動(dòng)設(shè)備振動(dòng)診斷數(shù)據(jù)采集規(guī)范化組態(tài)方法探討

陳明華

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

0 引言

動(dòng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)自2002 年在海洋油氣田廣泛應(yīng)用，為設(shè)備資產(chǎn)管理提供設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，支持設(shè)備管理由預(yù)防性維修向預(yù)知性維修轉(zhuǎn)變。當(dāng)前，隨著智能油氣田、無人平臺等應(yīng)用場景在海上油田的開發(fā)與應(yīng)用，對設(shè)備可靠性提出更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，期望能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警、診斷及趨勢性判斷。因此，如何通過振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)范化的數(shù)據(jù)采集，獲得在數(shù)據(jù)格式一致的振動(dòng)數(shù)據(jù)，是振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)通信、存儲(chǔ)、共享的基礎(chǔ)條件。數(shù)據(jù)匯集，進(jìn)而通過大數(shù)據(jù)及深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警與診斷。下文將圍繞海洋油氣田動(dòng)設(shè)備，闡述振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集規(guī)范化組態(tài)的具體思路與方法。

1 海洋石油采油平臺動(dòng)設(shè)備主要類型

采油平臺屬于油氣生產(chǎn)、處理、外輸?shù)牧鞒袒a(chǎn)裝置，采油平臺使用的動(dòng)設(shè)備主要包括：①泵類機(jī)組：臥室離心泵、立式離心泵及電機(jī)；②高速渦輪機(jī)械機(jī)組：離心壓縮機(jī)，軸流壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及電機(jī)或發(fā)電機(jī)；③往復(fù)壓縮機(jī)以及電機(jī)；④內(nèi)燃機(jī)（燃?xì)?、燃油）以及發(fā)電機(jī)。

各類動(dòng)設(shè)備因設(shè)備結(jié)構(gòu)差異而不同，采用不同的分析數(shù)據(jù)和分析方法，因此設(shè)備數(shù)據(jù)采集的規(guī)范化數(shù)據(jù)格式可分為4 類。下文以泵類為例，詳細(xì)說明振動(dòng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集規(guī)范化方法，其他設(shè)備可參照相同思路形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集規(guī)范化組態(tài)方法。

2 現(xiàn)有涉及泵類振動(dòng)數(shù)據(jù)采集的國家標(biāo)準(zhǔn)給出的相關(guān)要求

泵類的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，在一般性定義方面已有相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，遵照執(zhí)行即可，如：①GB 6075 規(guī)定了各類動(dòng)設(shè)備在非旋轉(zhuǎn)軸上測量評價(jià)機(jī)器的振動(dòng)，在測點(diǎn)布置、寬頻振動(dòng)、測量幅值范圍、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面給出了要求；②GB 19873 規(guī)定了則對測量參數(shù)類型（加速度、速度、位移），測量參數(shù)的幅值范圍、頻率范圍、振動(dòng)相位、測量精度及重復(fù)性給出了要求。但國家標(biāo)準(zhǔn)對于每類設(shè)備的每個(gè)測點(diǎn)，應(yīng)采集幾個(gè)頻段的數(shù)據(jù)，每個(gè)頻段采集的頻寬、頻率分辨率并沒有統(tǒng)一的要求，下文將就此重點(diǎn)闡述。

3 海洋石油動(dòng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集組態(tài)現(xiàn)狀及解決問題的思路

3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題

目前設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)的組態(tài)方法并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求，不同監(jiān)測軟件、專業(yè)團(tuán)隊(duì)、使用不同的數(shù)據(jù)采集組態(tài)定義，以致采集的數(shù)據(jù)頻段、分辨率、采樣時(shí)長等不一致、數(shù)據(jù)即使存入共享數(shù)據(jù)庫，共享使用也有較大難度。

3.2 解決問題思路

通過梳理海上平臺動(dòng)設(shè)備故障類型，分析不同故障的數(shù)據(jù)采集要求；將數(shù)據(jù)采集要求相近的整合到同一頻段范圍，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整最大分析頻寬、采樣點(diǎn)數(shù)（頻率分辨率）以滿足每一個(gè)整合后統(tǒng)一頻段的數(shù)據(jù)分析要求；每個(gè)采樣點(diǎn)可通過幾個(gè)確定的采樣頻段完成采樣，實(shí)現(xiàn)規(guī)范數(shù)據(jù)分析采集定義、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集定義數(shù)量，降低數(shù)據(jù)通信負(fù)荷和存儲(chǔ)容量，并為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)共享使用，做大數(shù)據(jù)分析和智能診斷創(chuàng)造條件。

4 機(jī)械故障振動(dòng)診斷數(shù)據(jù)采集規(guī)范化組態(tài)方法

采油平臺使用的動(dòng)設(shè)備，因設(shè)備結(jié)構(gòu)差異而不同，采用不同的分析數(shù)據(jù)和分析方法，設(shè)備數(shù)據(jù)采集定義不同。其中離心泵是海上油氣田設(shè)備數(shù)量最多的設(shè)備，也是目前監(jiān)測的主要設(shè)備，本文以離心泵為例說明規(guī)范化數(shù)據(jù)采集的組態(tài)方法。

4.1 海上油氣田離心泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

軸承類型：滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承；轉(zhuǎn)子類型：剛性轉(zhuǎn)子；電機(jī)類型：兩極、四極異步電機(jī)，電源頻率為50 Hz。

4.2 離心泵數(shù)據(jù)采集的一般參數(shù)設(shè)置

離心泵所有振動(dòng)數(shù)據(jù)均采用振動(dòng)加速度傳感器在非旋轉(zhuǎn)部件上測取，直接測量振動(dòng)加速度，速度由加速度積分得到。

如上文所述，海洋油氣田離心泵采用的是加速度傳感器在非旋轉(zhuǎn)部件上測試振動(dòng)數(shù)據(jù)，其中采集點(diǎn)數(shù)、測點(diǎn)位置、振動(dòng)幅值范圍、振動(dòng)相位測量、測量精度及重復(fù)性，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6075.3—2001 及GB 19873，在此不再贅述。

4.3 離心泵數(shù)據(jù)采集頻段設(shè)置及優(yōu)化

海洋油氣田不同類型的離心泵及連接附屬的部件包括：泵軸、滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承、傳動(dòng)齒輪及齒輪軸、葉輪、電機(jī)靜子及繞組、電機(jī)轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)皮帶輪及皮帶、設(shè)備底座。依據(jù)不同設(shè)備故障和部件故障的故障機(jī)理，總結(jié)海洋油氣田歷年來監(jiān)測的離心泵設(shè)備振動(dòng)故障和油氣行業(yè)同類設(shè)備的故障案例，故障的頻譜特征，整理最高分析頻率，頻率分辨率要求，見表1。

表1 離心泵振動(dòng)故障特征及數(shù)據(jù)分析頻率及分辨率要求

表1 中需要使用的故障頻率及頻率分辨率計(jì)算公式如下。

（1）軸承各部件故障頻率的估算公式：

內(nèi)圈故障頻率≈（滾動(dòng)體數(shù)量/2+1.2）×轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

外圈故障頻率≈（滾動(dòng)體數(shù)量/2-1.2）×轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

滾動(dòng)體故障頻率≈1/2（滾動(dòng)體數(shù)量/2-1.2/滾動(dòng)體數(shù)量）×轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

保持架故障頻率≈（1/2-1.2/滾動(dòng)體數(shù)量）×轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

（2）齒輪嚙合頻率=齒輪齒數(shù)×齒輪軸轉(zhuǎn)速。

（3）皮帶運(yùn)行頻率=皮帶周長/（2π×皮帶輪直徑×皮帶輪轉(zhuǎn)速）。

（4）電機(jī)極通過頻率=（電源線頻率-電機(jī)工頻）×電機(jī)極數(shù)。

（5）頻率分辨率=2×（最高分析頻率×2.56/采樣點(diǎn)數(shù)）×1.5，其中漢寧窗的窗口系數(shù)為1.5。

從表1 中的頻段及頻率分辨率要求，可歸納為如下5 個(gè)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集頻段：

（1）200 Hz，無特殊分辨率要求200 線。

（2）200 Hz,需要區(qū)分極通過頻率3200 線。

（3）500 Hz,無特殊分辨率要求400 線。

（4）2500 Hz，無特殊分辨率要求800 線。

（5）10 000 Hz，無特殊分辨率要求3200 線。

因無特殊分辨率要求，顯然頻段3 可滿足頻段1 的數(shù)據(jù)分析要求，兩個(gè)頻段可合并，統(tǒng)一采用頻段3；同理，頻段4 與頻段5 可合并，統(tǒng)一采用頻段5。

如此，將數(shù)據(jù)采集整合為2、3、5 共3 個(gè)頻段，3 個(gè)頻段的數(shù)據(jù)組態(tài)主要參數(shù)及對應(yīng)的故障類型整理如表2。

表2 優(yōu)化整合后設(shè)備振動(dòng)故障數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)組態(tài)要求

5 頻段合并后如何保障幅值動(dòng)態(tài)范圍及數(shù)據(jù)分析便利性

5.1 振動(dòng)幅值的動(dòng)態(tài)范圍

頻段合并后，一個(gè)頻段有多個(gè)設(shè)備故障特征頻率，不同頻率的振動(dòng)幅值差異較大，如：速度譜中的不平衡與軸承故障頻率，加速度譜中齒輪嚙合頻率的沖擊信號和滾動(dòng)軸承故障頻率沖擊信號。目前的數(shù)采器最低都是24 位，振動(dòng)幅值的動(dòng)態(tài)范圍大于90 dB,完全能夠滿足要求。

5.2 數(shù)據(jù)分析便利性

頻段合并后，一個(gè)頻段有多類設(shè)備故障特征頻率?？筛鶕?jù)設(shè)備自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，做好分頻段預(yù)警設(shè)置，在同一頻段觀察不同設(shè)備故障特征數(shù)據(jù)變化情況，數(shù)據(jù)分析便利性較多頻段數(shù)據(jù)分別采集等效。

6 總結(jié)

流程工業(yè)各行業(yè)的動(dòng)設(shè)備故障振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與行業(yè)生產(chǎn)及設(shè)備特點(diǎn)緊密相關(guān)，針對每個(gè)行業(yè)動(dòng)設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)范化采集，是數(shù)據(jù)分析業(yè)務(wù)人員在數(shù)據(jù)分析處理層面進(jìn)行數(shù)據(jù)治理的重要環(huán)節(jié)，也是工業(yè)大數(shù)據(jù)與商業(yè)大數(shù)據(jù)的主要區(qū)別。