化工機(jī)械設(shè)備狀態(tài)的診斷與分析

劉光虎(寧波卓安石化技術(shù)服務(wù)有限公司，浙江 寧波 315207)

1 化工機(jī)械設(shè)備概述

相比于其他機(jī)械設(shè)備，化工機(jī)械設(shè)備必須能夠適應(yīng)化工產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境，比如：高溫、低溫、低壓、爆炸和腐蝕等環(huán)境，不僅要能夠滿足連續(xù)運轉(zhuǎn)的機(jī)械強(qiáng)度，同時機(jī)械自身要具有良好的抗腐蝕性能。化工設(shè)備工作中通常涉及到各種能量的轉(zhuǎn)化，比如：熱能、機(jī)械能、電磁能等能量的轉(zhuǎn)換，需要的機(jī)械設(shè)備種類很多。

化工機(jī)械設(shè)備根據(jù)設(shè)備使用情況可分為靜設(shè)備、動設(shè)備以及帶運動的靜設(shè)備三類。靜設(shè)備包括反應(yīng)器、換熱器以及塔器；動設(shè)備包含了各種泵、壓縮機(jī)以及離心機(jī)；另一類為帶攪拌的反應(yīng)釜。根據(jù)設(shè)備使用壓力可分為常壓設(shè)備、負(fù)壓設(shè)備、承壓設(shè)備(壓力容器)。根據(jù)設(shè)備的原理及作用又可以分為：(1)化學(xué)反應(yīng)類設(shè)備，比如：反應(yīng)釜、不銹鋼反應(yīng)罐，搪玻璃開始反應(yīng)罐等；(2)換熱設(shè)備，比如：各種加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、干燥設(shè)備以及結(jié)晶設(shè)備；(3)比如翅片式換熱器、盤式干燥機(jī)；(4)還有分離設(shè)備，如：離心機(jī)、壓濾機(jī)、膜分離以及過濾器等。

2 化工機(jī)械設(shè)備狀態(tài)診斷與分析的意義

2.1 進(jìn)行安全隱患排查

由于化工生產(chǎn)產(chǎn)品的特殊性，一旦發(fā)生泄漏及爆炸事故，將會對社會及經(jīng)濟(jì)造成較大的影響。在實際生產(chǎn)中會出現(xiàn)許多不安全因素，造成機(jī)器部件失效，影響整個系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，還會導(dǎo)致其他事故發(fā)生引發(fā)人員傷亡和財產(chǎn)損失。另外，由于操作不當(dāng)或者檢修時未及時發(fā)現(xiàn)問題也引起嚴(yán)重后果。對于企業(yè)來說，最直接有效方法就是加強(qiáng)自身管理水平提高工作效率，必須重視機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與維修維護(hù)的重要性。通過故障診斷技術(shù)快速準(zhǔn)確地找出導(dǎo)致化工機(jī)械設(shè)備性能下降甚至停機(jī)的主要因素，及時發(fā)現(xiàn)并解決隱患問題，以確保整個系統(tǒng)安全可靠運行[1]。

2.2 掌握機(jī)械設(shè)備的運作狀態(tài)

有些化工機(jī)械設(shè)備在生產(chǎn)中雖然表面狀態(tài)看似正常，但有可能內(nèi)部零件有所損壞，這就需要通過實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)及時了解機(jī)械部件、零件以及生產(chǎn)工藝流程等狀況變化。維修人員通過觀察記錄儀、示波器等工具檢測到機(jī)械運轉(zhuǎn)過程中存在哪些問題，快速找到潛在危險點和可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果的區(qū)域，并對這些區(qū)域做出判斷分析。利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對企業(yè)生產(chǎn)過程中的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，并通過分析結(jié)果來確定影響產(chǎn)品質(zhì)量和性能因素，找出事故隱患發(fā)展趨勢。設(shè)備狀態(tài)的診斷分析與日常維護(hù)、保養(yǎng)等工作緊密聯(lián)系，在檢修期間可以根據(jù)設(shè)備運行情況，及時更換及調(diào)整零部件，在檢查中發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象應(yīng)立即進(jìn)行處理。

2.3 機(jī)械設(shè)備故障原因

通過化工機(jī)械設(shè)備的診斷與分析工作，能夠診斷故障類型、故障性質(zhì)，確定化工機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障的原因，對發(fā)生故障的設(shè)備零件詳細(xì)診斷，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)為日后運維提供重要參考，避免故障再次發(fā)生。機(jī)械設(shè)備使用壽命是一個重要的指標(biāo)，設(shè)備性能、工作工況及維修保養(yǎng)決定了設(shè)備使用壽命。使用過程中由于磨損、老化等原因會造成設(shè)備內(nèi)部嚴(yán)重的損傷，按照診斷標(biāo)準(zhǔn)確定維修周期，根據(jù)特征判斷出設(shè)備當(dāng)前所處狀態(tài)，提出改進(jìn)措施，以提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量水平。

3 化工機(jī)械設(shè)備狀態(tài)診斷和分析的方法

3.1 簡易診斷技術(shù)

簡易診斷技術(shù)是指使用一些簡單的儀器儀表進(jìn)行輔助診斷，根據(jù)設(shè)備運行的具體情況和監(jiān)測儀器對設(shè)備進(jìn)行分析判斷故障狀態(tài)。在實際中應(yīng)用很普遍，它主要包括兩種情況：一是直接觀察和間接測試；二是通過對設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征信息的分析來確定故障點位置以及可能發(fā)生概率與嚴(yán)重程度等。其優(yōu)點在于簡單易行，適用范圍廣，費用較少。簡易診斷法來確定故障部位和位置、分析原因并采取相應(yīng)措施，方便檢修人員判斷。但是這種方法也存在著一定缺點，基本是通過經(jīng)驗判斷，很可能出現(xiàn)診斷錯誤或者結(jié)果不穩(wěn)定的情況發(fā)生，需要借助專家系統(tǒng)或其他技術(shù)手段才能解決這些難題。簡易診斷方法有聽診法、觸測法等[2]。

3.1.1 聽診法

聽診法主要是指利用人體的聽覺系統(tǒng)來獲取設(shè)備運行狀態(tài)信息并進(jìn)行分析。化工機(jī)械設(shè)備在正常良好的運行下發(fā)出的聲響是有一定的規(guī)律、平穩(wěn)、無雜音，如果出現(xiàn)故障可能會出現(xiàn)一些雜音、怪音、重音或者其他異響。通常能夠根據(jù)異響位置定位故障點，從而及時發(fā)現(xiàn)并清除故障。實際工作中聽診法還可以借助輔助工具—電子聽診器，它包括聲音采集、數(shù)據(jù)處理和診斷等部分。在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中使用到的聲音傳感器采集到一些特定波長或者頻率信號，這些信號可以用于檢測設(shè)備內(nèi)部是否存在異?；蚬收?。

3.1.2 觸測法

觸測法指利用人體的觸覺，對設(shè)備運行中狀態(tài)進(jìn)行診斷和分析的方法，比如設(shè)備的外殼溫度，干濕度、震動、位置之間的變化等，簡單和直觀就能進(jìn)行初步診斷。實際工作中還可以借助輔助工具，比如觸摸式測量方式，利用壓力傳感器或者溫度傳感器對被檢測對象的表面進(jìn)行分析，能夠準(zhǔn)確地采集并記錄所要測試樣本量、分析數(shù)據(jù)等信息，精度與可靠性較高，廣泛應(yīng)用于化工機(jī)械生產(chǎn)現(xiàn)場的測量，比如采用貼片熱電偶傳感器，能夠準(zhǔn)確測量元件溫度。測振儀測量到狀態(tài)信號，判斷機(jī)械設(shè)備是否存在異常[3]。

3.2 精密診斷技術(shù)

精密設(shè)備狀態(tài)診斷和分析是一種非常重要的方法，是指對設(shè)備的狀態(tài)量、參數(shù)進(jìn)行測量，并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)判斷設(shè)備是否達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，能夠診斷故障類型、故障性質(zhì)以及故障產(chǎn)生的原因等，通常具有故障預(yù)警功能。精密診斷儀器或裝置比較專業(yè)和復(fù)雜，需要一定經(jīng)驗和專業(yè)的技術(shù)人員來操作，融合了多學(xué)科知識。隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等方面不斷發(fā)展與進(jìn)步，現(xiàn)代化工機(jī)械設(shè)備不斷向自動化以及智能化方向發(fā)展，對設(shè)備的檢測精度以及檢測速度就有了更高要求，高靈敏度和精確度來保證系統(tǒng)正常運行及維護(hù)人員操作的可靠性。比如，基于微機(jī)檢測與控制的數(shù)字信號處理技術(shù)完成對機(jī)器或儀器部件進(jìn)行實時診斷、人工智能與診斷專家系統(tǒng)等，都屬于精密診斷[4]。精密診斷技術(shù)包括油液分析技術(shù)、紅外測溫技術(shù)、無損檢測技術(shù)、聲振測試及分析技術(shù)等。

3.2.1 油液分析技術(shù)

油液分析適用于不便于振動監(jiān)測的設(shè)備，比如往復(fù)機(jī)械設(shè)備。油液的流動特性主要受到兩個因素影響：一是由重力作用引起液體密度差；二是在高壓下產(chǎn)生氣體與固體之間相互吸引而發(fā)生的碰撞。油液分析常用的方法有光譜分析、鐵譜分析以及顆粒計數(shù)分析。鐵譜分析從最初的發(fā)動機(jī)分析擴(kuò)展到液壓系統(tǒng)，齒輪渦輪傳動箱以及軸承等零部件，廣泛應(yīng)用于在化工行業(yè)。比如大型天然氣壓縮機(jī)組，運行時間較長，故障率較高，通過對曲軸箱內(nèi)潤滑油進(jìn)行取樣編號之后分析金屬元素濃度值，來診斷內(nèi)部存在的磨損。油液分析能夠?qū)Υ笮蜋C(jī)械設(shè)備的零部件進(jìn)行逐個診斷，比如對生銹、磨損、老化以及腐蝕情況，通過油液分析技術(shù)，相關(guān)技術(shù)人員可以根據(jù)得到的結(jié)果判斷零件的使用狀態(tài)，從而可以確定零件是否需要更換或者更換最佳時間。

3.2.2 紅外測溫技術(shù)

紅外測溫利用熱敏元件的輻射效應(yīng)，通過測量物體表面溫度，將物體的紅外線輻射能轉(zhuǎn)化為電腦可以識別的電信號，根據(jù)溫度分布圖像，快速檢測設(shè)備隱藏溫差，從而判斷設(shè)備運行情況的診斷技術(shù)。其具有操作簡單、響應(yīng)速度快，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距測試，節(jié)省人力成本。在化工機(jī)械設(shè)備使用過程中，通常采取紅外在線測量，對設(shè)備進(jìn)行掃描，不同的溫度代表不同的設(shè)備工況，確定化工機(jī)械設(shè)備運作的狀態(tài)，并且將結(jié)果以電型號的形式展示在監(jiān)控屏，這樣運行人員能夠快速直觀地掌握化工機(jī)械設(shè)備具體的情況。

3.2.3 無損檢測技術(shù)

無損檢測技術(shù)就是對物體進(jìn)行缺陷分析，是化工設(shè)備診斷分析常用技術(shù)，利用物質(zhì)的聲光磁等性質(zhì)，比如：超聲檢測、射線探傷，光學(xué)成像法、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測等識別材料成分或設(shè)備缺陷。這種檢測不會損害化工機(jī)械設(shè)備內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，對被檢對象進(jìn)行非接觸式、非接觸性或電學(xué)性能等特性參數(shù)分析與評定，具有全面性及可靠性。X射線探針屬于電磁感應(yīng)探測手段中應(yīng)用最廣泛之一，具有較高的靈敏度及抗干擾能力。超聲波法主要利用了超聲回波信號來進(jìn)行判斷和判定物體是否發(fā)生位移或移動等情況，對測距具有較高的精度。紅外成像法通過使用不同顏色對光強(qiáng)度、溫度、密度值以及形狀尺寸大小，檢測與判別化工機(jī)械設(shè)備狀態(tài)，并將所得出結(jié)果反饋給計算機(jī)處理，在化工機(jī)械設(shè)備狀態(tài)診斷中應(yīng)用越來越多[5]。

3.2.4 聲、振測試及其分析技術(shù)

聲、振速和噪聲是相互聯(lián)系的，聲音是由振動產(chǎn)生，振動時也被稱為聲波。在化工機(jī)械設(shè)備運行中，聲音和振動都與其運行工況息息相關(guān)。聲源分成兩個部分進(jìn)行分析：一是通過波束向周圍環(huán)境傳遞信息，聲音在不同介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生能量衰減而引起振動頻率變化；二是其他物質(zhì)對其反射或者震動形成了一種特殊波束形式接收其傳遞能量信息，在外界環(huán)境中對被測物體產(chǎn)生影響的作用力和振動方向加以控制而發(fā)出聲音信號，這樣便構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)。可以通過測量聲波與被測物體之間的振動，來判斷設(shè)備性能產(chǎn)生的影響，進(jìn)而診斷是否存在設(shè)備缺陷或者需要修復(fù)。聲、振測試及其分析技術(shù)在診斷和評定化工機(jī)械設(shè)備的動態(tài)性能方面，以及維修質(zhì)量方面具有一定的權(quán)威性，應(yīng)用效果得到認(rèn)可。

3.2.5 功率譜分析技術(shù)

功率譜是一種無源的分析方法，用于檢測設(shè)備狀態(tài)。當(dāng)機(jī)器發(fā)生故障時，會產(chǎn)生大量能量消耗和損耗。這些耗損包括機(jī)械部件、電學(xué)元件以及電氣系統(tǒng)中所使用到的材料等造成了磨損，而其中某些零部件也可能因為某種原因?qū)е聯(lián)p壞或老化問題出現(xiàn)從而引起不必要損失增加。功率譜由山狀譜、線狀譜和隨機(jī)譜三種頻結(jié)構(gòu)組成。在實際工作過程當(dāng)中，由于各種外界因素影響下的情況比較復(fù)雜，例如：天氣變化、溫度高低不均等會對設(shè)備狀態(tài)診斷帶來一定程度上不利因素。通常情況下故障類型為非正常工作、無異常工況和有異常部件三個部分，而在這三種情形中只有少數(shù)會出現(xiàn)不穩(wěn)定或波動性較大以及是由于設(shè)備本身缺陷等因素造成。

4 設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)

化工機(jī)械設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測診斷主要是由硬件設(shè)備平臺和軟件體系架構(gòu)兩部分組成，前者包括了傳感器、射頻識別器、通信接口等，后者包括監(jiān)控中心服務(wù)器。利用現(xiàn)代計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊、智能傳感、數(shù)字化測量等設(shè)備完成數(shù)據(jù)收集并轉(zhuǎn)換成可識別的信息，保證了故障診斷結(jié)果可靠性和準(zhǔn)確性。對企業(yè)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)中的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行實時監(jiān)測，通過信息化手段將監(jiān)測值傳遞到數(shù)據(jù)中臺進(jìn)行實時分析，對某項監(jiān)測指標(biāo)存在異常時系統(tǒng)發(fā)送告警提醒，及時通知相關(guān)作業(yè)人員巡檢處理。另外，還可以與其他智能互聯(lián)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動，及時控制上下游設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)，滿足企業(yè)對生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的監(jiān)測以及控制需求，實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控，增加企業(yè)生產(chǎn)效益。

系統(tǒng)總體構(gòu)架主要由四個模塊組成，分別是數(shù)據(jù)采集、設(shè)備狀態(tài)檢測、故障預(yù)警以及歷史記錄。其中，數(shù)據(jù)采集包括傳感器的信號處理以及顯示裝置的數(shù)字化。儀器狀態(tài)監(jiān)測分為三個方面：聲光報警器故障診斷電路、時鐘閃爍模擬電路以及電源開關(guān)等功能進(jìn)行監(jiān)控管理與維護(hù)操作。軟件部分首先進(jìn)行界面設(shè)計，需要考慮輸入輸出格式、數(shù)據(jù)類型以及輸入值等信息是否符合要求，其次要對數(shù)據(jù)庫中存儲的文件及屬性信息進(jìn)行定義?；C(jī)械設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測診斷不僅能夠準(zhǔn)確地獲取相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)參數(shù)值，還可以有效避免人為因素干擾和影響安全監(jiān)測系統(tǒng)正常運行。

5 結(jié)語

化工機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)診斷與分析是為了判斷出生產(chǎn)過程中可能存在的故障，然后采取針對性的改善措施，以達(dá)到安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運行，維護(hù)機(jī)器產(chǎn)品正常工作?；C(jī)械設(shè)備的診斷與分析是一項綜合性工作，相比于其他機(jī)械，涉及到更多的能量轉(zhuǎn)換形式，工況也較為復(fù)雜，在實際生產(chǎn)過程中需要加強(qiáng)狀態(tài)診斷與監(jiān)測并及時采取有效措施，從而保證生產(chǎn)的安全穩(wěn)定。