振型分量及二阶振型分量

52)根据一阶振型分量及二阶振型分量的大小，在停机期间在高中压转子的两端平衡螺孔中加一阶配重矢量或二阶配重矢量q；

53)启动机组，并将机组稳定在定速工况s下，测试加重后高中压转子前后轴承的一倍频振动矢量数据a′及b′；

54)计算加重后转子的一阶振型分量及二阶振型分量

55)计算一阶振型影响系数及二阶振型影响系

56)当步骤55)计算得到的一阶振型影响系数超过预设经验影响系数α′150％以上、步骤55)计算得到的二阶振型影响系数超过预设经验影响系数α′250％以上、一阶振型影响系数的角度变化相对于预设一阶振型影响系数的角度超过60°或者一阶振型影响系数的角度变化相对于预设二阶振型影响系数的角度超过60°时，则说明高中压转子出现裂纹，否则，则说明高中压转子没有出现裂纹。

本发明已经应用于以下项目中，具体如下：

针对大唐武安发电有限公司300mw机组振动问题，利用本发明成功识别出转子裂纹故障，并在停机后的检查中，发现：在高中压转子调节级应力释放槽(外径668mm)底部r角位置发现裂纹，裂纹长度已达2/3周长，最深处达到194mm。

针对神华神东电力有限责任公司莎拉齐电厂300mw机组振动问题，利用本发明成功识别出转子裂纹故障，并在停机后的检查中，发现：在高压第2级前转轴凹槽处(外径650mm)发现裂纹，裂纹长度覆盖了全周长，最大裂纹深度已达到转轴半径的58％。

现以大唐武安发电有限公司300mw机组高中压转子裂纹故障为例，详细介绍了应用本发明对转子裂纹故障识别的全过程，以说明本发明的有效性和适用性。

在高中压转子的测量盘上安装百分表，对盘车状态下的高中压转子的晃度进行测量，表1列出了冷态启动前、热态停机后的盘车工况下，在5min内、每隔1min记录一次晃度数据。可以看出，两种工况下的晃度差值仅为冷态启动前晃度的5％左右，因此决定启动裂纹故障诊断。

表1

表2列出了启停机过程中的高中压转子振动特征指标，可以看出：相比于冷态启动过程，热态停机过程中的临界转速下降150r/min以上，临界转速区域的一倍频振动峰值增大率已远超100％，副临界转速区域的二倍频振动峰值超过50μm，据此得出该高中压转子存在裂纹的初步结论。

表2

图1列出了对运行过程中及变主汽参数试验中的高中压转子振动特征参数趋势，可以看出：尽管机组运行参数基本不变，但高中压转子振动始终处于缓慢爬升中；在降主汽温度试验中，高中压转子振动增大了50μm左右，在降主汽压力试验中，高中压转子振动降低了35μm左右，均大于裂纹判断阈值30μm，因此，可以判定该高中压转子存在裂纹故障。

2019年07月，利用机组停机检修的机会，在高中压转子两侧螺孔上加一组二阶配重，即前后螺孔各加重290g∠105°、290g∠285°，但动平衡效果不佳，参考表3。显然，与该转子加重经验影响系数相比，本次加重x向、y向影响系数的大小分别变化了53％和56％、角度分别变化了64°和93°，这也验证了该高中压转子存在裂纹故障。

表3

2019年07月23日，揭开高中压缸，发现在高中压转子调节级应力释放槽(外径668mm)底部r角位置发现裂纹，裂纹长度已达2/3周长，最深处达到194mm，参考图2。