基于振動監(jiān)測的海洋石油雙螺桿壓縮機(jī)組在線監(jiān)測與診斷應(yīng)用分析

李進(jìn)

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300450）

1 工藝要求

作為浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置（FPSO),其上面的工藝流程復(fù)雜、設(shè)備眾多。 設(shè)備的安全運(yùn)行對于海洋石油油氣的安全生產(chǎn)具有重要影響。 海洋石油某FPSO 針對天然氣壓縮機(jī)機(jī)組設(shè)計電機(jī)-齒輪箱-螺桿壓縮機(jī)機(jī)組。 由于設(shè)備關(guān)鍵性高、維修不便、備件周期長等因素，需要對該機(jī)組開展預(yù)測性維修， 提高設(shè)備完整性管理水平。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機(jī)組結(jié)構(gòu)參數(shù)

該機(jī)組為兩級雙螺桿壓縮機(jī)，機(jī)組簡要技術(shù)參數(shù)見表1 所示。

表1 雙螺桿壓縮機(jī)機(jī)組簡要參數(shù)

2.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

該機(jī)組是旋轉(zhuǎn)設(shè)備，包含電機(jī)、齒輪箱、壓縮機(jī)三部分。 文獻(xiàn)[1]、[2]、[3]已證實，振動監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)對該類型機(jī)組的有效監(jiān)測和診斷。因此在機(jī)組軸承座位置安裝振動加速度傳感器采集電機(jī)、齒輪箱、壓縮機(jī)的振動狀態(tài)參數(shù)。 由于該機(jī)組屬于海洋石油A 類關(guān)鍵機(jī)組， 該機(jī)組的平穩(wěn)安全運(yùn)行對于海洋石油的安全生產(chǎn)有著重要影響。因此采用在線監(jiān)測的方式搭建振動監(jiān)測系統(tǒng)，做到對機(jī)組的預(yù)測性維修。

由于海洋石油主要采用海底光纜、 衛(wèi)星、微波等通訊方式，但已建成的信息網(wǎng)絡(luò)逐漸顯示出其承載能力的不足[4]。 為了提升現(xiàn)場數(shù)字化服務(wù)和完整性管理能力，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和處理的及時有效，建立分層分布式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。 在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)見圖1 所示。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)以上設(shè)計，雙螺桿壓縮機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)界面見圖2 所示。圖2 能夠顯示機(jī)組的測點(diǎn)布置和實時狀態(tài)監(jiān)測。 在該機(jī)組三部分中，齒輪箱與壓縮機(jī)的診斷相對復(fù)雜，利用時域波形可以初步判斷故障是否存在，進(jìn)一步通過頻域分析可以判斷出故障部位和故障原因[5]。 擁有增速齒輪的雙螺桿壓縮機(jī)需要區(qū)分工頻、 齒輪箱故障頻率、軸承故障頻率、雙桿嚙合頻率等，因此有效的頻率分析是雙螺桿壓縮機(jī)故障診斷的關(guān)鍵。

圖2 壓縮機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)

3 機(jī)組數(shù)據(jù)分析與評估

該機(jī)組齒輪箱、一級及二級壓縮機(jī)測點(diǎn)振動數(shù)據(jù)對比之前2019年11-12月份運(yùn)行數(shù)據(jù)有升高趨勢，但本次振動總值升高后機(jī)組運(yùn)行趨勢較穩(wěn)定。 結(jié)合機(jī)組自身特點(diǎn)和工況，振動數(shù)據(jù)雖有所上升，發(fā)現(xiàn)整體尚屬于許可范圍。 第一次數(shù)據(jù)變化狀態(tài)見圖3 所示。

圖3 機(jī)組第一次數(shù)據(jù)變化趨勢

2020年1月21-29日， 在線監(jiān)測工程師在值班時連續(xù)發(fā)現(xiàn)進(jìn)口壓縮機(jī)B 機(jī)組齒輪箱和一級及二級壓縮機(jī)測點(diǎn)振動數(shù)據(jù)比1月20日之前有明顯升高趨勢， 且本次機(jī)組齒輪箱和壓縮機(jī)振動總值呈緩慢上升趨勢。 上升趨勢圖見圖4。一級壓縮機(jī)速度頻譜中主要為223.69 Hz 的頻率及其諧波， 二級壓縮機(jī)速度頻譜中主要是211.26 Hz 的頻率及其諧波； 加速度頻譜中主要為1000-5000 Hz 峰值突出， 時域波形存在明顯的沖擊現(xiàn)象。 加速度頻譜中主要為270.29 Hz 的頻率及其諧波。

圖4 第二次數(shù)據(jù)變化趨勢

在1月29日接到預(yù)警后， 停機(jī)并根據(jù)診斷的結(jié)論意見和維修建議對機(jī)組拆檢，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組齒輪箱齒輪齒面有銹蝕情況，齒輪箱潤滑油雜質(zhì)較多；一級壓縮機(jī)驅(qū)動端軸承滾道有剝落。 現(xiàn)場更換齒輪箱潤滑油和一級壓縮機(jī)驅(qū)動端軸承。

設(shè)備拆檢完后再次啟動運(yùn)行，于3月18-19日第三次發(fā)現(xiàn)進(jìn)口壓縮機(jī)機(jī)組二級壓縮機(jī)測點(diǎn)振動突變上升，監(jiān)測工程師緊急預(yù)警通知石油平臺現(xiàn)場緊急關(guān)停設(shè)備。二級壓縮機(jī)加速度總值上升到100 m/s2左右，二級壓縮機(jī)速度頻譜中主要是211.26 Hz 的頻率及其諧波。 加速度頻譜中1000-5000 Hz 峰值突出，時域波形存在明顯的周期性沖擊現(xiàn)象。加速度頻譜和加速度包絡(luò)頻譜中221.26 Hz 頻率8-10 倍頻諧波峰值明顯。 第三次預(yù)警狀態(tài)監(jiān)測頻譜見圖5 所示。異常數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)特征表明機(jī)組二級螺桿壓縮機(jī)的驅(qū)動端（即靠近齒輪箱側(cè)）軸承存在嚴(yán)重的磨損。

圖5 第三次異常數(shù)據(jù)頻譜

根據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的持續(xù)的異常數(shù)據(jù)分析與診斷結(jié)論， 反映機(jī)組的軸承存在故障問題，現(xiàn)場設(shè)備管理人員對機(jī)組進(jìn)行了拆檢，發(fā)現(xiàn)軸承故障，與在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的故障結(jié)論一致。

4 結(jié)語

文中根據(jù)某FPSO 壓縮機(jī)建立基于振動監(jiān)測的在線監(jiān)測系統(tǒng)， 能夠獲得設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過對機(jī)組運(yùn)行中存在的異常狀態(tài)數(shù)據(jù)分析評估，診斷設(shè)備的狀態(tài)和存在的故障。 通過現(xiàn)場拆檢，證實數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。 因此基于振動監(jiān)測的在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠為海洋石油設(shè)備運(yùn)行安全提供保障。