王輝斌，吳長利，鄒桂麗，盧文秀，褚福磊，陳貞石，朱 俊，任繼順，陳 偉

（1. 湖南省電力公司試驗研究院 湖南 長沙，410007；2. 清華大學 北京，100084；3. 東江水電廠 湖南 郴州，423403； 4. 北京奧技異電氣技術研究所 北京，100084；）

1 前言

近年來，隨著國家能源政策的調(diào)整，水電建設得到了重視。隨著大型水利樞紐工程的興建以及大中型水電廠的相繼建成投產(chǎn)，水電在整個電網(wǎng)中的比重越來越大，水輪機運行的安全性和穩(wěn)定性問題日顯突出。因此，對水輪機開展狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術也顯得越來越必要和迫切。

目前，在越來越多的水電廠都已經(jīng)安裝了基于振動的故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)。但是傳統(tǒng)的振動診斷也有許多局限性：例如監(jiān)測定子鐵心的運行狀態(tài)一般采用加速度傳感器，但有限的監(jiān)測傳感器往往難以準確地診斷出定子鐵心的某一部位故障；又如水輪機過流部件的裂紋、空化以及卡門渦，以常規(guī)振動方式（如擺度、振動位移、脈動等）進行測量往往難以捕捉到故障信號、實現(xiàn)對故障點進行直接監(jiān)測。為了更好地對水輪機運行狀態(tài)進行監(jiān)測和評價，需要一種新的技術和方法。利用聲發(fā)射信號對水輪機的狀態(tài)進行監(jiān)測和故障診斷，正是基于這一需求而發(fā)展起來的新技術。

聲發(fā)射又稱應力波發(fā)射，聲發(fā)射檢測技術是無損檢測中的一種新方法，它是通過檢測材料在受到外力作用下變形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞而產(chǎn)生的高頻應力波信號的診斷方法。典型的聲發(fā)射信號的頻率范圍為20kHz～1MHz，金屬材料的聲發(fā)射信號范圍在20kHz～300kHz。聲發(fā)射信號檢測提取的是高頻的振動信號，能夠有效地避開低頻信號的干擾，因此對故障特征的提取和分析非常有效。聲發(fā)射檢測方法現(xiàn)已在石油化工工業(yè)、電力工業(yè)、材料試驗、民用工程、航空航天工業(yè)、金屬加工、交通運輸業(yè)等領域得到了廣泛地應用。

聲發(fā)射技術研究是現(xiàn)行的水電機組常規(guī)振動測試研究的補充和發(fā)展。現(xiàn)在水電行業(yè)普遍應用的振動測試儀的測試分析能力一般在200～500Hz，以目前的測試儀不適合于分析超聲波段的高頻聲發(fā)射信號，因此水輪機故障的聲發(fā)射監(jiān)測及診斷技術的研究，對提升水輪機運行狀態(tài)的監(jiān)測水平、拓展故障診斷手段，以及確保水輪機的安全穩(wěn)定運行，都具有重要的意義。

2 幾種典型水輪機故障的聲發(fā)射機理研究

水輪發(fā)電機組在運行過程中，幾種常見故障如碰摩、裂紋、基座松動、軸承故障以及空蝕空化等都會產(chǎn)生聲發(fā)射信號。

（1）基于聲發(fā)射信號的空化狀態(tài)診斷機理研究

水輪機運行過程中發(fā)生的空化空蝕現(xiàn)象對水輪機的運行安全和運行效率產(chǎn)生極大的影響?？栈且后w在一定溫度下降低壓力使液體汽化的現(xiàn)象，液體發(fā)生空化的過程是在極短的時間內(nèi)突然發(fā)生，使液體連續(xù)性遭到破壞，在液體中形成充滿蒸汽或氣體的空泡。如果液體是流動的，這些空泡將隨液體一起運動，空泡的尺寸將隨液體內(nèi)部壓力的降低而漲大。當氣泡進入高壓區(qū)時，泡內(nèi)的水蒸氣將凝聚，氣體將被溶解，氣泡很快潰滅消失?？张轁鐣r產(chǎn)生極高的壓力并伴隨有高溫、放電、化學反應產(chǎn)生。同時在空化的產(chǎn)生和壓縮、膨脹過程中，將產(chǎn)生高頻噪聲和壓力脈動。潰滅的時間以毫秒計，甚至以微秒計的時間內(nèi)完成。在這一瞬間，氣泡周圍液體溫度可達1000℃，溫升可達500～800℃，輻射出的合成沖擊波的壓力差可高達4000大氣壓。如此的高溫高壓使機械表面的材料迅速屈服，并從表面剝落下來，這種現(xiàn)象稱為空蝕。

水輪機空蝕主要發(fā)生在流速較高的轉(zhuǎn)輪通道區(qū)域，即發(fā)生在轉(zhuǎn)輪及其配合的靜止部件表面上。水輪機中的空蝕大體可以分為：翼型空蝕、局部空蝕、間隙空蝕和空腔空蝕。對于混流式水輪機，主要有翼型空蝕和空腔空蝕。翼型空蝕主要是由于葉片的局部低壓區(qū)形成的，而空腔空蝕一般發(fā)生在低水頭、低負荷時，尾水管空蝕渦帶內(nèi)部含有大量的氣穴，當氣穴崩潰時，將使轉(zhuǎn)輪的泄水錐及尾水管的錐管段和肘管段遭受空蝕破壞。

根據(jù)空化空蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生機理可以推斷，空泡的瞬間形成和潰滅而產(chǎn)生的沖擊波作用于葉片和管壁，這種沖擊振動的信號必含有高頻的振動成分（聲發(fā)射信號）。實現(xiàn)對高頻信號的提取和分析，既能夠排除低頻信號的影響，又能夠準確診斷空化空蝕的嚴重程度，這是一種比較理想的監(jiān)測方法。

所以根據(jù)水輪機運行過程中空化空蝕的發(fā)生情況，將聲發(fā)射傳感器分別固定于尾水管和蝸殼處測定聲發(fā)射信號。在水輪機工況變化、發(fā)生空化現(xiàn)象時，高頻振動沖擊作用于水輪機殼體，通過聲發(fā)射傳感器拾取的高頻信號可以分析空化現(xiàn)象的嚴重程度。通過選擇傳感器的安裝位置和安裝數(shù)量，可以診斷出水輪機空化產(chǎn)生的位置以及水輪機葉片和殼壁空蝕的位置和嚴重程度等信息，為機組維護人員提供準確、可靠的運行資料，從而實現(xiàn)設備高效、安全的運行及最經(jīng)濟合理的維護。

通過記錄水輪機不同運行工況的聲發(fā)射信號，如起停機過程、甩負荷過程、水頭高度及尾水位變化對空化空蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的影響規(guī)律分析：

（a）運行水頭對空化空蝕的影響：水輪機翼型空蝕隨水頭的增加而變得嚴重。而對于空腔空蝕，在最優(yōu)工況下運行，空腔空蝕較小，運行水頭較低和較高時，將產(chǎn)生空腔空蝕。

（b）水輪機功率對空化空蝕的影響：水輪機翼型空蝕隨功率的增加而變得嚴重。而對于空腔空蝕，水輪機在低水頭低負荷或高水頭、大負荷下運行時，均比較嚴重。

（c）吸出高度對空化空蝕的影響：下游水位降低時，運行吸出高度增加，此時即容易形成翼型空蝕，也容易形成空腔空蝕。

圖1、圖2為水輪機空化嚴重工況下的典型聲發(fā)射圖譜，從圖1的空蝕聲發(fā)射信號波形圖以及圖2的頻譜圖中可以看到，水輪機在運行過程中，由于空化和空蝕的影響，會產(chǎn)生聲發(fā)射信號，并且聲發(fā)射信號在時軸上的發(fā)生位置以及聲發(fā)射信號幅值大小基本沒有什么規(guī)律性；但是從聲發(fā)射信號的頻譜圖中可知，空化空蝕發(fā)生時，將產(chǎn)生160kHz左右的頻率成分。

（2）基于聲發(fā)射信號的碰摩狀態(tài)診斷機理研究轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中動靜件間發(fā)生碰摩時會引起碰摩處動靜件彈性應變而產(chǎn)生聲發(fā)射，該聲發(fā)射信號蘊涵了豐富的碰摩信息。因此，可利用轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動靜件碰摩時的聲發(fā)射辨識碰摩故障。與振動方法不同的是，聲發(fā)射信號幅值的大小與轉(zhuǎn)子振動狀態(tài)關系不大，而主要與碰摩時發(fā)生的能量直接相關。因此，在沒有發(fā)生碰摩之前，不平衡、不對中等其他工況或故障因素基本不會在聲發(fā)射信號中反映出來，所檢測到的碰摩聲發(fā)射信號是“單純”的，這樣，應用聲發(fā)射技術就可以避免掉用振動診斷轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障中很難去掉的如不平衡，不對中等干擾因素的影響。聲發(fā)射的這一特點十分適合實際機組運行過程中的動靜件碰摩故障的辨識，因此，聲發(fā)射技術可為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩辨識提供一條可行的途徑和方法。

圖1 空蝕聲發(fā)射時域波形

圖2 空蝕聲發(fā)射頻譜

圖3和4是典型的碰摩故障波形圖和頻譜圖，從圖中可以看到，碰摩故障的頻率成分主要集中在70kHz以內(nèi)。另外，碰摩故障產(chǎn)生的聲發(fā)射信號為突發(fā)型，一般情況下一個周期內(nèi)一次。

（3）基于聲發(fā)射信號的裂紋狀態(tài)診斷機理研究轉(zhuǎn)輪裂紋的發(fā)生不僅影響機組的安全運行，也大量增加檢修工作量，消耗大量的人力、物力，費工費時。根據(jù)斷裂力學分析，認為結(jié)構(gòu)的危險性是由裂紋尖端應力強度因子K所控制，K是把裂紋尺寸、受力方式和結(jié)構(gòu)形狀聯(lián)系起來的參數(shù)，利用聲發(fā)射總計數(shù)N來表述金屬材料中的應力強度因子K值和裂紋擴展速率的關系。波形分析是指通過分析聲發(fā)射(AE)信號的時域波形或頻譜特征來獲取信息的一種信號處理方法。理論上講，波形分析應當能給出任何所需的信息，因而波形也是表達AE源特征的最精確的方法，并可導致對AE的定量了解。從所采集的AE波形，人們可以很方便地獲得信號的頻譜和相關函數(shù)等信息，并可通過信號處理獲得任何感興趣的參數(shù)。因此，我們可以通過參數(shù)分析、波形分析以及時頻分析對裂紋故障進行診斷。

圖3 典型的碰摩故障聲發(fā)射信號

圖4 典型的碰摩故障聲發(fā)射信號頻譜

圖5和6是典型的裂紋故障波形圖和頻譜圖，從聲發(fā)射信號的頻譜中可以看到，裂紋故障發(fā)生時頻率成分主要集中在50kHz和150kHz附近，裂紋故障的聲發(fā)射信號也不是連續(xù)型的，典型的裂紋故障在一個完整的周期內(nèi)有兩個聲發(fā)射事件，因為裂紋開閉各一次，并且裂紋開時信號幅值大，裂紋閉時信號幅值小。

圖5 典型的裂紋故障聲發(fā)射信號

圖6 典型的裂紋故障聲發(fā)射頻譜

3 水輪機故障聲發(fā)射診斷技術研究

對于實際運行的水輪機，碰摩、裂紋和空蝕狀況的發(fā)生是漸變的、逐步演化的，為區(qū)分這三者故障信號，特研究了用以評價這些狀態(tài)的指標：脈沖重復率、聲強烈度、波形貼近度。

（1）脈沖重復率

記數(shù)法是處理聲發(fā)射脈沖信號的一種常用方法。目前應用的記數(shù)法有：聲發(fā)射事件記數(shù)和振鈴記數(shù)率以及它們的總記數(shù)，另外還有一種對振幅加權(quán)的記數(shù)方法，稱為“加權(quán)振鈴”記數(shù)法。振鈴計數(shù)率定義為單位時間內(nèi)聲發(fā)射脈沖超過門檻值的次數(shù)，并且單一的振鈴計數(shù)率受閾值的影響很大，并且它們都只能區(qū)分一段時間內(nèi)聲發(fā)射信號的平均出現(xiàn)的次數(shù)，而對聲發(fā)射信號是隨機出現(xiàn)的還是有規(guī)律出現(xiàn)的無法區(qū)別。為此，定義了脈沖重復率。

脈沖重復率的定義為單位時間內(nèi)時軸上聲發(fā)射脈沖信號重復出現(xiàn)的概率，也表征了聲發(fā)射信號釋放的頻率高低，該技術主要用于區(qū)分時軸上隨機出現(xiàn)的和必然出現(xiàn)的聲發(fā)射脈沖。因為對于水輪機的碰摩、裂紋和空蝕三種狀況來說，碰摩和裂紋的聲發(fā)射信號是周期性的，而空化的聲發(fā)射信號是隨機產(chǎn)生的，我們可以通過計算每個周期內(nèi)，相同相位所生成的脈沖重復率來區(qū)分空蝕還是其他兩種故障。

（2）聲強烈度

記數(shù)法的缺點是易受樣品幾何形狀、換能器的特性及連接方式、闡值電壓、放大器等工作狀況的影響。由于記數(shù)法處理聲發(fā)射信號存在以上缺點，尤其對連續(xù)型聲發(fā)射信號更為明顯，因而通常采用測量聲發(fā)射信號的能量來對連續(xù)型聲發(fā)射信號進行分析。

我們定義聲強烈度來反映聲發(fā)射信號能量的大小，用聲強烈度表示可從能量觀點直接反映物體的聲發(fā)射強度。常用均方根電壓或均方電壓來進行聲發(fā)射信號的能量測量。聲發(fā)射信號能量的測量可以直接與材料的重要物理參數(shù)如聲發(fā)射事件的機械能、應變率或形變機制等直接聯(lián)系起來，而不需要建立聲發(fā)射信號的模型。能量測量問題同樣解決了小幅度連續(xù)型聲發(fā)射信號的測量問題。另外，測量信號的均方根電壓或均方電壓也有很多優(yōu)點。首先，均方根電壓或均方電壓對電子系統(tǒng)增益和換能器耦合情況的微小變化不太敏感，而且不依賴于任何閥值電壓，不像計數(shù)技術一樣與閥值的大小有密切的關系。其次，均方根電壓或均方電壓與連續(xù)型的聲發(fā)射信號的能量有直接關系，但對于計數(shù)技術來說，根本不存在這樣的簡單關系。第三，均方根電壓或均方電壓很容易對不同應變率和不同樣品體積進行修正。

（3）波形貼近度

由于碰摩和裂紋故障的聲發(fā)射原理不同，因此，兩者的典型聲發(fā)射事件波形圖和頻譜圖都有所區(qū)別，在這里我們提出了波形貼近度來反映兩個聲發(fā)射信號的波形相似程度。首先，對典型故障信號樣本進行包絡處理，包絡處理后如圖7和8所示；然后把實測數(shù)據(jù)進行包絡處理；最后與典型故障數(shù)據(jù)包絡函數(shù)做時域上的互相關分析，獲得最大的互相關系數(shù)ρt。

圖7 典型碰摩故障包絡信號

圖8 典型裂紋故障包絡信號

診斷實例：某故障時域波形如圖9所示，其包絡線如圖10、圖11所示?？梢钥吹剑摴收闲盘柵c碰摩故障的波形貼近度系數(shù)最大值在0.8以上，而與裂紋故障的波形貼近度系數(shù)最大值在0.5以下。

圖9 某故障時域波形

圖10 碰摩包絡線貼近度曲線

4 聲發(fā)射監(jiān)測及診斷系統(tǒng)設計研究

（1）系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)基于北京奧技異技術研究所的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行研究開發(fā)，其體系結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖11 裂紋故障包絡線貼近度曲線

圖12 聲發(fā)射診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

聲發(fā)射采集分析裝置是由超聲波傳感器、前置放大器、集成采集單元等一整套設備組成，超聲波傳感器以及前置放大器均由美國聲學物理公司提供，集成采集單元其內(nèi)部集成了高速 AD采集模塊、數(shù)據(jù)處理分析以及顯示分析功能，可針對超聲波傳感器輸出信號進行高速數(shù)字化采集和分析處理，其針對空蝕信號的類型以及特點設定相應的采集速度，采集策略，預處理算法等，形成適合于聲發(fā)射信號采集和分析的裝置。

（2）分析功能

主要分析功能有：采集卡的設置；實時波形顯示功能；頻譜實時分析功能；結(jié)合形態(tài)濾波及小波的分解與重構(gòu)功能；聲發(fā)射日趨勢分析功能（聲發(fā)射信號在一天內(nèi)隨有功功率、導葉開度等的趨勢變化圖）；聲發(fā)射相關趨勢分析功能；聲發(fā)射狀態(tài)分析功能等。

5 現(xiàn)場應用分析

東江水電廠裝有4臺混流式水輪發(fā)電機組，1987年第一臺機組投產(chǎn)發(fā)電，1989年4臺機組全部投入運行。在投運初期，水頭較低，機組尚能穩(wěn)定運行，振動不明顯。隨著上游水庫水位的上升，機組進入高水頭段運行，振動逐漸加劇。機組的強烈振動造成一系列的設備損壞，諸如轉(zhuǎn)輪葉片裂紋、尾水管里襯撕裂、十字補氣架脫落、主軸密封緊固螺栓斷裂和定子鐵心松動等重大設備缺陷，嚴重威脅著東江水電廠的安全運行；同時，也給機組設備的檢修造成了極大的壓力：被迫更改機組檢修計劃，縮短檢修周期，延長機組檢修工期，加大檢修投入更是經(jīng)常發(fā)生。

為此，東江水電廠進行了減震改造。2號機組正處于改造過渡期，且仍存在影響到機組安全運行的嚴重隱患（如水輪機的葉片裂紋、空蝕等），利用常規(guī)的在線監(jiān)測系統(tǒng)不能完全對設備運行狀況提供評價。因此，將研制的聲發(fā)射監(jiān)測診斷系統(tǒng)首先應用于東江水電廠2號機組上，以確保該機組在改造前的安全穩(wěn)定運行。

表1 2號機組主要參數(shù)

針對水輪機的聲發(fā)射信號傳播途徑的特點，在尾水管壁、導葉拐臂上各布置了一個聲發(fā)射傳感器。

系統(tǒng)經(jīng)過一個多星期的現(xiàn)場調(diào)試，于2006年9月正式投運。利用該系統(tǒng)對2006年10月1日至2006年11月10日期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析，其間的運行水頭波動范圍為：133～135m。

圖13 空化聲強烈度-負荷趨勢

圖14 裂紋聲強烈度-負荷趨勢

圖15 碰摩聲強烈度-負荷趨勢

如圖13～15，東江水電廠2號機組在132～134m水頭下運行時，水輪機的空化聲發(fā)射強度在40MW左右工況較為劇烈，在 100MW 工況附近較其他工況要偏??；裂紋聲發(fā)射強度基本隨負荷的增加有增大趨勢，在滿負荷聲發(fā)射強度達到最大；轉(zhuǎn)輪部分的碰摩聲發(fā)射強度較弱，且各負荷段內(nèi)幅值基本一致，監(jiān)測時間內(nèi)，沒有發(fā)生較明顯的碰摩故障。

總結(jié)2006年9月至2007年4月監(jiān)測時段內(nèi)聲發(fā)射強度的規(guī)律發(fā)現(xiàn)，空化聲強烈度、裂紋聲強烈度隨時間發(fā)展略有增大趨勢（分析從略）。對比2006年11月 c級檢修前后的振動擺度及聲發(fā)射信號變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)：檢修前后機組各部位的振動擺度、水壓脈動及水輪機效率并沒有明顯變化，雖然空化聲強烈度沒有明顯區(qū)別，但檢修前后的裂紋聲強烈度有了明顯變化（分析從略）。

通過以上應用分析，使用聲發(fā)射技術檢測分析機組的故障是非常有效的手段，能發(fā)現(xiàn)常規(guī)監(jiān)測手段不能發(fā)現(xiàn)的問題和規(guī)律。

6 結(jié)語

本文就水輪機故障聲發(fā)射診斷理論及系統(tǒng)設計進行了探討分析，并簡要分析了現(xiàn)場應用成果。將聲發(fā)射分析技術應用于水輪機故障診斷，以水輪機的超聲波段的聲發(fā)射信號為測試研究對象，系統(tǒng)采用了形態(tài)濾波的方法，有效地避免了環(huán)境干擾、提高了故障信號的信噪比。對水輪機狀態(tài)，特別是水下部分的運行狀態(tài)進行了檢測分析，采用和應用了"脈沖重復率"、"聲強烈度"、"波形貼近度"三個指標，來區(qū)分水輪機的碰摩故障、空化狀態(tài)、裂紋故障，并分別對這三種狀態(tài)進行量化評價。基于研究的成果研制開發(fā)了監(jiān)測系統(tǒng)，在東江水電廠2號機組上得到了應用，結(jié)合檢修工作對該技術的診斷結(jié)果進行了驗證。結(jié)果表明，這一技術對指導機組檢修及運行是可行、有效的手段。

該系統(tǒng)同樣可以應用于軸承、定子鐵芯等部位的運行狀態(tài)監(jiān)測分析，同樣的也可以擴展到對不同類型的水輪機聲發(fā)射特性研究分析，可以極大地豐富水輪機故障聲發(fā)射診斷技術的理論。

將聲發(fā)射監(jiān)測技術應用于水電機組故障診斷領域，擴寬了水電機組狀態(tài)監(jiān)測及診斷的手段和理論，解決了利用常規(guī)振動監(jiān)測系統(tǒng)所無法檢測發(fā)現(xiàn)的故障。相信今后隨著科技的進步，以及聲發(fā)射診斷技術在水輪機故障監(jiān)測及診斷方面的深入研究、分析理論逐步成熟，這一新興技術將廣泛應用于水輪機故障診斷及監(jiān)測領域，促進水電科技進步，確保水電廠機組安全穩(wěn)定運行。

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