海洋石油平臺多級離心泵遠程故障監(jiān)測及診斷方案研究

武震華 賀相軍 邱波 王光明

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計院，天津 塘沽 300451）

1 前言

隨著海洋石油平臺無人化研究的進一步深化，如何實現(xiàn)平臺上生產(chǎn)設(shè)施的無人化巡檢和遠程故障檢測已經(jīng)成為急需解決的重要課題，針對海上無人平臺大型機械動設(shè)備的遠程故障診斷進行研究，以期通過相關(guān)研究可以更進一步的為大型機械動設(shè)備的遠程故障診斷提供思路和技術(shù)支撐，達到設(shè)備問題早發(fā)現(xiàn)、早解決，降低平臺運營成本、提高勞動生產(chǎn)率，消減安全風(fēng)險。

多級離心泵是海洋石油平臺的原油外輸泵和注水泵的常用選型，它具有高效節(jié)能、性能范圍廣、運行安全平穩(wěn)、低噪音、長壽命、安裝維修方便等優(yōu)點，通過改變泵的材質(zhì)、密封型式和增加冷卻系統(tǒng)、可輸送熱水、油類、腐蝕性的介質(zhì)。

2 多級離心泵的結(jié)構(gòu)

對于作為平臺上的常規(guī)原油外輸泵或注水泵的多級離心泵，其又分為水平剖分多級離心泵和軸向剖分多級離心泵，海洋石油平臺多采用水平剖分多級離心泵，其采用蝸殼形泵體，每個葉輪的外圍都有相應(yīng)的蝸室，相當(dāng)于將幾個單級蝸殼泵裝在同一根軸上串聯(lián)工作，所以又叫蝸殼式多級泵，如圖1。由于泵體是水平剖分式，吸入口和排出口都直接鑄在泵體上，檢修時很方便，只需把泵蓋取下，即可暴露出整個轉(zhuǎn)子，在檢修轉(zhuǎn)子時，需要將整個轉(zhuǎn)子吊出，不必拆卸連接管路。由于泵的葉輪通常為偶數(shù)對稱布置，大部分軸向力得到平衡，因而不需要安裝軸向平衡裝置。

圖1 水平剖分多級離心泵結(jié)構(gòu)圖

水平剖分多級離心泵具有可靠性高、壽命長、易檢修維護等優(yōu)點，主要用于油田注水、原油輸送、鍋爐給水、石油化工等固體濃度小于5%wt，顆粒直徑小于0.2mm的水或物理性質(zhì)類似于水的各種介質(zhì)輸送。

3 多級離心泵的監(jiān)測信號

為了能夠了解多級離心泵的運行狀態(tài)，則需要對泵各種運行狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測，一般需要監(jiān)測泵進出口壓力、各個軸溫、電機各相繞組溫度，具體監(jiān)測信號及監(jiān)測位置如圖2。

圖2 多級離心泵信號監(jiān)測點及參數(shù)

多級離心泵的具體信號監(jiān)測位置及監(jiān)測參數(shù)為：電機繞組A相溫度、電機繞組B相溫度、電機繞組C相溫度、電機非驅(qū)動端軸承溫度、電機驅(qū)動端軸承溫度、泵驅(qū)動端軸承溫度、泵非驅(qū)動端軸承溫度、泵殼體溫度、泵入口壓力、泵出口壓力、泵驅(qū)動端軸承振動值、泵非驅(qū)動端軸承振動值、電機驅(qū)動端軸承振動值、電機非驅(qū)動端軸承振動值。通過這些信號的監(jiān)測，了解泵的運行性能及機械性能，可以提前發(fā)現(xiàn)潛在故障和已經(jīng)出現(xiàn)的故障。

常規(guī)多級離心泵通常設(shè)置如下：

電機繞組溫度：135℃報警、145℃停機；

泵、電機滾動軸承溫度：90℃報警、95℃停機；

泵、電機滑動軸承溫度：75℃報警、80℃停機；

泵軸承振動：11.2mm/s報警、14.1mm/s停機；

泵殼體溫度：按泵進口壓力扣除泵的必須汽蝕余量值后以該差值為飽和蒸汽壓值查出輸送介質(zhì)對應(yīng)的飽和溫度值，該溫度值降低5度為報警值，降低10度為停機值。

以上信號均可在當(dāng)?shù)乜刂票P和遠程中控顯示、監(jiān)控，如果監(jiān)測值超過設(shè)定值，給予警示及相應(yīng)的動作。

4 多級離心泵監(jiān)測信號采集及傳輸方案

多級離心泵所有狀態(tài)監(jiān)測信號均通過預(yù)先安裝于指定位置的傳感器監(jiān)測，通過變送器傳送至現(xiàn)場控制盤，現(xiàn)場控制盤經(jīng)過收集處理后，通過RS485線傳至平臺的現(xiàn)場中控室，在中控室中可以監(jiān)控這些現(xiàn)場信號，并記錄、存儲、并通過海底電纜及廣域網(wǎng)傳至遠程監(jiān)控診斷管理維護中心，在此中心，所有信號數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)形式及圖表形式顯示、存儲，如圖3。

通過圖3可以看出，通過網(wǎng)絡(luò)傳過來的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過遠程終端隨時接入查看，也可以通過遠程監(jiān)控診斷管理維護中心進行實時監(jiān)控，并對接遠程人工專家系統(tǒng)和遠程大數(shù)據(jù)中心，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)一旦出現(xiàn)異動，遠程人工專家系統(tǒng)介入診斷，并輔以遠程大數(shù)據(jù)中心初步判斷可能存在的故障或者潛在風(fēng)險，由此快速確定泵運行狀態(tài)及后期可能出現(xiàn)的問題。

圖3 多級離心泵監(jiān)測信號采集及傳輸方案圖

遠程監(jiān)控診斷管理維護中心的主要任務(wù)是遠程監(jiān)控及遠程診斷，遠程監(jiān)控主要通過網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)頁版監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)，遠程診斷主要依賴于人工專家系統(tǒng)和遠程大數(shù)據(jù)中心，人工專家系統(tǒng)可以通過專家組在線分析及判斷，診斷可能出現(xiàn)故障原因，專家組成員可以是廠家專業(yè)人員、經(jīng)驗豐富的現(xiàn)場操作人員以及高等學(xué)校的學(xué)者教授等；而遠程大數(shù)據(jù)中心主要通過類似泵大量故障數(shù)據(jù)的積累，再借助學(xué)習(xí)系統(tǒng)或者類似人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)積累和分析，判斷可能出現(xiàn)的問題，再由人工專家系統(tǒng)復(fù)合，最終診斷出故障原因及可能的發(fā)展趨勢，并提出解決思路和方案。

5 多級離心泵常規(guī)故障及原因

水平剖分多級離心泵（BB3型）的多級離心泵屬于成熟泵型，因此其故障類型也相對比較常見，下表是多級離心泵常見的故障類型及原因，可寫入遠程專家系統(tǒng)或者遠程大數(shù)據(jù)中心，作為參考進行比對。

序號 故障 原因 故障排除1、增大出水閥門開度直到額定點2、充分排氣或灌滿水3、去除管道或葉輪內(nèi)沉積物4、檢查管路、閥門、過濾器5、增加泵轉(zhuǎn)速6、檢查間隙、更換磨損件7、檢查最小流量系統(tǒng)1 泵流量小于額定值進低口6、管泵道的或7、最小流2 泵出口壓定力值大于額1、轉(zhuǎn)速過1、轉(zhuǎn)速過3 泵出口壓定力值小于額部沒元有件充磨分損6、吸入壓1、前置泵4 泵進口吸入壓力低3、吸入管全打開5 軸封、機大封泄露量1圈衡、水損軸管壞套堵或、塞1、最小流6 泵體溫度異常 量閥動作手動閥關(guān)閉1、泵揚程過高2、泵或管路沒有充分排氣3、葉輪阻塞4、NPSHa過低5、轉(zhuǎn)速過內(nèi)部元件磨損（軸套、密封環(huán)等）量閥不能正常關(guān)閉高2、泵在低于額定流量運轉(zhuǎn) 1、降低轉(zhuǎn)速或切割葉輪2、增大出口閥開度至額定流量低2、泵在大流量區(qū)運行3、泵的內(nèi)（軸套、密封環(huán)等）4、泵或管路排氣5、最小流量閥不能正常關(guān)閉力不足1、提高轉(zhuǎn)速至額定值2、關(guān)小出口閥門開度至額定值3、檢查間隙，更換磨損件4、充分排氣或灌滿水5、檢查最小流量系統(tǒng)6、檢查進水管路1、檢查前置泵2、清理自動過濾器3、排空管道內(nèi)空氣4、檢查進口閥輸入壓力不足2、自動過濾器堵塞內(nèi)混入空氣4、進口閥堵塞或未完密封套、靜或動密封面磨損2、O型密封面受損3、轉(zhuǎn)子中心偏高4、平1、更換新的零件2、檢查更換或修復(fù)3、重新調(diào)整轉(zhuǎn)子中心4、檢查清理平衡水管量閥孔或節(jié)流孔板堵塞2、最小流不良3、殼體溫度異常4、最小流量5、泵異常1、檢查清掃閥孔及節(jié)流孔板2、拆開閥體并檢查3、檢查限位開關(guān)的安裝與動作4、打開手動閥5、檢查修理內(nèi)部

1、軸7 軸承溫度高 過低件磨1、不8 異常振動 或部件氣內(nèi)夾承損壞2、潤滑油量不足3、油位過高或4、油質(zhì)差5、有異物進入6、泵的內(nèi)部元損，軸向力變化7、泵組沒有正確校準(zhǔn)1、檢查軸承；如有必要，更換2、檢查潤滑系統(tǒng)油壓、是否堵塞3、補充潤滑油或調(diào)整油位至規(guī)定值4、更換潤滑油5、檢查油過濾器或清潔軸承箱并更換油6、更換合格零件7、檢查聯(lián)軸器；必要時重新校準(zhǔn)1、檢查對中性2、檢查轉(zhuǎn)子的動平衡3、排盡氣體并檢查系統(tǒng)的氣密性4、檢查聯(lián)軸器5、檢查并測量轉(zhuǎn)子的間隙6、更換軸承7、更換或修復(fù)8、排盡氣體并檢查系統(tǒng)的氣密性9、底板底部沒有正確的支撐9 泵很快停轉(zhuǎn) 1、泵轉(zhuǎn)動部件卡死 1、拆開泵更換損壞零件并重新裝配10 泵泄露 1、O形圈損壞或密封面受損2、螺栓松動 1、檢查更換或修復(fù)2、重新緊固螺栓11 電機事故或超載 1、超負荷2、低電壓3、電機起動停滯4、接地5、泵的內(nèi)部元件磨損對中2、轉(zhuǎn)子不平衡3、液體內(nèi)夾帶空氣體4、聯(lián)軸器不平衡5、轉(zhuǎn)動部件與靜止接觸6、軸承間隙增大7、軸變形8、液體帶空氣或氣體9、安裝不正確1、泵內(nèi)部摩擦或流量過大，降低流量2、檢查電源3、調(diào)節(jié)定時器裝置4、檢查配線阻值5、更換合格零件12 油路故障 1、油泵故障2、安全閥調(diào)節(jié)壓力不良3、管道漏油4、油濾器和配管堵塞1、檢查、維修油泵2、調(diào)整安全閥3、檢查修理漏點4、清洗油濾器和油配管13 起動停滯 1、輸出電動閥故障2、輸出壓力開關(guān)動作不良3、起動回路異常1、檢查全開限位開關(guān)的動作2、調(diào)節(jié)或更換壓力開關(guān)3、檢查電氣回路14 泵潤滑油壓低 1、潤滑油泵輔助油泵主油泵故障2、低電壓3、管路漏油4、油濾器配管堵塞1、檢修油泵2、調(diào)正安全閥3、檢查修理漏洞4、清洗油濾器和油配管15 泵冷卻水?dāng)嗨?1、冷卻水出入口閥關(guān)閉2、冷卻通水部分堵塞1、打開閥2、檢查堵塞，除去異物16 自動過濾器壓差大1、濾芯堵塞2、過濾器入口閥閉 1、進行排泄，并拆開進行清洗2、打開入口閥17 其它故障 1、超負荷2、電流過大 1、拆開修理2、檢查配閥

從上表可以看出，多級離心泵的常規(guī)故障基本都可以通過溫度、振動、流量及壓力等數(shù)據(jù)監(jiān)測出來，個別例如泄露之類的故障，也可以通過視頻監(jiān)控或紅外探測予以發(fā)現(xiàn)，因此，從目前的監(jiān)測手段，通過一定的專家系統(tǒng)，基本可以預(yù)測或發(fā)現(xiàn)多級離心泵的常規(guī)故障。

6 多級離心泵遠程監(jiān)控及診斷總體功能模塊

建立基于云計算的設(shè)備遠程故障診斷系統(tǒng)的主要目的是幫助企業(yè)用戶在設(shè)備遇到故障不能正常運行時能夠通過進行故障診斷，而不需要設(shè)備維修人員到現(xiàn)場，這樣可以在最短的時間內(nèi)解決故障，減少損失。

遠程診斷中心在整個故障診斷系統(tǒng)中處于核心地位，它幫助用戶完成設(shè)備故障的診斷以及診斷記錄的存儲。遠程診斷中心可以幫助業(yè)主完成設(shè)備故障的診斷和存儲，應(yīng)該具備以下功能：

故障信息存儲及查詢功能：多級離心泵所有監(jiān)測信息，包括溫度、壓力、振動以及音視頻都在現(xiàn)場和遠程實時記錄存儲，如果人員到現(xiàn)場檢修，可以通過現(xiàn)場記錄的信息了解故障情況。遠程故障診斷中心也必須可以實時保存現(xiàn)場數(shù)據(jù)，方便遠程專家查詢和診斷分析。

故障遠程診斷功能：在遠程故障診斷中心會提前存儲多級離心泵的正常運行參數(shù)，現(xiàn)場運行參數(shù)波動在正常范圍內(nèi)，則只是記錄和顯示曲線，如果出現(xiàn)運行參數(shù)超出正常范圍，則在遠程診斷中心監(jiān)視器上提示多級離心泵運行異常，并根據(jù)預(yù)先在系統(tǒng)設(shè)置的各種故障的表現(xiàn)，進行提示性顯示。同時，提醒遠程專家介入故障診斷，預(yù)判可能存在問題。

7 結(jié)論

通過梳理多級離心泵的原理、結(jié)構(gòu)，性能參數(shù)的梳理，制訂了多級離心泵遠程監(jiān)測及診斷方案，并對多級離心泵常見的故障和信號顯示進行了歸納，為后續(xù)無人平臺多級離心泵的遠程故障及專家診斷系統(tǒng)做好了方案規(guī)劃研究。