機(jī)泵無線監(jiān)測系統(tǒng)在軸承故障診斷中的應(yīng)用

張 哮

（中國石油大慶煉化公司檢維修中心，黑龍江大慶 163000）

0 引言

煉油化工企業(yè)在日常巡檢中對機(jī)泵故障判斷的方法主要有設(shè)備測振和紅外測溫，但這兩種方法很難準(zhǔn)確地預(yù)測和分析機(jī)泵的潛在故障，存在很大的安全隱患。為了加強(qiáng)對企業(yè)機(jī)泵的監(jiān)督管理，提高機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)和安全水平，并滿足日常的生產(chǎn)需要，各企業(yè)應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)泵監(jiān)測全覆蓋，及時發(fā)現(xiàn)機(jī)泵故障，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量預(yù)知維修。

機(jī)泵無線監(jiān)測系統(tǒng)是基于振動、溫度、包絡(luò)、加速度等相關(guān)參數(shù)，以及振動頻譜分析和超標(biāo)振動趨勢報(bào)警等各功能的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)每隔5 min 采集一次現(xiàn)場實(shí)時溫度和電源電壓，30 min 采集一次現(xiàn)場振動值，8 h 采集一次設(shè)備頻譜，實(shí)現(xiàn)機(jī)泵監(jiān)測全覆蓋的要求，在關(guān)鍵機(jī)泵監(jiān)測的覆蓋、監(jiān)測及時性、預(yù)知診斷等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

1 機(jī)泵監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

每日由各生產(chǎn)部點(diǎn)檢工程師、狀態(tài)監(jiān)測人員通過包絡(luò)值、加速度、頻譜等分析手段，實(shí)時了解設(shè)備運(yùn)行情況，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常的運(yùn)行狀態(tài)，針對各設(shè)備軸承實(shí)現(xiàn)快速診斷，提高設(shè)備可靠性，減少非計(jì)劃停機(jī)。并且設(shè)備劣化分析和趨勢預(yù)測，也從另一方面降低了關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，建立設(shè)備全生命周期管理。監(jiān)測系統(tǒng)通過設(shè)備智能預(yù)警手段不僅降低員工工作強(qiáng)度，優(yōu)化備品配件管理，還能減少資金占用，提升設(shè)備運(yùn)維效率并為維修方案的制定提供依據(jù)。未來還將不斷完善設(shè)備故障自動化判斷功能，減少設(shè)備維修判斷和處理時間，提升設(shè)備維修效率和使用壽命，為設(shè)備維修節(jié)約成本。

2 智能預(yù)警架構(gòu)

2.1 閾值預(yù)警

閾值預(yù)警的基本含義就是對設(shè)備振動設(shè)定不同層級的預(yù)警線（通用是兩級），第一級是預(yù)警線（即高報(bào)閾值），第二級是報(bào)警線（即高高報(bào)閾值），當(dāng)設(shè)備振動超過報(bào)警閾值即觸發(fā)相應(yīng)層級的報(bào)警。設(shè)備振動閾值有兩種來源：一是源于國際/國家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 10816—2014 或GB/T 29531—2013《泵的振動測量與評價方法》；二是通過數(shù)據(jù)驅(qū)動計(jì)算所得，如積累大量的設(shè)備振動歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)必要的數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理后獲取可表征設(shè)備不同運(yùn)行狀態(tài)的振動值作為報(bào)警閾值。

2.2 趨勢預(yù)警

旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備一旦發(fā)生故障，相應(yīng)的振動特征值會比正常狀態(tài)有一定變化，其變化程度取決于故障的嚴(yán)重程度。趨勢增幅預(yù)警含義就是把設(shè)備正常狀態(tài)下的振動值作為基準(zhǔn)振動量，將采集到的設(shè)備實(shí)時振動與基準(zhǔn)振動值進(jìn)行對比并計(jì)算增長幅度，當(dāng)增長幅度超過算法預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值則觸發(fā)增幅報(bào)警。

增幅報(bào)警結(jié)果同樣具有兩個層級，第一層級是增幅高報(bào)，對應(yīng)趨勢增長幅度較大；第二層級是增幅高高報(bào)，對應(yīng)趨勢增長幅度非常大。趨勢增幅報(bào)警通過實(shí)時特征值與正常基準(zhǔn)之間的增長幅度反映設(shè)備是否出現(xiàn)異常或故障，相較于傳統(tǒng)閾值預(yù)警方法的優(yōu)勢在于，可以彌補(bǔ)由于工況影響或閾值設(shè)置不合理造成的漏報(bào)警和誤報(bào)警，避免誤報(bào)警導(dǎo)致的不良后果及漏報(bào)警造成的損失。

2.3 多級預(yù)警

單純依靠設(shè)備振動值的絕對大小并不能準(zhǔn)確地評價設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過設(shè)備振動絕對大小與振動趨勢相對變化融合的方式，可以有效評價設(shè)備狀態(tài)。智能預(yù)警提供了一種以綜合的多級預(yù)警結(jié)果作為判斷依據(jù)，準(zhǔn)確評估設(shè)備實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)。該智能預(yù)警架構(gòu)從兩大維度評價設(shè)備狀態(tài)，一是設(shè)備振動絕對大小，表示設(shè)備狀態(tài)的“結(jié)果”特性；二是設(shè)備振動相對趨勢大小，表示設(shè)備狀態(tài)的“變化”特性。

多級預(yù)警邏輯為：基于“結(jié)果”特性為主、“變化過程”特性為輔的原則，綜合考慮閾值報(bào)警結(jié)果和趨勢增幅和趨勢增速報(bào)警結(jié)果，得出設(shè)備多級預(yù)警并進(jìn)行等級劃分（表1）。

表1 預(yù)警等級劃分及內(nèi)容

3 應(yīng)用案例

3.1 給水泵軸承損傷

動力裝置有鍋爐6 臺，額定流量為1128 m3/h；外供低壓給水泵3 臺，設(shè)計(jì)流量255 m3/h。本次故障給水泵機(jī)泵設(shè)備型號為SMC80（II）×（13-3），額定流量85 m3/h，2016 年10 月投產(chǎn)；驅(qū)動機(jī)透平機(jī)型號為B72L，額定轉(zhuǎn)速2950 r/min，額定流量9.1 t/h。

2021 年3 月14 日，工作人員通過機(jī)泵監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，給水泵非驅(qū)動端加速度包絡(luò)峰值增幅報(bào)警（高高報(bào)限值為200 m/s2），并且非驅(qū)動端振動值到達(dá)9.3 mm/s。聯(lián)系裝置設(shè)備管理人員及機(jī)械維修人員，達(dá)到現(xiàn)場組織切換設(shè)備并解體檢查。通過監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)泵非驅(qū)動端頻譜以工頻為主導(dǎo)并伴有諧波，分析該測點(diǎn)軸承有明顯松動現(xiàn)象，結(jié)合包絡(luò)振動頻譜，發(fā)現(xiàn)有軸承（型號為7310BDB）的滾動體缺陷頻率。在泵非驅(qū)動端加速度峰值3 月14 日凌晨有一次異常波動，3 月15 日該測點(diǎn)的包絡(luò)峰值迅速上升至590 m/s2。

由此分析可知，透平驅(qū)動設(shè)備轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，導(dǎo)致軸向力變化頻繁，因此給水泵長期承受來自入口側(cè)的軸向力，泵非驅(qū)動端軸承可能已經(jīng)損壞。因此建議停機(jī)檢查軸承損壞情況。

3 月15 日13：40，維修人員拆卸給水泵高壓端軸承后檢查發(fā)現(xiàn)，12 個外側(cè)軸承中有10 個滾動體出現(xiàn)表皮剝落現(xiàn)象（圖1）。本次振動的主要原因?yàn)楣に囌{(diào)整頻繁，導(dǎo)致出口壓力高、軸向力作用持續(xù)居高不下，使軸承強(qiáng)度下降。建議在設(shè)備管理中加強(qiáng)日常維護(hù)工作，盡量穩(wěn)定設(shè)備運(yùn)行工況，并為工況波動提供及時、準(zhǔn)確的切換方案。

圖1 損壞的滾動體和內(nèi)圈

3.2 燃料油泵磨損

燃料油泵2013 年4 月投用，為DS50-215/7（B）型多極離心泵，主要為鍋爐提供燃料油供應(yīng)。其輸送的介質(zhì)為油漿（＜100 ℃），最大揚(yáng)程380 m（液柱），設(shè)計(jì)排量為25 m3/h，正常轉(zhuǎn)速2950 r/min，額定功率75 kW，驅(qū)動端軸承形式為NU309。

2021 年10 月26 日巡檢機(jī)泵無線監(jiān)測系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)，機(jī)泵驅(qū)動端瞬時振動速度值達(dá)到2.803 mm/s，振動處于C 區(qū)運(yùn)行。機(jī)泵的包絡(luò)值和加速度振動趨勢同步上漲，頻譜以1×主導(dǎo)并且包絡(luò)頻譜有軸承缺陷頻率。對設(shè)備解體檢查后發(fā)現(xiàn)，軸承滾動體表面有細(xì)微溝痕，且軸承內(nèi)圈表面有滾動體接觸摩擦痕跡（圖2）。

圖2 軸承磨損情況

對本次故障原因進(jìn)行分析，首先潤滑油內(nèi)含有細(xì)小的顆粒雜質(zhì)，造成軸承滾動體的摩擦。該泵的潤滑油更換周期應(yīng)為半年，但實(shí)際更換較為頻繁。其次，現(xiàn)場實(shí)際情況是，每次換油均因軸承箱潤滑油顏色加深，所以增加了換油頻次，同時存在軸承箱邊角處的雜質(zhì)沖洗不徹底的情況，進(jìn)而影響設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。最后，輸送介質(zhì)由于內(nèi)粉塵的變化，黏度也在發(fā)生了階段性變化，進(jìn)而影響機(jī)泵運(yùn)行工況，造成間歇性振動。

制定如下改進(jìn)措施：①更換為合格的軸承配件；②加強(qiáng)設(shè)備潤滑管理，要求操作人員從底部放油并手動盤車，以增加軸承內(nèi)潤滑油的擾動，使更換潤滑油工作更徹底；③加強(qiáng)巡檢監(jiān)測，確保設(shè)備安全。

3.3 脫丙烷塔頂回流泵軸承損壞

2004 年投用的35 萬噸/年氣體分餾裝置脫丙烷塔頂回流泵，介質(zhì)為丙烯、丙烷，屬于高危機(jī)泵。設(shè)備額定功率為45 kW，采用雙端面機(jī)械密封，驅(qū)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速2950 r/min，聯(lián)軸器端軸承型號為7311×2，非聯(lián)軸器端軸承型號為6212。

查看機(jī)泵振動速度波形頻譜圖，發(fā)現(xiàn)該泵波形圖呈現(xiàn)拍振特征，頻譜以機(jī)泵的2×主導(dǎo)。綜合分析后認(rèn)為，頻譜峰值較高、波動大，底腳噪聲明顯異常。建議機(jī)泵解體，檢查聯(lián)軸器側(cè)支撐軸承是否有損傷，尤其是保持架損傷。同時懷疑聯(lián)軸器對中存在問題，應(yīng)檢查其是否有損傷、復(fù)查是否對中。

8 月19 日解體檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)泵聯(lián)軸器側(cè)軸承保持架有1 處損傷，機(jī)泵甩油環(huán)內(nèi)側(cè)磨損，機(jī)泵聯(lián)軸器膜片有3 片斷裂。更換損壞配件維修后，于下午15：30 切換運(yùn)行，復(fù)測機(jī)泵聯(lián)軸器側(cè)水平振動為2.3 mm/s（維修前為3.8 mm/s），軸承運(yùn)行無雜音、包絡(luò)峰值顯示為8.411 m/s2（維修前為103.5 m/s2）。因此，本次的分析診斷和維修均達(dá)到良好效果。

4 結(jié)束語

無線機(jī)泵監(jiān)測系統(tǒng)在傳感器方面采用無線+有線組合，平臺軟件采用微服務(wù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)靈活便捷的部署運(yùn)維。并且基于機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警+智能診斷，系統(tǒng)使用門檻低，智能化水平高的特點(diǎn)。在可視化方面采用Web 應(yīng)用+移動應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)用戶多觸點(diǎn)訪問，平臺軟件具備API 標(biāo)準(zhǔn)接口，同時具有多種現(xiàn)場數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議，實(shí)現(xiàn)開放的數(shù)據(jù)接入集成能力。功能方面主要以設(shè)備管理服務(wù)為支撐，采用設(shè)備集群形式集中展示設(shè)備最新運(yùn)行狀態(tài)，對異常設(shè)備進(jìn)行智能預(yù)警。智能診斷與故障處理以智能預(yù)警、故障診斷服務(wù)為支撐，通過故障計(jì)算模型準(zhǔn)確評估設(shè)備故障部位，匹配相應(yīng)處理措施與維修建議。同時支持多設(shè)備故障概覽、異常設(shè)備診斷及設(shè)備故障處理。運(yùn)行效能計(jì)算與分析以能效分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)服務(wù)為支撐，深度挖掘設(shè)備運(yùn)行大數(shù)據(jù)，直觀呈現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行效能。設(shè)備健康與全生命周期管理以設(shè)備管理、故障診斷服務(wù)為支撐，以設(shè)備大事記為展現(xiàn)形式，提供設(shè)備全生命周期健康管理。

應(yīng)用機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)后，帶來的益處主要有以下4 個：（1）及時報(bào)警提前采取措施，消除故障隱患，減少非計(jì)劃停機(jī)及機(jī)泵惡性事故發(fā)生率，為檢維修提供科學(xué)依據(jù)。

（2）使檢修有的放矢，提升巡檢人員和設(shè)備生產(chǎn)效率，最大限度減少過維修和欠維修現(xiàn)象，避免事后搶修，降低檢維修費(fèi)用。

（3）通過大數(shù)據(jù)智能分析和人工分析，可以提前1～3 個月發(fā)現(xiàn)故障，杜絕設(shè)備安全隱患，保障機(jī)泵長周期、穩(wěn)定運(yùn)行，增強(qiáng)企業(yè)市場競爭力。

（4）精準(zhǔn)判斷設(shè)備當(dāng)前和未來運(yùn)行狀態(tài)和故障部位，選擇在合適的時間對設(shè)備進(jìn)行維修保養(yǎng)，盡量減少作業(yè)人員暴露在生產(chǎn)場所。