基于頻譜分析的離心泵健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷

高 帆，李洪元，吳 帆

(1.重慶川儀軟件有限公司，重慶 401121；2.陽(yáng)江核電有限公司，廣東 陽(yáng)江 529500)

0 引言

機(jī)械設(shè)備是企業(yè)進(jìn)行正常生產(chǎn)的技術(shù)基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化程度越來(lái)越高，生產(chǎn)制造的效率也不斷提高。同時(shí)，由于設(shè)備更加復(fù)雜，各部分的關(guān)聯(lián)愈加密切，往往某些微小故障就會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備乃至與設(shè)備有關(guān)的環(huán)境遭受災(zāi)難性的毀壞。

泵類設(shè)備在流程工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，它的作用就像心臟輸送血液一樣，將各種液體介質(zhì)輸送到下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是石油化工生產(chǎn)裝置中用量較大的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，對(duì)泵類設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷、準(zhǔn)確識(shí)別故障部位及故障原因具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

1 離心泵健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷研究現(xiàn)狀

1.1 離心泵工作原理及結(jié)構(gòu)

離心泵工作流程如圖1所示。

圖1 離心泵工作流程圖

離心泵是利用葉輪旋轉(zhuǎn)使介質(zhì)產(chǎn)生離心力來(lái)工作的。泵葉輪中心處，輸送介質(zhì)在離心力作用下被甩出形成低壓，并與吸入罐之間形成壓差，在大氣壓力作用下輸送介質(zhì)被壓進(jìn)泵殼內(nèi)。葉輪通過(guò)不停轉(zhuǎn)動(dòng)，使介質(zhì)在葉輪的作用下不斷流入與流出，達(dá)到輸送介質(zhì)的目的。

離心泵主要由以下部件構(gòu)成。①葉輪。離心泵對(duì)輸送介質(zhì)的做工主要通過(guò)葉輪進(jìn)行。②軸與軸承。泵軸的兩端分別與聯(lián)軸器和葉輪相連，軸承包括滑動(dòng)軸承及滾動(dòng)軸承。③泵殼。離心泵的泵殼是設(shè)備運(yùn)行壓力的負(fù)荷所在，主要分為軸向和徑向剖分式。④軸封裝置。軸封裝置的功能包括防止外界空氣進(jìn)入泵殼，以及防止泵內(nèi)的液體外漏。⑤密封環(huán)。密封環(huán)存在于葉輪蓋板和泵殼上，主要功能是防止泵內(nèi)部液體發(fā)生泄漏。

1.2 離心泵故障分類及特點(diǎn)

離心泵運(yùn)行故障按時(shí)間階段可分為兩類：一是啟動(dòng)階段的出水故障以及啟動(dòng)后的性能惡化等；二是運(yùn)行階段的轉(zhuǎn)子不平衡、泵軸彎曲、軸承故障、葉輪磨損、地腳螺栓松動(dòng)等[4-7]。離心泵故障類型及原因如表1所示。

表1 離心泵故障類型及原因

2 基于故障特征知識(shí)庫(kù)的自動(dòng)故障診斷

2.1 故障特征知識(shí)庫(kù)

基于故障特征知識(shí)庫(kù)的設(shè)備故障自動(dòng)診斷流程如圖2所示。

圖2 基于故障特征知識(shí)庫(kù)的自動(dòng)故障診斷流程圖

在獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)濾波、除噪等數(shù)據(jù)預(yù)處理后，應(yīng)用聚類、決策樹(shù)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)中挖掘出故障信息。通過(guò)大量數(shù)據(jù)的積累，建立特征知識(shí)庫(kù)，獲得與故障有關(guān)的診斷規(guī)則。通過(guò)故障特征匹配，并結(jié)合可信度綜合計(jì)算等步驟，提高設(shè)備故障檢測(cè)和診斷的可靠性[8]。

2.2 離心泵頻譜故障特征診斷規(guī)則

對(duì)于故障特征知識(shí)庫(kù)而言，獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理及提取故障特征是基礎(chǔ)，關(guān)鍵部分是診斷模型。建立并完善診斷模型的過(guò)程包括以下3方面。①通過(guò)大量數(shù)據(jù)的故障特征提取，建立覆蓋到大部分故障類型及故障特征的故障樹(shù)。②通過(guò)自學(xué)習(xí)的方式逐步修正模型。③手動(dòng)添加修改完善模型。

當(dāng)被測(cè)對(duì)象為泵時(shí)，通過(guò)輸入泵的相關(guān)參數(shù)，可以檢測(cè)出軸承的內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、保持架等故障。診斷規(guī)則可以對(duì)上述故障現(xiàn)象自動(dòng)搜索故障頻率，精確定位故障位置；還可以診斷出聯(lián)軸器齒面磨損、泵軸彎曲、不對(duì)中等。泵機(jī)組故障結(jié)構(gòu)樹(shù)如圖3所示。

圖3 泵機(jī)組故障結(jié)構(gòu)樹(shù)

3 石化用離心泵故障診斷

石油化工用泵是石油化工生產(chǎn)裝置中用量較大的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，泵的作用就像心臟輸送血液一樣，將各種液體介質(zhì)輸送到下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并且提供化學(xué)反應(yīng)所需的壓力、流量[9-11]。在種類眾多的石油化工用泵中，離心泵占的比例較大。例如：一個(gè)中型煉油廠需要千余臺(tái)泵，其中離心泵占83%、往復(fù)泵占6%、齒輪泵占3%。因此，對(duì)石油化工用離心泵的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷，具有非常重要的實(shí)際意義[12-14]。

3.1 設(shè)備監(jiān)測(cè)情況

2018年，重慶川儀設(shè)備健康監(jiān)測(cè)診斷服務(wù)團(tuán)隊(duì)對(duì)石化工藝段中的2臺(tái)乙二醇干燥塔底泵進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。待測(cè)設(shè)備在以下部位安裝了4個(gè)傳感器：電機(jī)驅(qū)動(dòng)端、泵驅(qū)動(dòng)端、泵非驅(qū)動(dòng)端、葉輪。石油化工用離心泵傳感器部署點(diǎn)位如圖4所示。測(cè)試期間，2臺(tái)泵的電機(jī)均以1 490 r/min勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 石油化工用離心泵傳感器部署點(diǎn)位

3.2 數(shù)據(jù)分析及診斷結(jié)論

離心泵驅(qū)動(dòng)端頻譜故障特征識(shí)別如圖5所示。A泵的快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)頻譜中出現(xiàn)123.9 Hz波峰，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 490 r/min，故障頻率的階次為4.99。根據(jù)上文建立的故障特征知識(shí)庫(kù)，階次4.99滿足泵驅(qū)動(dòng)端軸承外圈故障規(guī)則，特征知識(shí)庫(kù)自動(dòng)將此頻率識(shí)別為軸承外圈故障，并且該頻率的峰值已達(dá)到0.13 V，表明故障較為嚴(yán)重。B泵的FFT頻譜上沒(méi)有出現(xiàn)與軸承相關(guān)的波峰，也未與特征知識(shí)庫(kù)的規(guī)則產(chǎn)生匹配，表明軸承運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

圖5 離心泵驅(qū)動(dòng)端頻譜故障特征識(shí)別

電機(jī)驅(qū)動(dòng)端頻譜故障特征識(shí)別如圖6所示。A泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)端的FFT頻譜中出現(xiàn)91.6 Hz波峰，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 490 r/min，此故障頻率的階次為3.68。根據(jù)上文建立的故障特征知識(shí)庫(kù)，階次3.68滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承外圈故障規(guī)則，特征知識(shí)庫(kù)自動(dòng)將此頻率識(shí)別為軸承外圈故障，并且該頻率的峰值已達(dá)到0.13 V，表明故障較為嚴(yán)重。B泵電機(jī)的FFT頻譜上沒(méi)有出現(xiàn)與軸承相關(guān)的波峰，也未與特征知識(shí)庫(kù)的規(guī)則產(chǎn)生匹配，表明軸承運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

該設(shè)備的故障診斷結(jié)論為泵驅(qū)動(dòng)端以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承外圈故障。經(jīng)更換軸箱后，該泵設(shè)備重新投入運(yùn)行。截至目前,該設(shè)備運(yùn)行正常，未再出現(xiàn)軸承故障。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端頻譜故障特征識(shí)別

4 核電站用消防水泵健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷案例

核電站的消防供水系統(tǒng)由水源、水泵、消防泵房和管路組成，通過(guò)水泵這一能動(dòng)設(shè)備向消防滅火能動(dòng)裝置提供和輸送具有足夠設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)流量的消防水，其供水的可靠性是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的根本保障[15-18]。當(dāng)發(fā)生火險(xiǎn)，系統(tǒng)壓力值降至某一定值時(shí)，在30 s內(nèi)，每個(gè)機(jī)組的2臺(tái)泵分別由2個(gè)獨(dú)立的應(yīng)急配電系統(tǒng)供電，消防泵根據(jù)消防水量、系統(tǒng)壓力的變化依次啟動(dòng)。消防水泵應(yīng)力波傳感器部署點(diǎn)位如圖7所示。

圖7 消防水泵應(yīng)力波傳感器部署點(diǎn)位

4.1 設(shè)備監(jiān)測(cè)情況

2019年，重慶川儀應(yīng)力波技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊(duì)對(duì)核電站常規(guī)島的消防水泵進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分別在水泵驅(qū)動(dòng)端、非驅(qū)動(dòng)端2個(gè)部位共部署了2個(gè)應(yīng)力波傳感器，檢測(cè)期間電機(jī)以2 973 r/min勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 數(shù)據(jù)分析及診斷結(jié)論

消防水泵頻譜故障特征識(shí)別如圖8所示。

圖8 消防水泵頻譜故障特征識(shí)別

泵驅(qū)動(dòng)端的FFT頻譜中出現(xiàn)198.9 Hz及19.5 Hz波峰，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 973 r/min，此故障頻率的階次為4.01及0.39。根據(jù)上文建立的故障特征知識(shí)庫(kù)，階次4.01滿足泵驅(qū)動(dòng)端滾動(dòng)體故障規(guī)則，特征知識(shí)庫(kù)自動(dòng)將此頻率識(shí)別為滾動(dòng)體故障；階次0.39滿足保持架故障規(guī)則，特征知識(shí)庫(kù)自動(dòng)將此頻率識(shí)別為保持架故障。這表明泵驅(qū)動(dòng)端軸承滾動(dòng)體及保持架出現(xiàn)故障，并且滾動(dòng)體故障頻率波峰的峰值已達(dá)到0.22 V，故障較為嚴(yán)重。根據(jù)以上兩個(gè)特征頻率，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，認(rèn)為泵的軸承存在保持架故障及滾動(dòng)體故障，不排除保持架已經(jīng)斷裂的可能性。

4.3 設(shè)備解體驗(yàn)證

2019年3月，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行解體。取下軸承并解體后，發(fā)現(xiàn)非驅(qū)動(dòng)端軸承的多個(gè)滾動(dòng)體表面出現(xiàn)環(huán)形槽，并且驅(qū)動(dòng)端軸承保持架存在3處斷裂。驅(qū)動(dòng)端軸承解體如圖9所示。

圖9 驅(qū)動(dòng)端軸承解體

針對(duì)解體后的多個(gè)滾動(dòng)體表面出現(xiàn)環(huán)形槽，此現(xiàn)象準(zhǔn)確無(wú)誤地說(shuō)明該軸承存在滾動(dòng)體故障；對(duì)于保持架的3處斷裂，筆者認(rèn)為頻譜特征自動(dòng)診斷結(jié)論中的保持架故障，指向的是保持架裂紋或輕微裂口。圖9中的3處保持架斷裂不排除是保持架裂紋或輕微裂口再加上解體時(shí)的外力共同作用引起的。上述解體驗(yàn)證的結(jié)果與診斷結(jié)論基本一致，表明故障特征診斷規(guī)則的合理性，也驗(yàn)證了頻譜分析對(duì)于滾動(dòng)軸承故障特征識(shí)別的有效性。該泵在更換驅(qū)動(dòng)端、非驅(qū)動(dòng)端軸承后，重新投入運(yùn)行，截至目前該設(shè)備運(yùn)行正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)的高速發(fā)展，泵設(shè)備的綜合技術(shù)指標(biāo)要求越來(lái)越高。經(jīng)實(shí)際案例驗(yàn)證，本文所論述的頻譜故障特征自動(dòng)識(shí)別的方法對(duì)于判斷泵類設(shè)備的故障部位及故障原因行之有效，高準(zhǔn)確性、高可靠性的故障診斷結(jié)果對(duì)應(yīng)保證設(shè)備維護(hù)效果極其重要。對(duì)于流程工業(yè)來(lái)說(shuō)，除了在設(shè)備發(fā)生實(shí)際損壞后應(yīng)用故障特征自動(dòng)識(shí)別技術(shù)定位設(shè)備的故障部位及故障原因以外，還迫切急需轉(zhuǎn)變現(xiàn)有設(shè)備的維修思路和方法，將普遍采用的計(jì)劃性檢修向基于設(shè)備健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警診斷進(jìn)行轉(zhuǎn)變。通過(guò)合理利用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)等手段，將有助于在設(shè)備故障早期發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵機(jī)械部件的故障原因，真正做到未病先防、既病防變，幫助企業(yè)、行業(yè)找到設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的捷徑，提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益。