海洋石油设施燃气轮机齿轮箱的状态监测方法研究及应用

刘 超

中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452

燃气轮机发电机通常用作海洋石油设施（包括海洋石油平台、浮式储油装置和FPSO）的主电站，为生产和生活设施提供电力能源，以保证设施正常、连续、安全地进行生产。燃气轮机发电机系统传动链一般为：燃气轮机→减速齿轮箱→发电机，其中减速齿轮箱在该系统中发挥传递扭矩、变换转速的作用。

经调研统计，某海域海洋石油设施拥有70余台燃气轮机/齿轮箱，其中与SOLAR TURBINE配套使用的ALLEN ASG32和ACSG32燃气轮机齿轮箱占60%以上，该类型齿轮箱维保过程中存在未按ALLEN工作指导手册中“累计运行时间3万h后实施内窥检查及振动与噪音监测，累计运行6万h后实施解体检查”规定执行的情况。随着运行时间不断累积，故障停机风险也随之不断增加。

为保证设备持续稳定健康运转，改变原有故障性维修的思维，减少因齿轮箱突发故障造成的非计划性停机和由此带来的经济损失，有必要对该型号燃气轮机齿轮箱进行研究，制订一套可行的状态监测及评估方法，即通过了解齿轮箱的基本参数及海洋石油设施现场运转情况，有针对性地制订该类型燃气轮机齿轮箱的状态监测及评估方法，通过监测及评估为燃气轮机齿轮箱检修方案的制订提供决策依据。

1 齿轮箱现场运转情况统计及分析

通过对现场74台燃气轮机齿轮箱运转情况进行统计分析后发现：部分燃气轮机存在润滑油泄漏、振动幅值攀升、异常噪音等问题；随着齿轮箱累计运行时间的增长，相关问题显现的频次随之增加。

例如，对某作业公司28台燃气轮机齿轮箱（ALLEN ASG32共4台，ACSG32共24台） 的累计运行时间（见图1）及现场运转情况统计分析发现：累计运行时间超过6万h甚至12万h的燃气轮机齿轮箱的振动幅值较其他设备大，部分已接近甚至超过预警值；且异常噪音、滑油泄漏比例超过其他累计运行时间相对较少的齿轮箱，这些齿轮箱视为重点关注及待检修对象。

图1 28台齿轮箱累计运行时间

2 齿轮箱状态监测及评估方法

ALLEN ASG32燃气轮机齿轮箱广泛用于SOLAR MARS100燃气轮机发电机系统，ALLEN ACSG32燃气轮机齿轮箱广泛用于SOLAR TITANS130燃气轮机发电机系统。根据齿轮箱基本参数及内部构造，结合ALLEN工作指导手册，对燃气轮机齿轮箱实施振动监测、内窥检查、油品检测等监测工作，通过监测数据分析客观评估燃气轮机齿轮箱状况，为燃气轮机齿轮箱大修计划及方案制订做准备。

2.1 燃气轮机齿轮箱振动监测方法

2.1.1 齿轮箱振动数据采集

根据啮合频率等参数，使用Machine Analyst振动数据分析软件进行组态。使用SKF Microlog数据采集器在齿轮箱的输入（高速）端P1和输出（低速）端P2尽可能地靠近轴承座处，采集水平（H）、垂直（V）、轴向（A）三个方向的振动数据，如图4所示。振动数据包括：振动加速度值Acc、振动加速度包络值Env、振动速度值Vel和振动位移值Dis。

图2 燃气轮机齿轮箱振动监测测点示意

2.1.2 齿轮箱振动数值分析

根据测量的加速度及速度幅值，参照速度/加速度值的评价标准（见表1），初步判断并了解齿轮箱的整体运转状况，关注机组后续运转趋势，做好连续监测或检修准备，必要时实施检修[1]。

表1 速度/加速度值的评价标准

2.1.3 齿轮箱振动信号分析

齿轮箱正常运转时振动信号（各轴的转频和啮合频率）平稳，发生故障时，根据振动信号频率成分和幅值的变化特点，借助Machine Analyst振动数据分析软件对所采集的数据进行分析，评估齿轮箱状态，判断齿轮箱故障。在燃气轮机系统，最常见的齿轮箱故障有：齿形均匀磨损、断齿、轴不对中等[2-5]。

2.2 燃气轮机齿轮箱内窥检查

使用工业内窥镜系统对齿轮箱内部齿轮啮合情况进行检查，可以直观掌握、评估齿轮箱内部关键零部件磨损情况，齿轮内窥镜监测评估标准如表2所示。

表2 齿轮内窥镜监测评估标准

2.3 燃气轮机齿轮箱油品检测

润滑工作是燃气轮机齿轮箱管理的基础工作之一，良好的润滑状态有利于保障齿轮箱的可靠运行、性能改善、降低摩擦功耗、减少温升和磨损及润滑剂的消耗量，反之润滑失效极易造成轴承、齿轮等关键零部件的过度磨损。

通过润滑油检验监测手段可以及时了解齿轮箱润滑状态，必要时进行润滑油更换及实施机组润滑系统检查，保障齿轮箱处于良好润滑状态。

3 实例分析

按照海洋石油设施燃气轮机齿轮箱状态监测评估方法，对海洋石油平台所用两种型号燃气轮机（ALLEN ASG32和ACSG32）的齿轮箱进行振动监测、内窥检查和润滑油检验等监测，根据监测结果评估齿轮箱运转状态。

3.1 振动监测及评估

经监测，图3为某ALLEN ASG32型号燃气轮机齿轮箱高速端轴瓦处垂直（V）向振动监测信息，其加速度峰值为329.3 m/s2，啮合频率3 445 Hz和二倍频率6 890 Hz处幅值最大分别为239.7 m/s2和25.6 m/s2。结果显示该设备的振动值超标，已经威胁到机组的正常运行，应及时安排检修。齿轮的啮合频率及其谐波的幅值最大同样说明机组轴瓦、齿轮等关键零部件出现较明显的磨损，处于正常磨损阶段向剧烈磨损阶段的过渡期。

图3 AL L ENASG32燃气轮机齿轮箱振动监测信息

某ALLEN ACSG32型号燃气轮机齿轮箱高速端轴瓦处水平（H）向振动监测信息显示，其加速度峰值144.9 m/s2，其中二级行星轮/齿圈啮合频率2 575 Hz及二、三、四、五、六倍频率幅值明显，二倍频率5 148 Hz处最大幅值114.7 m/s2；太阳轮/一级行星轮啮合频率7 648 Hz处最大幅值45.05 m/s2。该设备的振动加速度值接近预警值，应引起重点关注或做好检修准备。齿轮的啮合频率及其谐波的幅值最大同样说明机组轴瓦、齿轮等关键零部件出现较明显的磨损，处于正常磨损阶段向剧烈磨损阶段的过渡期。

3.2 内窥检查及评估

图4为某平台3台（A、B、C）ALLENACSG32型号燃气轮机齿轮箱内窥检查结果及评估情况，相关等级说明见表2。其中B机内齿圈有明显啮合横纹，C机行星轮出现明显啮合亮斑，即出现了目视可见的清晰磨损，初步判断相关部件已处于点蚀形成初期，已建议设施关注齿轮箱运行振动、噪音等变化趋势。

图4 某平台3台燃气轮机齿轮内窥镜检查结果及状态评估

3.3 滑油检验及评估

根据理化指标、污染指标检测确定油品状态、机组润滑状态，根据光谱分析结果确定设备磨损状态。进而提出建议：油品继续使用、加强过滤净化处理、更换清洁滤芯、更换滑油。

综合振动监测、内窥检查、润滑油检验等监测数据，可以客观评估齿轮箱状况，为检维修计划的制订及实施提供依据。

4 结论及展望

由于海洋石油设施燃气轮机实际工作功率普遍处于80%额定功率的水平，有时也会出现低于50%的情况，造成等效运行小时低于累计运行小时的现象普遍存在。基于海洋石油设施的特殊工况，一方面相关设施未按照厂家工作指导手册规定实施机组解体大修，另一方面如果抛开工作手册中的指导建议实施故障性维修，极易扰乱设施生产计划，同时必因设备非计划停机带来经济损失。

开展海洋石油设施燃气轮机齿轮箱状态监测方法的研究及应用，有助于设备维保人员客观评估齿轮箱状况，使设施管理人员及时掌握齿轮箱运转状态，可为燃气轮机齿轮箱维修计划及方案的制订提供决策性依据。

虽然采用振动监测、内窥检查、润滑油检验等状态监测及评估方法能够从某种程度上掌握齿轮箱阶段性运转状态，但是这种非连续的检测手段效果受时间间隔及监测频次的限制，仍不理想。因此应根据齿轮箱现场环境综合考虑设备重要性、相关零部件强度校核结果等因素，开发在线监测系统，这对于实现机组状态实时监测具有重要意义。