آنالیز ارتعاشات و عیب یابی توربین گاز – مورد پژوهی

مهم ترین سرفصل های این فصل:

در خیلی از شناورها توربین‌های گازی به عنوان ماشین محرکه به کار می‌رود. یک اصل پذیرفته‌ شده در این ماشین‌ها، لرزش آنها
می‌باشد. اندازه‌گیری ارتعاشات اطلاعات زیادی از وضعیت قسمت‌های دورانی و رفت و برگشتی می‌دهد. در پروسه تبدیل انرژی به کار
لازم توسط روتور، نیروهایی در سیستم پدیدار می‌شوند که باعث تحریک قسمت‌های مختلف می‌گردند. تا هنگامیکه این پروسه ثابت
باشد ارتعاشات اندازه‌گیری شده طبیعی خواهند بود، اما در صورت بروز هر گونه خرابی ارتعاشات اضافی خواهیم داشت. به عنوان
مثال هر گونه خمیدگی، عدم بالانس، عدم هم‌راستائی و … در روتورها ایجاد ارتعاشات اضافی می‌نماید. اندازه‌گیری این ارتعاشات
اضافی کمک بسزائی در نوع خرابی می‌کند. وسیله اندازه‌گیری ارتعاشات معمولاً شتاب‌سنج با سرعت‌سنج می‌باشند که در خروجی خود
ولتاژی متناسب با شتاب و یا سرعت تولید می‌کنند.
با بروز ارتعاش در یک توربین گازی تلاش می‌شود به نحوی با این مشکل مقابله شده و میزان ارتعاش را پائین آورد. رفع معایبی
چون نامیزانی (unbalance)، لقی در اتصالات فنداسیون و … معمولاً آسان بوده و هزینه زیادی دربر نخواهد داشت. ولی رفع عیوبی
که نیاز به باز کردن پوسته روتور و یاتاقان داشته باشد همواره پرهزینه می‌باشد. این امر سبب می‌گردد تا مدیران به راحتی تعمیراتی
را که از این گونه باشد نپذیرند، جز آنکه با دلائل کافی، عیب شناسائی شده باشد. تجربه و نیز شناخت کامل از رفتار ارتعاشی
توربوژنراتورها، همواره در این زمینه کارگشا بوده است. توربین گازی مورد مطالعه در این مقاله بعد از تعمیرات اساسی برای مدتی
بدون مشکل کار کرده و سپس برای مدت تقریباً یک ماه متوقف بوده است. پس از توقف در حین کار مشاهده شده است در برخی از
شرایط یاتاقان‌های توربین و کمپرسور دارای مقادیر ارتعاشی بالائی می‌باشند. در این مقاله سعی شده است تا به کمک اندازه‌گیری
ارتعاشات، عیب سیستم مشخص شده و راه‌حل‌هائی جهت رفع آن پیشنهاد گردد.

پارامترهای مهم در آنالیز ارتعاشات و عیب یابی توربین گاز

اندازه‌گیری‌های لازم جهت ارزیابی و شناسائی علل لرزش بیش از حد معمول واحد انجام شد. شکل (1) شماتیک این واحد گازی را نشان می‌دهد.

شکل (1) شماتیک واحدهای گازی

 اندازه‌گیری‌ها در جاهایی که امکان نصب سنسور وجود داشته و نیز میزان ارتعاش بالا بوده صورت گرفته است. همچنین برای
مقایسه، میزان ارتعاش در محل‌های با دامنه ارتعاش پائین و نیز در نقاطی از واحد شماره دو ثبت شده است. علاوه بر اندازه‌گیری
دامنه، در برخی نقاط زاویه فاز نیز ثبت گردیده است. اسپکتروم فرکانسی سیگنال ارتعاشی نیز در موارد ضروری تهیه شده است. برای
مشاهده اثر بار روی رفتار ارتعاشی، اندازه‌گیری در بارهای متفاوت صورت گرفته است. منحنی‌های run up و run down نیز از
بخش‌های دیگر این اندازه‌گیری بوده است.
در مجموع نزدیک به صد مورد اندازه‌گیری در شرایط مختلف صورت گرفته است که آنالیز و تجزیه و تحلیل برخی از آنها در ذیل آمده است.

ارزیابی و تحلیل آنالیز ارتعاشات و عیب یابی توربین گاز

اطلاعات مهم گردآوری شده در بخش قبلی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته‌اند. لازم به یادآوری است که با توجه به محدودیت دمائی
برای سنسورهای ارتعاشی، هیچ گونه اندازه‌گیری روی یاتاقان توربین (BB5، BB4) انجام نشده است. سعی شده است اطلاعات به
شکل زیر دسته‌بندی شده و سپس تجزیه و تحلیل گردد.
– مقادیر ارتعاش عمودی، افقی و محوری
– زاویه فاز
– اسپکتروم فرکانسی
– حرکت مرکز شفت (منحنی لیساژو)
– ارتعاش در run up و run down
– ارتعاشات ثبت شده برای واحد ۲

ارزیابی مقادیر ارتعاش عمودی، افقی و محوری توربین گاز

شکل (۲) و (۳) مقادیر ارتعاش را در نقاط مشابه و شرایط بار و کارکرد یکسان نشان می‌دهند.
شکل (2) مقادیر کلی ارتعاش در محل BB₁، 1) Vertical، 2) Horizontal 14.95MW، ساعت 18:57 تاریخ 12/7/80
شکل (3) مقادیر کلی ارتعاش در محل BB₁، 1) Vertical، 2) Horizontal 15MW، ساعت 11:02 تاریخ 13/7/80

این اندازه‌گیری‌ها جهت بررسی تکرارپذیر بودن رفتار ارتعاشی واحد در شرایط مشابه انجام گرفته است. نتایج بدست آمده نشان
می‌دهد که در شرایط کاری تقریباً مشابه، ارتعاشات عمودی و افقی در ساعت‌های 18:57 یک روز با ساعت ۱۱:۰۲ روز دیگر رفتار بسیار
نزدیک به هم را نشان می‌دهند.
مقایسه شکل (۴) با دو شکل (۲) و (۳) مؤید این امر است که در قبل از گیربکس مقادیر ارتعاشات عمودی از افقی بیشتر است که
این امری غیرعادی بنظر می‌رسد.

شکل (4) مقادیر کلی ارتعاش در محل BB₇، 1) Vertical، 2) Horizontal 15.01MW، ساعت 12:30 تاریخ 13/7/80

در حالی که ارتعاشات افقی در بعد از گیربکس از مقادیر عمودی بیشتر شده است که این امر طبیعی بنظر می‌رسد. از مقایسه همین
سه شکل (۲، ۳ و ۴) می‌توان تا حدی دریافت که عیب واحد بیشتر متوجه قبل از گیربکس می‌باشد. شکل (۵) نشان‌دهنده میزان
ارتعاش نسبتاً بالای محوری در محل BB7 می‌باشد.
با دور شدن از محل خرابی مقادیر ارتعاش بطور قابل ملاحظه‌ای در شکل (۶) روی BB9 کاسته می‌شود.

تأثیر میزان بار بر ارتعاشات عمودی، افقی و محوری توربین گاز

برای بررسی تأثیر بار تلاش شده است تا در باری برابر 20.92MW نیز اطلاعات ارتعاشی ثبت شوند. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهند که
افزایش بار تأثیر بسزائی در مقادیر ارتعاش در یاتاقان‌های BB7 و BB9 نداشته است. در حالیکه مقایسه شکل‌های (۲) و (۸)
نشان‌دهنده تأثیر کم بار روی ارتعاشات عمودی یاتاقان (۱) می‌باشد.

ارزیابی زاویه فاز در آنالیز ارتعاشات و عیب یابی توربین گاز

زاویه فاز بردار ارتعاش نسبت به علامت (mark) موجود روی محور نشانگر آن است که زاویه فاز در شرایط باری و مکانی مشابه، رفتار
مشابهی نشان می‌دهد. با تغییر محل سنسور افقی و تمایل آن به محل سنسور قائم ملاحظه گردید که ارتعاشات غالب عمودی است.
زاویه فاز ۶۶ درجه نسبت به (mark) برای ارتعاشات عمودی تقریباً در اغلب شرایط دیده شده است.

ارزیابی اسپکتروم فرکانسی (Frequency Spectrum) توربین گاز

آنالیز فرکانسی یا اسپکتروم فرکانسی یکی از ابزارهای قوی در تجزیه و تحلیل سیگنال‌های ارتعاشی می‌باشد. در این رابطه اسپکتروم
فرکانسی از سیگنال‌های ارتعاشی تهیه شده و برخی از آنها در این مقاله ارائه شده‌اند.
با توجه به شکل‌ها می‌توان دریافت که اسپکتروم فرکانسی سیگنال‌های ارتعاشی دارای مؤلفه‌های 1×RPM و نیز 2×RPM می‌باشند
که در اغلب موارد مؤلفه 2×RPM کوچک است. مقایسه این شکل‌ها نشان می‌دهد که مؤلفه 2×RPM مربوط به ارتعاشات محوری
بیشتر از مؤلفه مشابه در ارتعاشات قائم و یا افقی می‌باشد شکل‌های (۱۱) و (۱۲) این مقادیر را برای بار کمتر یعنی 10MW و 5MW
نشان می‌دهند که رفتار منحنی تغییر خاصی نکرده است.
شکل (12) اسپکتروم فرکانسی ارتعاشات در محل BB₁، 1) Vertical، 2) Horizontal 5MW، ساعت 01:32 تاریخ 13/7/80
در شکل (۱۳) ارتعاشات روی گیربکس در جهت افقی دارای یک مؤلفه نسبتاً بزرگ در حوالی 800Hz می‌باشد. اندازه‌گیری‌های مختلف
نشان داده است که مؤلفه‌های ارتعاشی در این نقطه پایدار نمی‌باشند هر چند مؤلفه کلی ارتعاش تقریباً ثابت است.

شکل (13) اسپکتروم فرکانسی ارتعاشات روی گیربکس سمت توربین، 1) Vertical، 2) Horizontal 15MW، ساعت 12:33 تاریخ 13/7/80

ارزیابی حرکت مرکز شفت (منحنی لیساژو) توربین گاز

حرکت مرکز شفت نیز کمک شایانی در تعیین عیب روتور می‌نماید. هر چند در این اندازه‌گیری‌ها امکان ترسیم حرکت مرکز شفت وجود نداشته است ولی با تقریب خوبی ترکیب ارتعاشات عمودی و افقی یاتاقان می‌تواند جایگزین حرکت مرکز شفت گردد. در این میان شکل (۱۴) روی یاتاقان BB1 تا حدی نشان‌دهنده misalignment در محور می‌باشد.

شکل (14) اربیت مقادیر اندازه‌گیری شده در محل BB₁، 1) Vertical، 2) Horizontal 15MW، ساعت 12:26 تاریخ 13/7/80

ارتعاشات در run up و run down و آنالیز ارتعاشات و عیب یابی توربین گاز

از آنجا که رفتار ارتعاش در دو مرحله run up و run down نقش بسزائی در تعیین عیب دارند، این منحنی‌ها در شکل‌های (۱۵) و (۱۶) ارائه شده‌اند.

شکل (15) مقدار و زاویه فاز ارتعاشات عمودی کلی در Run down واحد در ساعت 03:13 تاریخ 13/7/80

در شکل اول مقدار و زاویه فاز برای ارتعاشات عمودی داده شده است در حالیکه در شکل (۱۶) مقادیر کلی ارتعاشات داده شده است. بالا رفتن ارتعاش در عبور از سرعت‌های بحرانی امری طبیعی بوده ولی عدم کاهش ارتعاش در run up پس از عبور از سرعت بحرانی و رسیدن به دور نامی، امری غیرطبیعی می‌باشد.

شکل (16) ارتعاشات کلی در Run up واحد 1) Vertical، 2) Horizontal، ساعت 04:10 تاریخ 13/7/80

ارتعاشات ثبت شده برای واحد II

اندازه‌گیری انجام شده روی واحدی مشابه که مشکل ارتعاشی ندارد بیانگر موارد زیر است:
– هم اندازه بودن ارتعاشات عمودی و افقی روی یاتاقان BB1
– تقریباً هم اندازه بودن ارتعاشات روی BB1 و سایر نقاط
– عدم وجود مؤلفه 1×RPM و نیز کوچک بودن مؤلفه 2×RPM

نتیجه‌گیری آنالیز ارتعاشات و عیب یابی توربین گاز

با مراجعه به شکل‌های مربوط به ارتعاشات در نقاط مختلف و هم‌چنین مقایسه ارتعاشات این واحد با واحد مشابه که دارای کارکردی عادی است، نتایج زیر حاصل می‌شود.
– مقادیر ارتعاشی حالت گذرا نداشته و در شرایط مشابه تقریباً تکرار می‌شوند.
– میزان ارتعاشات محوری (Axial) در نقاط مختلف زیاد می‌باشد. هر چند اندازه‌گیری ارتعاشات محوری یاتاقان توربین BB₄ به دلیل بالا بودن درجه حرارت آن امکان‌پذیر نبود.
– میزان ارتعاشات عمودی (Vertical) نسبت به ارتعاشات افقی (Horizontal) بالا می‌باشد.
– میزان بالای ارتعاش واحد در مجموعه قبل از گیربکس یعنی کمپرسور و توربین دیده می‌شود.
– حرکت تقریبی مرکز شفت به صورت  ملاحظه گردیده است.
– مؤلفه‌های غالب 2×RPM , 1×RPM در آنالیز فرکانسی دیده می‌شود.
با توجه به مشاهدات فوق بنظر می‌رسد عامل اصلی خرابی در مجموعه کمپرسور و توربین باشد که بیشتر بصورت عدم هم‌محوری Misalignment و نیز خمیدگی محور (Bent Shaft) در سیگنال‌های ارتعاشی دیده می‌شود.

پیشنهادات برای رفع عیب

• – جهت اطمینان از عدم خرابی یاتاقان‌ها، نمونه روغن جهت آنالیز به آزمایشگاه ارسال گردد.
• – مسیر خنک‌کاری مربوط به Leg Cooling System چک شود.
• – آنالیز ارتعاش توربین و کمپرسور بدون ژنراتور، انجام شود.
• – Rotor Positioning شامل (تنظیم فاصله‌های محوری، Bearing Cold Adjustment و Alignment) انجام شود.
• – شاسی و اتصالات مربوط چک گردند
• – خمیدگی دائمی محور بررسی گردد.
• – گیربکس بازدید گردد.

منبع: مهدي بهزاد، جواد غريب “بكارگيري سيگنالهاي ارتعاشي در شناسائي عيب يك توربين گازي” – سومین همایش ملی صنایع دریایی ایران در سال 1380