基于在線監(jiān)測(cè)的海上平臺(tái)外輸泵故障分析

劉瑞奇

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300457）

0 引言

海上油田根據(jù)設(shè)備設(shè)施的重要性進(jìn)行分級(jí)管理，以提高設(shè)備精細(xì)化管理水平，確保油田安全穩(wěn)定生產(chǎn)。根據(jù)設(shè)備的重要性和對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響，將設(shè)備分為：關(guān)鍵設(shè)備、重要設(shè)備、一般設(shè)備。對(duì)于關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施，油田采用在線檢測(cè)為主、離線檢測(cè)為輔，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；同時(shí)利用油液監(jiān)測(cè)技術(shù)，定期對(duì)設(shè)備滑油進(jìn)行理化分析，保證油田關(guān)鍵設(shè)備的正常運(yùn)行。振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)是借助設(shè)備檢測(cè)振動(dòng)參數(shù)和特征，系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，是一種現(xiàn)代化的檢測(cè)技術(shù)。當(dāng)設(shè)備振動(dòng)信號(hào)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)與信息加以顯示的過(guò)程中，也是反應(yīng)故障設(shè)備特征的主要承載，能夠?qū)τ吞餀C(jī)械設(shè)備加以全面化監(jiān)測(cè)[1]。

原油外輸泵屬于油田關(guān)鍵設(shè)備，作用是將采油平臺(tái)上生產(chǎn)的原油通過(guò)海底管道輸送到陸地終端或其他采油平臺(tái)上。一旦外輸泵發(fā)生故障，將直接影響整個(gè)原油外輸作業(yè)，進(jìn)而影響整個(gè)油田的原油生產(chǎn)[2]。原油外輸泵屬于海上平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備，基于設(shè)備設(shè)施完整性管理要求，對(duì)該類(lèi)設(shè)備安裝了振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)原油外輸泵的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到設(shè)備預(yù)知性維修的目的，從而降低外輸泵故障率。

1 原油外輸泵的故障診斷分析方法

海上平臺(tái)因所處的環(huán)境較為惡劣，由于受到高鹽霧、高濕度、海浪和剛性結(jié)構(gòu)易變形等多種因素的影響，導(dǎo)致海上設(shè)備的故障率較高[3]。由于海洋平臺(tái)獨(dú)特的地理位置，往往距離陸地較遠(yuǎn)，設(shè)備檢修的物料、人員不能及時(shí)到達(dá)。原油外輸泵屬于平臺(tái)核心設(shè)備，該設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)方式采用在線監(jiān)測(cè)為主，離線監(jiān)測(cè)為輔，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)掌握設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)間、類(lèi)型和程度，從而制定合理的設(shè)備倒運(yùn)計(jì)劃和預(yù)知性維修計(jì)劃，保障設(shè)備安全平穩(wěn)地運(yùn)行，同時(shí)降低設(shè)備的維修成本。

原油外輸泵采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析法進(jìn)行故障診斷，其優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用范圍廣、效益好，故障診斷覆蓋面全。在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析常用的故障診斷分析方法包含時(shí)域分析、頻域分析、加速度包絡(luò)分析、趨勢(shì)分析、瀑布圖分析、倒頻譜分析等[4]。通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析的手段，能實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的提前預(yù)知和定位，如基礎(chǔ)軟腳、對(duì)中不良、軸承故障、電氣故障、不平衡、氣蝕等。

2 原油外輸泵的各項(xiàng)參數(shù)和振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的布置

以某海上采油平臺(tái)外輸泵為例，泵組采用的連接形式是“電機(jī)—聯(lián)軸器—多級(jí)離心泵”。

（1）電機(jī)：型號(hào)，YBX3 400-2H；功率，560 kW；轉(zhuǎn)速，2980 r/min；軸承型號(hào)，6319/NU317。

（2）聯(lián)軸器：膜片聯(lián)軸器。

（3）泵：型號(hào)，KHP120-105X8；排量，110 m3/h；揚(yáng)程，733 m；軸承型號(hào)，驅(qū)動(dòng)端6215C3，非驅(qū)動(dòng)端7312BECBMx2；潤(rùn)滑方式，飛濺潤(rùn)滑；多級(jí)離心泵級(jí)數(shù)，8 級(jí)；潤(rùn)滑油型號(hào)，長(zhǎng)城卓立L-HM-46 抗磨液壓油。

該泵于2021 年2 月15 日為配合新油田投產(chǎn)更換的新泵，泵組自帶4 個(gè)振動(dòng)傳感器（測(cè)量速度值）和4 個(gè)溫度傳感器，用于測(cè)量電機(jī)和泵的4 組軸承運(yùn)行狀態(tài)，振動(dòng)速度報(bào)警值為7.5 mm/s，關(guān)斷值為8 mm/s。

設(shè)備不同方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)，同一故障往往表現(xiàn)的程度不同，不同的故障又在不同的特征值上有所體現(xiàn)。在線監(jiān)測(cè)一般選取從電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端到泵非驅(qū)動(dòng)端4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，機(jī)組的在線監(jiān)測(cè)布置測(cè)點(diǎn)如圖1 所示：1#位置傳感器用于測(cè)量電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)，2#位置傳感器用于測(cè)量電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)，3#位置傳感器用于測(cè)量泵組非驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)，4#位置傳感器用于測(cè)量泵非驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖1 外輸泵振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)布置

原油外輸泵在線監(jiān)測(cè)采用的傳感器是壓電式傳感器，通過(guò)焊接方式固定在對(duì)應(yīng)軸承的設(shè)備外殼上。傳感器的頻響范圍為0.3 Hz～10 kHz，有效量程為-50～50 g，測(cè)量的參數(shù)包括加速度、速度、位移和加速度包絡(luò)等。傳感器為本質(zhì)安全防爆型，防護(hù)等級(jí)為IP67。

3 泵非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)分析

油田維修專(zhuān)業(yè)發(fā)現(xiàn)在線振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中提醒外輸泵非驅(qū)動(dòng)端加速度高，調(diào)取曲線發(fā)現(xiàn)2021 年8 月25 日20：08 泵非驅(qū)動(dòng)端4H 加速度值突然升高，后加速度值持續(xù)升高，其最高值可達(dá)44.16 m/s2，但泵驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)速度值并未發(fā)生明顯變化，均為2 mm/s 和3 mm/s 左右。

現(xiàn)場(chǎng)維修人員檢查該外輸泵的滑油油位正常，油品目視正常，該泵自上次滑油更換后僅運(yùn)行266 h?，F(xiàn)場(chǎng)檢修人員對(duì)比使用手持式振動(dòng)檢測(cè)儀和BH550 離線狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀，測(cè)量該泵非驅(qū)動(dòng)端水平方向和豎直方向的振動(dòng)值分別為3.2 mm/s 和3.5 mm/s，振動(dòng)加速度值分別為40.20 m/s2和41.58 m/s2，與在線振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的測(cè)量值幾乎一致。隨后使用軸承聽(tīng)診器對(duì)非驅(qū)動(dòng)軸承進(jìn)行聽(tīng)診，發(fā)現(xiàn)有微弱的時(shí)有時(shí)無(wú)的異音，現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)維修經(jīng)驗(yàn)初步判定泵非驅(qū)動(dòng)端軸承故障。調(diào)取該泵非驅(qū)動(dòng)端軸承的溫度曲線，發(fā)現(xiàn)該軸承溫度在緩慢上漲。

在振動(dòng)在線檢測(cè)系統(tǒng)中，調(diào)取振動(dòng)加速度高的泵的非驅(qū)動(dòng)端加速度包絡(luò)和加速度進(jìn)行頻譜分析，如圖2、圖3 所示。由圖2可知，泵非驅(qū)動(dòng)端加速度頻譜中存在豐富的高頻信號(hào)，并伴隨有較高的地腳能量，加速度時(shí)域波形中存在明顯高幅值的異常沖擊信號(hào)。由圖3 分析可知，泵非驅(qū)動(dòng)端加速度包絡(luò)頻譜中存在軸承缺陷頻率（354.69 Hz）及其諧波，由此可以判斷該泵非驅(qū)動(dòng)端4H 的加速度值較高的原因?yàn)檩S承故障。

圖2 泵非驅(qū)動(dòng)端趨勢(shì)、時(shí)域、頻譜

圖3 泵非驅(qū)動(dòng)端加速度包絡(luò)頻譜

根據(jù)軸承型號(hào)7312BECBM、轉(zhuǎn)速2980 r/min 計(jì)算，軸承內(nèi)圈的故障頻率計(jì)算公式：

經(jīng)計(jì)算可得，該軸承內(nèi)圈故障頻率f=353.13 Hz，與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)的軸承缺陷頻率354.69 Hz 幾乎重合，因此泵非驅(qū)動(dòng)端加速度包絡(luò)頻譜中出現(xiàn)的頻率為軸承內(nèi)圈故障頻率，綜合判斷可以得出，該泵的非驅(qū)動(dòng)端軸承7312BECBM 內(nèi)圈發(fā)生故障，引起該軸承的振動(dòng)加速度偏高。

通過(guò)在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)分析，將該泵的非驅(qū)動(dòng)端軸承故障基本鎖定在滾動(dòng)軸承內(nèi)圈。由于該軸承的潤(rùn)滑方式為飛濺潤(rùn)滑，需先檢查泵非驅(qū)動(dòng)端軸承室滑油，現(xiàn)場(chǎng)檢查滑油液位正常，泄放滑油目視清亮未變質(zhì)，但軸承箱底部存在少量鐵屑，說(shuō)明存在磨損。根據(jù)設(shè)備設(shè)施完整性要求，油田維修專(zhuān)業(yè)對(duì)外輸泵非驅(qū)動(dòng)端軸承進(jìn)行預(yù)防性更換，在拆卸過(guò)程中發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈存在坑蝕剝落，與在線檢測(cè)系統(tǒng)判斷一致，剝落情況如圖4 所示。

圖4 泵非驅(qū)動(dòng)端剝落情況

4 結(jié)論

通過(guò)振動(dòng)在線檢測(cè)系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)了外輸泵非驅(qū)動(dòng)端軸承前期故障征兆，并指導(dǎo)進(jìn)行設(shè)備的預(yù)知性維修，避免了設(shè)備關(guān)斷，有力保障了油田正常穩(wěn)定生產(chǎn)。目前在線監(jiān)測(cè)診斷已經(jīng)成為設(shè)備預(yù)防性維修閉環(huán)管理中不可或缺的一環(huán)，能夠?yàn)樵O(shè)備檢修提供明確方向，有效降低設(shè)備運(yùn)維成本?；谠O(shè)備的在線監(jiān)測(cè)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障智能診斷，完成設(shè)備維護(hù)方式從預(yù)防性維修向預(yù)知性轉(zhuǎn)變，優(yōu)化設(shè)備管理模式，對(duì)建設(shè)海洋石油數(shù)字化油田及智能化平臺(tái)具有重要意義[5]。