旋转机械中5种与速度相关的故障

涡轮机、泵和压缩机等旋转机械持续承受着巨大的机械力。由于这些设备大多对工艺流程至关重要，因此系统中会配备保护和/或监控功能以防止故障发生。本文重点介绍了旋转机械中可能发生的几种常见的与转速相关的故障。

Speed 保护

1. 超速

旋转机械的设计旨在承受一定的转速，即所谓的设计转速。当发生超速时，机器轴的转速会超过其结构所能承受的极限。作用力会随转速呈指数级增长，从而导致部件松动。这可能会对工艺流程、人员及环境造成灾难性影响。因此，风险分析表明，在大多数情况下，必须配备超速保护系统。通过速度测量，可以测得转速（RPM）。超速保护系统可确保转速保持在特定限值内，从而防止设备受损。若超过预设限值，设备将立即停机（图1）。此类设备停机必须在极短的时间内完成。根据现行设备指南（API 670），超速保护系统的响应时间不得超过40毫秒。

图1. 本图展示了跳闸功能的工作原理。当转速达到最大允许转速的110%时，设备将触发跳闸，导致立即停机。

超速是任何旋转机械操作员最大的担忧。若未能及时响应，或超速保护系统发生故障，可能会导致涡轮叶片或转子部件松动。在最坏的情况下，这些部件会直接穿透涡轮机外壳，危及人员安全，并对由涡轮机驱动的设备造成重大损坏。

2. 加速度

旋转机械的加速度过快可能会导致其即使在现有超速保护系统作用下仍进入超速状态，从而引发危险情况。根据加速度的大小，停止机械驱动器并不会立即导致转速下降。由于存在巨大作用力，即使在驱动器停止后的一短时间内，转速甚至可能继续增加。当超速保护系统在达到最大允许转速110%的限值时触发，一定程度的加速仍可能导致累积转速超过允许的110%（图2）。这样，机器仍会达到临界转速，从而造成损坏。

*图 2*。绿色线条展示了加速度跳闸功能的工作原理。当检测到加速度过快上升时，保护系统会使机器跳闸。红色线条展示了当加速度未被设为受保护参数时可能发生的情况，此时系统将无法检测到过大的加速度。尽管超速保护系统会在转速达到最大转速的 110% 时使机器跳闸，但机器的转速仍可能在短时间内继续上升。因此，强烈建议实施加速度保护措施。

在旋转机械启动过程中，应根据可用能量对其进行加速保护。与超速保护不同，加速保护不仅关注转速（RPM），还关注预定时间间隔内的转速增长率。当速度传感器检测到过度的加速度增长时，保护系统将触发涡轮机停机。

当设备未针对加速度进行保护时，仍会发生超速。在加速度过快增加的情况下，超速保护系统无法及时停止设备。

Speed monitoring

3. 反向旋转

可能出现因工艺压力导致压缩机反向旋转，而驱动该压缩机的涡轮却未运行的情况。这被称为反向旋转。这种压力的产生可能是由于吸气阀未正确关闭，导致泄漏。当压缩机处于此状态时启动涡轮，将导致设备损坏。因反向旋转而产生的压力与涡轮产生的压力将相互抵消，这可能会导致联轴器损坏等后果。这通常涉及经济损失，但不会对人员和环境构成直接危险。

4. 静止/蠕动

在开始 turnaround（大修）/维护工作之前，确保涡轮机确实已停止运转至关重要。毕竟，如果涡轮机仍在缓慢旋转时就开始维护工作，其巨大的质量可能会导致危险情况。为了监控这一点，必须进行比常规速度测量更长时间的速度测量，因为涡轮机在停机过程中以非常低的速度运行。

5. 低速

转速不足是超速的对立面，但属于较不严重的故障。为保持工艺流程运行，设备必须维持最低转速（RPM）。若转速低于此值，工艺流程将无法继续运行。尽管转速不足会因扰乱生产流程而极不受欢迎，但其影响并不像超速那样具有灾难性。可以设置限值，当转速降至维持工艺运行所需的最低转速时，系统将触发报警。这使操作员能够防止转速不足的发生。转速不足的测量值还可用于指示其他情况，例如，表明可以启动点动电机。