地腳螺栓松動引起的輸油機(jī)故障分析

李文生

（長慶油田分公司第三采油廠，陜西延安 717600）

0 引言

離心泵是油田生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備之一，在使用、檢 修、維護(hù)等細(xì)節(jié)方面的疏忽，會使多級離心泵發(fā)生異常磨損、振動、抱軸等故障，成為制約油田正常生產(chǎn)的瓶頸。

長慶油田某聯(lián)合站的輸油泵為多級離心泵，型號FDYD46-50×12，流量 46 m3，揚(yáng)程 600 m，廠家配比功率 132 kW，配用電機(jī)額定轉(zhuǎn)速2950 r/min，工頻49.17 Hz，屬于耐磨防爆多級離心泵，兩端支撐，殼體部分為階段式，通過彈性柱銷聯(lián)軸器與電機(jī)連接。從原動機(jī)方向看，泵為順時針方向旋轉(zhuǎn)。定子部分的吸入段、中段、出液段、導(dǎo)葉、填料函體（尾蓋）和軸承體分別用螺栓連接成一體。泵的吸入口為水平右方向，出液口垂直向上。2016年底，對2臺泵例行點檢時發(fā)現(xiàn)振動數(shù)據(jù)嚴(yán)重超標(biāo)。

1 采集準(zhǔn)備

工具選擇:設(shè)備振動數(shù)據(jù)采集選用的儀器為華陽檢測公司研發(fā)的HY-106C工作測振儀，分析軟件為配套的PMS（Plant Management System，設(shè)備管理系統(tǒng)）。

測點布局及命名：電機(jī)自由端為1#測點，電機(jī)輸出端為2#測點，泵的輸入端軸承固定處為3#測點，末端函體附件位置的軸承固定處為4#測點。

1.1 參數(shù)及采樣頻率選擇

本次測量采用機(jī)械振動狀態(tài)監(jiān)測中速度參數(shù)，用字母v表示，單位mm/s，取有效值，因為泵的原動機(jī)額定轉(zhuǎn)速2950 r/min，工頻50 Hz左右，常規(guī)的振動頻率采集范圍即可，速度的采集頻率范圍為（10～1000）Hz。測點命名：01V-v表示 1#測點垂直方向速度參數(shù)。

1.2 參考標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國際ISO 10816-3—2016中振動速度準(zhǔn)則的規(guī)定，離心泵和電機(jī)的振動監(jiān)測評判標(biāo)準(zhǔn)適合選用ISO 10816-3—2016中速度標(biāo)準(zhǔn)，第三組剛性基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，振動有效值的監(jiān)控報警等級范圍見表1。

表1 監(jiān)控報警等級范圍

1.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集通過PMS管理系統(tǒng)建立設(shè)備樹，根據(jù)需求進(jìn)行計劃組態(tài)，然后把計劃下載給HY-106C工作測振儀，在現(xiàn)場根據(jù)計劃內(nèi)容要求，通過巡檢方式進(jìn)行采集，傳感器采用磁性吸座方式，數(shù)據(jù)采集后回收至PMS管理系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 趨勢判斷

根據(jù)3個方向不同位置的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，各測點的測量值都嚴(yán)重超出了設(shè)備正常運(yùn)行的極限閾值范圍，特別是02V-v，04V-v和04A-v這3個測量值。因為不同的方向進(jìn)行振動測量，關(guān)注的設(shè)備故障也各有區(qū)分。一般情況下，垂直方向最常關(guān)注的低頻振動部分都是松動類機(jī)械故障，水平方向多是平衡類機(jī)械故障，而軸向多數(shù)是對中類機(jī)械故障。故障與征兆不是一一對應(yīng)的關(guān)系，一種征兆可能隱藏多種故障，而某一類故障也可能引出多種征兆的表現(xiàn)。

從目前看，此設(shè)備存在典型的多征兆多故障并存現(xiàn)象，而機(jī)械故障，特別是電機(jī)+離心泵的設(shè)備系統(tǒng)，常見的有松動、對中、平衡、軸承部件故障等。

按照設(shè)備故障的劣化順序和邏輯關(guān)系，第一步需要排除的是松動類故障。因為松動本身可以增加設(shè)備的振動烈度，激化不對中和不平衡類的故障，長期處于松動運(yùn)行，還容易引起軸承配合和部件故障。

2.2 頻譜分析（圖1）

機(jī)械設(shè)備的松動故障一般分類3個類型：A型——基礎(chǔ)松動；B型——結(jié)構(gòu)框架松動；C型——軸承部件松動（軸系松動）。機(jī)械松動的主要原因有自身設(shè)計剛性不足、安裝精度不良、長期運(yùn)行老化磨損、基礎(chǔ)或支座損壞、部件破損或配合間隙變大等。其中，A型松動典型的特征是：1倍頻站主導(dǎo)地位，徑向振動較大，特別是垂直方向的振動最大，軸向振動偏小或正常。

表2 各測點振動測量值

從圖1所示的4個頻譜來看，垂直方向最大，并且是1倍頻為主，并攜帶有2倍頻、3倍頻等倍頻分量。同時從趨勢判斷也可以看出，2#，3#和4#這3個測點的軸向振動也很大，松動惡化了軸系的運(yùn)行穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致了不平衡和對中問題。

2.3 診斷建議

根據(jù)故障的劣化順序和解決故障的順序，分析后建議，首先排除A型基礎(chǔ)松動問題。解決措施：排查現(xiàn)場基礎(chǔ)灌漿，水泥底座和地腳螺栓是否有松動問題，然后再采集振動數(shù)據(jù)觀察是否有變化，排除基礎(chǔ)灌漿和底座破損的因素后，安排人員緊固8個地腳螺栓。

緊固地腳螺栓最合適的方式是使用扭力扳手，這樣通過數(shù)顯可以知道扭力的大小，保持緊固力的均勻，如果沒有此類工具，建議安排一個人來執(zhí)行緊固任務(wù)，這樣扭力大小基本可以保持一致。

3 測量驗證

垂直方向上，在緊固了8個地腳螺栓以后，振動幅值都回歸較好狀態(tài)，基本處于安全運(yùn)行階段（表3）。圖2、圖3是處理前后的頻譜對比。說明處理措施對應(yīng)了設(shè)備故障的根源。但同時也要在排除基礎(chǔ)松動以后，觀察對其他方向振動的影響。

水平方向的振動幅值因為做了地腳螺栓緊固，使設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)得到了改善，但是數(shù)值整體偏高，并且都是1倍工頻和其諧波分量為主要成分，特別是2#點和4#點的水平方向，振動依然比較高?？紤]泵本身受到的水推力和平衡盤的離心力的影響，外加管線的振動干擾，整體泵的葉輪動態(tài)平衡不好。后續(xù)處理措施緊固拉緊螺栓，排查電機(jī)軸心線與水泵軸心線重合情況。該泵已運(yùn)行多年，沒有更換過葉輪配件，葉輪、軸套等部件存在磨損或剝落情況。處理后反饋，水平振動減少到4.5 mm/s左右，可以監(jiān)控運(yùn)行。

同時，軸向振動減幅比較大，恢復(fù)正常的運(yùn)行狀態(tài)，無明顯的倍頻分量出現(xiàn)。因為緊固了地腳螺栓，從垂直方向消除了松動因素，使得電機(jī)與聯(lián)軸器以及泵軸的中心偏差減小，對中效果理想，同時也減弱了由松動引起的軸向力過大，所以振幅變小，進(jìn)入合理的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行環(huán)境。

4 總結(jié)

（1）振動監(jiān)測對于日常設(shè)備運(yùn)維起到良好的保障作用，用數(shù)據(jù)分析來查找設(shè)備的潛在故障原因，可以更準(zhǔn)確對故障進(jìn)行定源定性分析。該輸油泵表現(xiàn)的故障是油田設(shè)備最常見的，因為日常保養(yǎng)過程中缺乏振動數(shù)據(jù)采集而忽視，如果得到不處理，還會引發(fā)轉(zhuǎn)子、軸承、聯(lián)軸器等位置的損壞，甚至造成設(shè)備意外停機(jī)。

表3 緊固螺栓后各測點振動值

（2）振動的監(jiān)測目前比較主要的劃分標(biāo)準(zhǔn)有“JB/T 8097—1999泵的振動測量與評價方法”、“SHS01003—2004石油化工旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動標(biāo)準(zhǔn)”和“ISO 10816-3—2016設(shè)備類型1-4速度標(biāo)準(zhǔn)”。其中，前兩種標(biāo)準(zhǔn)中將設(shè)備運(yùn)行極限閾值設(shè)為11.2 mm/s，而后一種為7.1 mm/s。各石油化工企業(yè)根據(jù)自身設(shè)備運(yùn)行的具體狀況，采用的標(biāo)準(zhǔn)等級也不一樣，有很多企業(yè)建立了自己的評判標(biāo)準(zhǔn)。本案例中，按照前兩種標(biāo)準(zhǔn)評判，基礎(chǔ)螺栓緊固后的水平方向振動達(dá)到了監(jiān)控運(yùn)行的界限，但按照ISO的標(biāo)準(zhǔn)就處于危險階段。所以，基于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)知預(yù)判的要求，建議采用更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，盡可能多地排查早期故障，避免隱患問題惡化。

圖2 02V-v處理前后頻譜圖對比

圖3 04V-v處理前后頻譜圖對比

（3）隨著國內(nèi)裝備制造業(yè)的不斷技術(shù)升級改進(jìn)，目前類似于輸油泵的多級離線泵的設(shè)計水平、工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安裝水平都得到了很大提升，多數(shù)情況下現(xiàn)場故障為日常運(yùn)維不足或方式欠妥引起的運(yùn)行過程中的漸發(fā)性故障，通過有效的預(yù)防監(jiān)測，可以提前避免很多這類問題?；A(chǔ)松動、支座松動、軸系松動等問題在日常運(yùn)維中占有很大比例，所以，采用數(shù)字化專業(yè)的監(jiān)測工具，通過數(shù)據(jù)分析來提高設(shè)備運(yùn)維保養(yǎng)的效率和準(zhǔn)確性，既提高了設(shè)備運(yùn)行安全率、避免了過度維修對運(yùn)行的干擾，同時還節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。這也正是運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷以及預(yù)知維修的重要價值和意義。