管道機泵在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的應用與實踐

特約撰稿人：管道儲運有限公司天津輸油處 張靜輝 姜增剛

天津輸油處是中石化管道儲運有限公司下屬機構(gòu)，地處天津市濱海新區(qū)，是華北地區(qū)重要的原油輸轉(zhuǎn)中心，現(xiàn)管轄津京冀地區(qū)600公里管線和1千萬方的原油儲罐。沿線設天津輸油站、廊坊輸油站、燕山輸油站、漢沽輸油站、塘沽油庫、天津商儲庫、實華商儲庫等7個站庫和1個A類搶維修隊。塘沽油庫是本項目試點單位，庫內(nèi)有78萬方儲罐、7套輸油泵機組，屬于管道儲運有限公司大型站庫。搶維修隊是全處設備管理部門和維修單位，設5個專業(yè)分隊，其中機修分隊是本項目主要實施團隊，整個項目由搶維修隊牽頭協(xié)調(diào)組織。

項目背景

隨著國內(nèi)外輸油管道在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能制造等政策牽引與技術(shù)發(fā)展下，為設備管理工作也帶來了挑戰(zhàn)并提出新的要求。根據(jù)中石化智能化管線管理系統(tǒng)的建設目標和思路，天津處在塘沽油庫7臺輸油泵機組引入機泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，用信息技術(shù)手段實現(xiàn)輸油泵機組管理的可視化、智能化、數(shù)字化，實踐設備維修從計劃維修、故障維修逐步過渡到預知性維修和“設備全壽命周期”管理。

1.研究目標

通過引入機泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，進一步完善輸油泵站數(shù)據(jù)感知建設，實現(xiàn)設備故障智能預警、故障智能評估、故障智能診斷為一體的設備域系統(tǒng)平臺，最終建立以狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)為基礎的設備預知性維護維修管理體系。

2.系統(tǒng)開發(fā)應用的必要性和可行性

目前站庫借助SCADA生產(chǎn)控制系統(tǒng)判斷設備工狀，完成輸油調(diào)度操作，由于對振動和溫度參數(shù)分析挖掘得不夠，不能完全解析參數(shù)內(nèi)涵，形成設備安全隱患。因為設備故障在報警之前就有征兆，只是我們沒有發(fā)現(xiàn)。如何查找設備故障源與避免故障進一步惡化，僅依靠目前的設備管理模式和手段是難于做到的?；鶎由a(chǎn)單位迫切需要我們創(chuàng)新管理方式，用信息化手段再造設備管理流程，實現(xiàn)設備預知性維護維修管理。

機泵設備是管道輸油的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)機泵設備智能化管理與控制是建設智能管線的重要基礎內(nèi)容，它可以為管道輸油安全與高效運行提供保障，同時為管道輸油設備創(chuàng)新管理提供抓手，因此，在塘沽油庫試點機泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，得到天津處和塘沽油庫相關(guān)部門和領(lǐng)導的大力支持。天津處是天津市設備管理協(xié)會常務理事單位，近幾年一直推行TnPM管理，實踐“設備全壽命周期管理”，因此狀態(tài)監(jiān)測項目在天津處有推行管理和技術(shù)的基礎；搶維修隊是公司實行“管維一體”運作模式的維修單位，在項目實施上搶維修隊有對應機構(gòu)及人員支撐，這些條件為本項目的開發(fā)與應用提供了良好的外部環(huán)境。

成果現(xiàn)狀及內(nèi)涵

進入互聯(lián)網(wǎng)時代，中石化在煉化企業(yè)逐步建立總公司、公司、廠三級的狀態(tài)監(jiān)測機構(gòu)，全面開展狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作。以九江石化為代表的智能工廠，全面引入狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，發(fā)展以狀態(tài)監(jiān)測為基礎的預知性維修體制的管理理念深入設備管理核心，并已獲得可觀的經(jīng)濟效益。

狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)以現(xiàn)代科學中的系統(tǒng)論、控制論、可靠性理論、失效理論、信息論為理論基礎，結(jié)合監(jiān)測對象的特殊性，有針對性地對設備運行參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)測，對設備運行狀態(tài)做出實時評估，對可能發(fā)生的故障進行分析、預報，對已經(jīng)或正在發(fā)生的故障進行分析、判斷，以確定故障的性質(zhì)、類別、程度、部位及趨勢，對設備正常運行和合理檢修提供準確的依據(jù)。

平臺搭建與系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)天津處設備管理的需求和存在的問題，進行現(xiàn)場調(diào)研、無線網(wǎng)絡信號測試和技術(shù)溝通，于2016年8月由項目組提交可行性研究報告與施工方案，著手進行平臺搭建和系統(tǒng)的開發(fā)部署。

1.平臺搭建

為了不對正常輸油生產(chǎn)造成影響，搶維修隊、油庫和廠家技術(shù)人員多次到現(xiàn)場溝通，對測試位置和硬件的安裝位置進行嚴格把控，既滿足監(jiān)測條件，又要保證輸油安全運行。下圖是安裝區(qū)域。

7臺泵均為雙支撐離心泵，設備結(jié)構(gòu)簡圖及新增測點類型、數(shù)量和安裝位置如下圖所示，其中振動測量采用IEPE 壓電式加速度傳感器，軸承表面溫度測量采用三線制PT100 溫度傳感器。

實施過程由搶維修隊直接操作，油庫技術(shù)人員現(xiàn)場監(jiān)護。傳輸通道通過Mesh 無線網(wǎng)接入公司局域網(wǎng)。服務器安裝在塘沽油庫信息機房指定位置，最后組成系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)見下圖。

2.系統(tǒng)開發(fā)

由于我們管道輸油通常采用機泵冷備方式，在線狀態(tài)監(jiān)測在長輸管道輸送技術(shù)上的應用尚屬先例，因此，試點工作參照煉化企業(yè)的大機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，針對管道輸油特點來設計軟件界面。系統(tǒng)架構(gòu)如下：

診斷案例

1.聯(lián)軸器不對中故障

診斷分析：2016年11月6日外輸4#泵啟動后，振動較2016年10月22日停機前有明顯增大，主要能量變化表現(xiàn)為1X、2X、3X頻，且主要能量集中在2X、3X頻，如圖1、2所示。

圖1 外輸4#泵故障電機振動趨勢圖

圖2 外輸4#泵電機故障驅(qū)動端波形頻譜圖

診斷結(jié)果：電機驅(qū)動端存在聯(lián)軸器不對中故障，建議在合適機會（目前設備在用）停機，進行現(xiàn)場對中調(diào)整。聯(lián)軸器不對中會導致軸承、密封件、軸和聯(lián)軸器的過早損壞以及高能源損耗的問題。

故障處理過程及結(jié)果：2016年11月8日搶維修隊到現(xiàn)場進行對中處理后，電機驅(qū)動端振動由檢修前的2．4mm/s下降至0．6mm/s，能量變化以1X 頻及其諧波為主；從振動能量的變化可見，聯(lián)軸器的對中故障得到解決，如圖3、4所示。

圖3 外輸4#泵處理后電機驅(qū)動端運行趨勢圖

圖4 外輸4#泵處理后電機驅(qū)動端波形頻譜圖

2.止推軸承跑圈故障

診斷分析：2016年11月6日的診斷分析報告中，指出外輸4#泵自由端軸承振動中出現(xiàn)明顯諧波，包絡中地腳能量明顯抬高，振動烈度及峰值有所波動并上升，但數(shù)值總體較小，從速度譜及包絡譜上看，振動的主要頻率成分為248．8Hz及其諧波，此頻率剛好和軸承外環(huán)故障頻率與葉片通過頻率5P接近，因此判斷自由端軸承的潤滑不良，見圖5。

圖5 外輸4#泵自由端加速度包絡波形頻譜圖（2016年11月6日）

2017年4月8日的診斷分析報告中，進一步明確自由端軸承可能存在內(nèi)、外圈松動和軸承間隙過大等故障，見圖6。

圖6 外輸4#泵加速度包絡波形頻譜圖（2017年4月5日）

故障處理過程及結(jié)果：2017年4月13日搶維修隊到現(xiàn)場檢修，檢查發(fā)現(xiàn)泵自由端止推軸承有跑圈故障，更換軸承后，于4月17日開機，軸承外圈特征故障頻率值明顯減少，見圖7。

圖7 外輸4#泵更換軸承后加速度包絡波形頻譜圖

3.軸承雜物進入故障

診斷分析：2017年4月13日外輸3#泵啟動后，泵自由端的振動較高，最高振動為5．07mm/s，超過高報的4．5mm/s，頻譜能量以0．2X左右低頻信號為主，見圖8、9。

圖8 外輸3#泵自由端振動烈度趨勢圖

圖9 外輸3#泵自由端振動速度波形頻譜圖

故障結(jié)論：診斷認為，存在軸承潤滑不良、雜物進入等故障。軸承有雜質(zhì)進入的故障如不及時清洗，則會影響潤滑脂的性質(zhì)，進一步加劇軸承磨損，導致軸承表面的金屬剝落，問題嚴重時則要更換軸承，建議清洗或更換軸承。

故障處理過程及結(jié)果：搶維修隊對該軸承進行了清洗并于2017年5月7日開機啟泵。開機后振動在4．5 mm/s左右，并逐漸降低至3．5 mm/s左右波動，與檢修前相比，頻譜中0．2X左右的低頻能量消失，軸承狀態(tài)比檢修前有明顯改善，見圖10、11。

圖10 外輸3#泵自由端檢修后振動烈度趨勢圖

圖11 外輸3#泵自由端檢修后波形頻譜圖

4.葉片通過頻率普遍偏高

診斷分析：2016年10月～ 2017年5月初多次診斷分析過程中，發(fā)現(xiàn)給油1#泵、給油2#泵、外輸3#泵、外輸4#泵自由端和驅(qū)動端的振動烈度均在報警值的范圍內(nèi)波動，可能振動波動與輸油介質(zhì)的變化有關(guān)，但在波形頻譜圖中有占總振能量值較大比例的5X、6X及其倍頻的葉片通過頻率，診斷結(jié)果為葉片通過頻率有偏高的現(xiàn)象。

圖12 給油1#泵自由端波形頻譜圖

圖13 給油2#泵自由端波形頻譜圖

圖14 外輸3#泵自由端波形頻譜圖

圖15 外輸4#泵自由端波形頻譜圖

診斷結(jié)論：葉片通過頻率變化受介質(zhì)壓力、流量等參數(shù)變化的影響較大，產(chǎn)生原因有葉片偏心、轉(zhuǎn)子相對于蝸殼的位置不當、葉片與蝸殼的設計選型不當?shù)取Ｔ搯栴}的長期存在將使葉輪產(chǎn)生較大的偏心力，從而引起軸承的偏載，該偏載將加大軸承的磨損與軸承溫度的升高，進而造成軸承的非正常摩擦、疲勞脫落、游隙變大、內(nèi)外圈跑圈等故障。

問題處置措施：基于該問題的普遍存在且較為復雜，但不影響機泵正常運行，建議進一步觀察積累包括振動、壓力、流量等健康數(shù)據(jù)，以作為后續(xù)機泵改進的依據(jù)。

5.外輸2#泵機組檢修結(jié)果評估

診斷分析及結(jié)論：塘沽油庫外輸2#泵機組為提高揚程進行更換葉輪，于2017年4月29日開始啟動工作，通過趨勢圖診斷4月29日～ 5月2日，泵和電機自由端和驅(qū)動端軸承的振動烈度在0．58～3．12mm/s之間，振動相對平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大波動見圖16。通過包絡頻譜圖診斷，除存在與其它泵共性的葉片通過頻率5X較高，需進一步現(xiàn)場反饋確認外，其它未出現(xiàn)的故障頻率見圖17，另外通過現(xiàn)場也對診斷結(jié)果和外輸2#泵的運行情況作進一步確認，印證了外輸2#泵機組檢修后處于良好狀態(tài)。

圖16 外輸2#泵振動烈度趨勢圖

圖17 外輸2#泵包絡波形頻譜圖

6.外輸4#泵機組的振動烈度誤報

診斷分析及結(jié)論：2016年11月8日11:30，生產(chǎn)控制SCADA系統(tǒng)顯示，外輸4#泵驅(qū)動端振動烈度值達到20mm/s，超出停機報警值，因現(xiàn)場情況不明確，為保證安全生產(chǎn)、避免出現(xiàn)事故，采取緊急停機的措施，處理檢查驅(qū)動端振動烈度突然增大的原因。通過關(guān)鍵機泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，調(diào)出外輸4#泵機組11月3 ～ 9日數(shù)據(jù)，振動烈度均在正常范圍內(nèi)，且振動整體較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大波動，經(jīng)過現(xiàn)場進一步確認，最后給出處理建議為SCADA系統(tǒng)顯示外輸4#泵驅(qū)動端振動烈度突然增大，是該系統(tǒng)誤報導致，與設備本身并無關(guān)聯(lián)，外輸4#泵機組可以啟機運行。

圖18 外輸4#泵11月3～9日振動趨勢圖

由于在短時間內(nèi)排查到故障原因，避免長時間停機對生產(chǎn)的影響，因此挽回了損失。

7.健康狀態(tài)評估

健康診斷及建議：自2016年10月平臺搭建完成并上線應用以來，所提供的健康評估周報及月報顯示，給油1#泵、2#泵、3#泵一直健康運行，盡管2#給油泵運行時間已達到規(guī)定的大修時間，但根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)觀察，建議延遲計劃維修。

取得管理效果

天津處在塘沽油庫輸油泵機組開展狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的應用與實踐以來，從輸油泵機組的故障診斷水平和管理方式方面都帶來顯著變化，并取得實際應用效果，做到精確診斷、精準維修、及時驗證，同時創(chuàng)新設備管理體系并促進設備域一體化管理平臺的建立。

1.提高故障診斷水平、完善診斷管理機制

塘沽油庫員工借助機泵在線狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)手段，很大程度上促進了設備管理方式的轉(zhuǎn)變。設備技術(shù)員在現(xiàn)場日常設備定期巡檢時，如遇到設備異常狀況，可以隨時借助平臺完成輸油泵機組現(xiàn)場診斷，塘沽油庫將異常輸油泵機組和現(xiàn)場初步診斷報告天津處搶維修隊，搶維修隊根據(jù)現(xiàn)場初步判斷進一步核實異常狀態(tài)嚴重程度，再通過廠家遠程診斷確認異常狀況。依據(jù)診斷結(jié)果來確定輸油泵機組運行維修方案，是在線調(diào)理，還是停機維修或是繼續(xù)運行。從而形成塘沽油庫現(xiàn)場診斷、搶維修隊實施維修、供應商技術(shù)支持，三級設備診斷管理模式，實現(xiàn)了精確診斷、精準維修，有效避免設備問題由小變大，故障由輕變重等問題。

2.建立預知性維修方式、促進設備域一體化管理

天津處通過狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷平臺的應用與實踐，初步建立狀態(tài)監(jiān)測、異常預警、故障診斷、故障反饋、現(xiàn)場確認、定制維修方案、檢維修效果評估、設備運行建議等一系列設備管理措施，設備維修從計劃維修、事后維修逐步過渡到預知性維修方式上來。由于機泵在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)搭建時，考慮與相關(guān)設備管理系統(tǒng)的融合與接口，在完善設備管理系統(tǒng)的基礎上，通過建立標準數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)、EAM系統(tǒng)、TnPM系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)集成，打破數(shù)據(jù)孤島，整合各業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)，因此為設備域一體化管理平臺也提供數(shù)據(jù)支撐，并逐步向機泵設備“全壽命周期”完整性管理深層邁進。

3.提高設備安全系數(shù)、增加企業(yè)經(jīng)濟效益

塘沽油庫自系統(tǒng)平臺搭建應用以來，我們已掌握塘沽油庫在用的6套機組的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，累計提交輸油泵機組診斷評估報告21次、突發(fā)或臨時診斷評估報告6次，試點期間效果顯著，避免了機械密封、軸承、泵軸等的損壞，維修成本消耗大幅減少。4#外輸泵的運行時間遠高于其它外輸泵機組；3臺給油泵運行時間不均衡等健康診斷提示：在優(yōu)化輸油運行和均衡生產(chǎn)方面還有改進和增效的空間。由于提前預知故障所在，避免隱患擴大化，減少設備安全事故。

結(jié)語

當前中石化總部把工業(yè)化和信息化的“兩化”深度融合，當作未來發(fā)展的重要抓手和推動力，并寫入年度工作報告，其宗旨就是以信息化提升管理和經(jīng)營的水平。機泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的應用與實踐，正是在這個大環(huán)境應運而生，其更深層的技術(shù)含義是深度挖掘設備的歷史數(shù)據(jù)，進行關(guān)聯(lián)分析和差異化分析，這就為今后智能化管道系統(tǒng)通過工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、為優(yōu)化輸油運行奠定基礎。項目組下一步的工作重點是進一步完善故障智能診斷功能，建立標準故障診斷數(shù)據(jù)庫，使系統(tǒng)更趨完善，管理更加高效，并逐步在各站庫推廣應用。