振動(dòng)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)在LNG接收站的應(yīng)用

雷凡帥，郭海濤，楊林春

（中國(guó)石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇南通 226001）

振動(dòng)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)在LNG接收站的應(yīng)用

雷凡帥，郭海濤，楊林春

（中國(guó)石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇南通 226001）

結(jié)合江蘇LNG接收站遇到的振動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷問(wèn)題，運(yùn)用設(shè)備振動(dòng)綜合分析法，故障診斷的準(zhǔn)確率和效率提高。采用PDCA循環(huán)的設(shè)備振動(dòng)管理模式，持續(xù)優(yōu)化和提高故障診斷水平，為L(zhǎng)NG接收站設(shè)備的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)；診斷技術(shù)；LNG接收站；PDCA循環(huán)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.60

0 引言

作為中國(guó)石油第一個(gè)自主設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)的接收站，江蘇LNG（液化天然氣）接收站自2011年投產(chǎn)后運(yùn)行穩(wěn)定，在天然氣調(diào)峰供應(yīng)中起到重要作用。但在冬季用氣高峰期，由于氣化海水泵、SCV（浸沒(méi)燃燒式氣化器）等關(guān)鍵設(shè)備，通常無(wú)備機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷維修提出較高要求。鑒于此，在LNG接收站應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)，以提高設(shè)備的檢修維護(hù)效率、避免過(guò)度維修或維修不足，保證接收站長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

近年來(lái)，隨著過(guò)程控制、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。LNG接收站的運(yùn)行關(guān)鍵設(shè)備，如LNG高低壓泵、氣化海水泵、SCV氣化器、（BOG）伯格壓縮機(jī)等，均隨機(jī)配置Bently Nevada 3500在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了振動(dòng)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、故障報(bào)警以及觸發(fā)連鎖停機(jī)等功能，在監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、避免突發(fā)事故停車(chē)等方面起著重要作用，同時(shí)也為設(shè)備的振動(dòng)趨勢(shì)分析提供了便捷手段。

1.1 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程

圖1為Bently在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)處理的流程圖[1]。接收站應(yīng)用最多的振動(dòng)傳感器有加速度傳感器、速度傳感器和電渦流位移流傳感器等。以電渦流位移傳感器為例，連續(xù)采集的轉(zhuǎn)軸振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)前置器放大、濾波等預(yù)處理后，進(jìn)入Bently 3500/42M模塊完成加速度、速度、位移等不同振動(dòng)量的測(cè)量及積分變換，然后以4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和DCS（數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)），SIS（策略信息系統(tǒng)）進(jìn)行通信，為設(shè)備操作和維護(hù)人員提供重要信息。當(dāng)監(jiān)測(cè)振動(dòng)值超過(guò)預(yù)設(shè)停機(jī)值時(shí)，SIS啟動(dòng)連鎖停車(chē)等緊急保護(hù)措施，以避免突發(fā)故障對(duì)設(shè)備和工藝流程造成嚴(yán)重后果。

1.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)的評(píng)估

在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控中，振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是用來(lái)及時(shí)、準(zhǔn)確地反映設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)變化的，因此其本身的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性直接關(guān)系到監(jiān)測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性。

設(shè)備振動(dòng)報(bào)警值、停機(jī)值等關(guān)鍵參數(shù)值通常由設(shè)備制造商給定，在無(wú)廠商建議值或?qū)υO(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)評(píng)估檢查時(shí)，一般參考國(guó)際上廣泛應(yīng)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)（表1）。這些標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)范了設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)流程中的振動(dòng)傳感器的選擇、測(cè)量位置、監(jiān)測(cè)方式、評(píng)估準(zhǔn)則等內(nèi)容，為振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、評(píng)估和優(yōu)化提供了可靠依據(jù)。

表1 LNG接收站常用振動(dòng)測(cè)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 實(shí)際案例

LNG氣化海水泵用于輸送海水將LNG換熱氣化，自運(yùn)行以來(lái)該泵電機(jī)側(cè)振動(dòng)傳感器頻繁發(fā)出接收站工藝流程振動(dòng)高報(bào)警，極易引起連鎖停車(chē)，影響正常運(yùn)行。經(jīng)技術(shù)人員反復(fù)確認(rèn)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能存在異常。后查證發(fā)現(xiàn)，海水泵配套的Bently 3500在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件組態(tài)存在問(wèn)題：海水泵設(shè)備商推薦振動(dòng)值達(dá)到6.1 mm/s RMS時(shí)報(bào)警；9.5 mm/s RMS時(shí)設(shè)備停車(chē)，傳感器振動(dòng)測(cè)量單位應(yīng)為速度有效值（即mm/s RMS），但在設(shè)備初始安裝階段被誤設(shè)為速度峰值（即mm/s PK）。

雖然兩者同為速度單位，但在數(shù)值上存在較大差異：速度有效值表征振動(dòng)的能量（烈度），在國(guó)際和國(guó)內(nèi)相關(guān)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中，都規(guī)定用振動(dòng)速度的有效值作為振動(dòng)烈度的度量值，即只有振動(dòng)烈度才有振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)可以參照，評(píng)定機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的優(yōu)劣才能有據(jù)可依；振動(dòng)速度峰值適用于瞬時(shí)沖擊振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和診斷。峰值和有效值的比值常被稱(chēng)為波峰因數(shù)（Crest Factor），它隨實(shí)測(cè)振動(dòng)波形變化而不同，通常數(shù)值＞1.5，因此速度峰值的示值往往是振動(dòng)有效值的1.5倍以上。這一問(wèn)題的存在，放大了設(shè)備振動(dòng)數(shù)值，給技術(shù)人員的運(yùn)行操作和正確診斷造成困擾。

明確故障原因后，通過(guò)組態(tài)軟件改正了振動(dòng)單位，圖2為氣化海水泵變更速度單位后DCS示值的變化趨勢(shì)對(duì)比，DCS顯示的振動(dòng)示值由4.5 mm/s PK下降到2.5 mm/s RMS。此時(shí)的振動(dòng)參數(shù)才真實(shí)反映了設(shè)備的振動(dòng)烈度，避免了設(shè)備正常工況下的誤報(bào)警甚至誤停車(chē)風(fēng)險(xiǎn)?？梢?jiàn)，保證振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，是振動(dòng)監(jiān)測(cè)有效、可用的前提，對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行定期點(diǎn)檢十分必要。

圖2 振動(dòng)單位修改后DCS監(jiān)控的振動(dòng)趨勢(shì)變化對(duì)比

2 移動(dòng)式振動(dòng)診斷工具的應(yīng)用

2.1 故障診斷的應(yīng)用和融合

振動(dòng)監(jiān)測(cè)和診斷是保障設(shè)備良好狀態(tài)的2個(gè)層次：監(jiān)測(cè)保證監(jiān)控的及時(shí)性和連續(xù)性，診斷則是對(duì)有用振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行的挖掘、分析，查找異常信號(hào)源的原因，從而診斷設(shè)備故障。設(shè)備自帶的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往僅起著趨勢(shì)分析和報(bào)警功能，難以獲取更深層次、有價(jià)值的診斷信息。出于成本等方面原因，國(guó)內(nèi)多數(shù)LNG接收站均尚未引入在線(xiàn)振動(dòng)診斷系統(tǒng)，取而代之的是采用移動(dòng)式振動(dòng)分析工具輔助開(kāi)展設(shè)備的故障診斷工作，常用品牌有CSI 2130，F(xiàn)luke 810，SKF Microlog等，使用移動(dòng)式振動(dòng)診斷工具人工采集設(shè)備振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)分析頻譜、波形、趨勢(shì)，綜合設(shè)備的其他狀態(tài)參數(shù)，可以對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行深入分析和診斷。

2.2 故障診斷工具與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的融合

離線(xiàn)振動(dòng)診斷工具與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的融合應(yīng)用，是一種提高設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷水平低成本的有效手段。針對(duì)LNG高低壓泵的低溫潛液泵的特性，移動(dòng)式振動(dòng)診斷工具往往難以直接對(duì)設(shè)備振動(dòng)敏感位置測(cè)量振動(dòng)信息。為解決這類(lèi)難題，利用了在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)公共數(shù)據(jù)傳輸接口獲取振動(dòng)信號(hào)并在移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行振動(dòng)的深入分析診斷。例如艾默生CSI 2130振動(dòng)分析儀，通過(guò)匹配的電壓適配器連接到Bently 3500/42M的緩沖輸出BNC接口，采集固定在低溫泵體上振動(dòng)傳感器的信號(hào)，然后對(duì)低溫設(shè)備的振動(dòng)進(jìn)行深度分析和診斷。

2.3 實(shí)際案例

接收站LNG浸沒(méi)燃燒式氣化器在冬季供氣高峰時(shí)持續(xù)運(yùn)行，其他時(shí)間段一般處于備用狀態(tài)。在天然氣供應(yīng)高峰期，在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示有2臺(tái)汽化器的鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)值偏高，為快速查找故障原因，采用CSI 2130振動(dòng)分析儀測(cè)量風(fēng)機(jī)軸承箱振動(dòng)，近風(fēng)機(jī)葉輪側(cè)水平方向振動(dòng)頻譜如圖3a所示。圖中a為處理前振動(dòng)頻譜，b為處理后振動(dòng)頻譜。頻譜可見(jiàn)1倍轉(zhuǎn)頻明顯偏高，其他諧振頻率均較低，未見(jiàn)明顯軸承故障頻率。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)葉輪局部流道表面存在較重銹蝕，易導(dǎo)致葉輪動(dòng)平衡失衡，綜合其他部位測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，初步判斷故障主要是風(fēng)機(jī)動(dòng)不平衡所致[2]。

對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行在線(xiàn)動(dòng)平衡處理后，1倍頻明顯下降（圖3b），測(cè)點(diǎn)振動(dòng)通頻值下降到2.7 mm/s，滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)使用要求。根據(jù)查找的葉輪腐蝕問(wèn)題，采取相應(yīng)的防護(hù)措施，避免類(lèi)似問(wèn)題再次發(fā)生。

圖3 近風(fēng)機(jī)葉輪側(cè)水平方向振動(dòng)頻譜

3 振動(dòng)診斷技術(shù)的優(yōu)化

3.1 振動(dòng)診斷的綜合分析法

基于LNG動(dòng)設(shè)備的特性，僅從設(shè)備振動(dòng)的頻譜、波形等方面分析，往往難以滿(mǎn)足準(zhǔn)確高效的故障診斷需求。設(shè)備振動(dòng)的原因往往是多方面的，除了從機(jī)械方面查找原因外，還需要綜合電源性能參數(shù)、檢測(cè)儀表和線(xiàn)路的完整性、工藝運(yùn)行參數(shù)變化等多方面因素分析排查故障原因。例如通過(guò)泵運(yùn)行工藝參數(shù)的變化，區(qū)分低溫潛液泵流量偏離額定流量過(guò)大導(dǎo)致的振動(dòng)升高波動(dòng)，同泵故障導(dǎo)致的振動(dòng)升高的不同；通過(guò)分析供電回路運(yùn)行參數(shù)變化趨勢(shì)，輔助診斷驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁故障等。綜合分析，有利于辨識(shí)查找故障的根源，區(qū)分設(shè)備的正常振動(dòng)波動(dòng)和故障振動(dòng)的區(qū)別，避免因診斷偏差導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的過(guò)度維修。

3.2 監(jiān)測(cè)診斷工作的動(dòng)態(tài)管理

設(shè)備的故障檢查、維修工作通常可以直觀驗(yàn)證振動(dòng)診斷的準(zhǔn)確性，當(dāng)診斷數(shù)據(jù)和實(shí)際故障參數(shù)存在偏離時(shí)，再進(jìn)一步分析和診斷，提取統(tǒng)計(jì)故障的振動(dòng)特征頻譜波形信息，有利于設(shè)備監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)的優(yōu)化。在建立健全設(shè)備故障振動(dòng)數(shù)據(jù)臺(tái)賬信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)連續(xù)的“制定振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷方案→故障診斷→檢修驗(yàn)證→優(yōu)化方案”的模式，形成完整的PDCA循環(huán)流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和診斷工作的動(dòng)態(tài)管理和優(yōu)化。

4 結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用和整合接收站已有的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和診斷工具，實(shí)施振動(dòng)診斷的綜合分析策略，建立PDCA循環(huán)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和診斷管理方法，在保障LNG接收站設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行、提高設(shè)備管理和維修水平等方面取得成效，對(duì)接收站關(guān)鍵設(shè)備的穩(wěn)定和安全運(yùn)行，具有重要意義。

［1］Steve Sabin.Understanding Discrepancies in Vibration Amplitude Readings Between Different Instruments［J］.ORBIT，2005，（25）：18-30.

［2］楊國(guó)安.旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2012.

TE97

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〔編輯 吳建卿〕