黃銀山

（勝利油田石油化工總廠 山東東營）

設(shè)備故障診斷技術(shù)20世紀(jì)70年代初形成于英國，由于其實(shí)用性及為社會(huì)和企業(yè)帶來的明顯經(jīng)濟(jì)效益，受到企業(yè)和政府主管部門重視。尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，已經(jīng)逐步形成了一門較為完整的新興邊緣綜合工程學(xué)科。

石化企業(yè)屬于設(shè)備資產(chǎn)密集型行業(yè)，對(duì)設(shè)備依賴程度高，且石油化工裝置具有自動(dòng)化水平高、生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)、高溫、高壓、易燃、易爆、易腐蝕、易中毒等特點(diǎn)，一旦設(shè)備發(fā)生問題，導(dǎo)致泄漏，就會(huì)污染環(huán)境，甚至?xí)l(fā)生火災(zāi)、爆炸、人身傷亡等重大事故。高溫油泵風(fēng)險(xiǎn)性更高，為集中整治高溫油泵在運(yùn)行管理及技術(shù)上存在的問題，消除安全隱患，進(jìn)一步做好高溫油泵的運(yùn)行管理工作，除了在巡檢、維修、操作、提高備件質(zhì)量等各方面加強(qiáng)管理外，還可以通過應(yīng)用信息化技術(shù)來提升設(shè)備管理水平。針對(duì)高溫油泵、關(guān)鍵機(jī)組安裝無線監(jiān)測(cè)傳感器，利用故障診斷技術(shù)，實(shí)施智能監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)，即是消除高溫油泵安全隱患的有效手段。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是當(dāng)今國內(nèi)外備受關(guān)注的、由多門學(xué)科交叉形成的新型前沿研究領(lǐng)域。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本功能是收集并傳輸大量傳感器節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域的各種信息。無線的主要優(yōu)勢(shì)包括：①現(xiàn)場(chǎng)布線（包括信號(hào)線、電源線、網(wǎng)絡(luò)線）減少60%左右；②檢修維護(hù)方便：拆卸簡單，不存在信號(hào)線切斷的可能；③設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)更為簡潔。因此，無線方案非常適合應(yīng)用于防爆場(chǎng)所的機(jī)泵設(shè)備監(jiān)測(cè)。本文即對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在勝利石化總廠機(jī)泵設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并全程跟蹤了延遲焦化車間P7002/1輻射進(jìn)料泵的故障發(fā)現(xiàn)、診斷分析與設(shè)備檢修過程，檢修的結(jié)果與診斷分析的結(jié)論完全吻合，表明了此系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確的采集到機(jī)泵設(shè)備的振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)，并且根據(jù)數(shù)據(jù)的異常狀況給出報(bào)警提示和檢修建議，成功帶領(lǐng)企業(yè)進(jìn)入預(yù)知維修時(shí)代，獲得了滿意的監(jiān)測(cè)控制效果。

一、系統(tǒng)簡介

勝利石化總廠歷來十分重視動(dòng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作，大機(jī)組采用了S8000監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而對(duì)于機(jī)泵設(shè)備，除了使用手持式測(cè)振儀測(cè)溫儀之外，近幾年開始在重要裝置安裝投用了機(jī)泵設(shè)備智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將重點(diǎn)關(guān)鍵機(jī)泵，尤其是高溫油泵納入了該系統(tǒng)。針對(duì)勝利石化總廠現(xiàn)狀，根據(jù)生產(chǎn)裝置情況，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，勝利石化智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用“無線智能傳感+遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)+專家分析”的技術(shù)路線，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其核心思路是通過無線的監(jiān)測(cè)儀器對(duì)企業(yè)關(guān)鍵重要設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)采集和自動(dòng)存儲(chǔ)，并且通過軟件的輔助診斷功能，觸發(fā)自動(dòng)報(bào)警。不僅可以使設(shè)備管理人員實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握設(shè)備狀態(tài)，同時(shí)又可在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隱患，做到事前預(yù)防、預(yù)知檢修，保障生產(chǎn)的安全、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)由無線智能監(jiān)測(cè)器、無線通信站和IMAS智能監(jiān)測(cè)分析診斷系統(tǒng)組成。

（1）無線智能監(jiān)測(cè)器，是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)較為分散、布線復(fù)雜的設(shè)備專門開發(fā)的無線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)和溫度信號(hào)的采集，并通過無線的方式傳輸現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，避免了現(xiàn)場(chǎng)布線的工作，大大降低了企業(yè)對(duì)分散設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)的難度。

（2）無線通信站，是無線監(jiān)測(cè)方案的重要組成部分，負(fù)責(zé)無線智能監(jiān)測(cè)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸與通信；接收無線監(jiān)測(cè)器傳來的設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器接受指令并下達(dá)給無線監(jiān)測(cè)器。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

（3）智能監(jiān)測(cè)分析診斷系統(tǒng)（IMAS），B/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)整體解決方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)報(bào)警，并對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行早期診斷與趨勢(shì)預(yù)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)預(yù)知維修提供關(guān)于設(shè)備狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)量化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

二、重要機(jī)泵設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案

1.測(cè)點(diǎn)配置

在線監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)部位的選擇和測(cè)點(diǎn)采集參數(shù)的設(shè)置對(duì)在線監(jiān)測(cè)的效果至關(guān)重要，需要對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)有深入的了解。一般需要根據(jù)軸承的位置和型式在水平方向及垂直方向布置測(cè)點(diǎn)，有的設(shè)備還要在軸向布置測(cè)點(diǎn)。方案選擇要根據(jù)具體的設(shè)備決定。

2.傳感器的安裝

根據(jù)無線監(jiān)測(cè)器工作特性，垂直安裝反應(yīng)是最靈敏的，且一般選擇離振源最近的剛性聯(lián)接的位置，如軸承座進(jìn)行安裝。安裝方式一般有2種。一是直接在設(shè)備本體監(jiān)測(cè)部位打孔攻絲，將傳感器通過連接螺栓安裝在監(jiān)測(cè)部位。二是傳感器先安裝在專門制作的支架或者底板上，然后將底板點(diǎn)焊或膠粘在監(jiān)測(cè)部位。

傳感器安裝如圖2所示。

圖2 無線智能監(jiān)測(cè)器安裝圖

三、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理情況

再好的設(shè)備設(shè)施、再先進(jìn)的技術(shù)手段，如果沒有科學(xué)的管理和嚴(yán)格的制度，都不能得到充分應(yīng)用。只有管理到位，先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)才能發(fā)揮其最大效能。

1.實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多方位監(jiān)測(cè)

（1）保運(yùn)單位（機(jī)修）狀態(tài)監(jiān)測(cè)小組有專人監(jiān)測(cè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化情況，數(shù)據(jù)有異常組織相關(guān)人員及時(shí)分析、現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)設(shè)備運(yùn)行情況。并做好相關(guān)記錄。

（2）車間操作人員每班按時(shí)巡檢，檢查機(jī)泵及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況，有異常出現(xiàn)及時(shí)告知相關(guān)人員現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，并做好相關(guān)記錄。

（3）車間設(shè)備主任及技術(shù)人員工作日期間每天對(duì)其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)有異?；虺霈F(xiàn)3、4級(jí)報(bào)警，及時(shí)聯(lián)系機(jī)修分析處理，做好相關(guān)記錄。

（4）機(jī)動(dòng)科狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理人員至少每工作日查看1次系統(tǒng)運(yùn)行情況和各關(guān)鍵機(jī)泵的運(yùn)行狀態(tài)，每周一次對(duì)服務(wù)器軟硬件運(yùn)行情況進(jìn)行檢查，每月對(duì)各工作站軟硬件運(yùn)行情況進(jìn)行1次檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

（5）每周定期組織專家組進(jìn)行關(guān)鍵機(jī)組和機(jī)泵狀態(tài)分析例會(huì)，就各類問題及3級(jí)及以上報(bào)警設(shè)備進(jìn)行指導(dǎo)分析，提出處置意見，并發(fā)布周分析報(bào)告。

2.加強(qiáng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)培訓(xùn)

加強(qiáng)培訓(xùn)，提高生產(chǎn)、檢修、點(diǎn)檢3方人員的技能。定期組織狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析專家對(duì)車間技術(shù)人員、機(jī)泵專業(yè)人員和機(jī)修狀態(tài)監(jiān)測(cè)組相關(guān)人員對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的頻譜分析作了基礎(chǔ)講座并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)案例講解，通過培訓(xùn)，提高各類人員對(duì)設(shè)備深層次問題的判斷和處理能力，提前發(fā)現(xiàn)隱患，采取精確定位處理措施。

3.明確各級(jí)職責(zé)，責(zé)任落實(shí)到人

公廠編制并印發(fā)了“動(dòng)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理規(guī)定”，明確了各部門管理內(nèi)容和職責(zé)。

4.建立應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)處理診斷問題

建立機(jī)泵群在線檢測(cè)應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)機(jī)泵在線檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)警級(jí)別設(shè)置，在系統(tǒng)出現(xiàn)各級(jí)報(bào)警時(shí)，一是在操作崗位實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，二是建立短信平臺(tái)，分級(jí)報(bào)警實(shí)時(shí)發(fā)送短信至相應(yīng)層級(jí)管理人員手機(jī)，建立了快速響應(yīng)和反應(yīng)機(jī)制。

5.做好監(jiān)控問題的歸納總結(jié)

自系統(tǒng)投入現(xiàn)場(chǎng)使用，設(shè)備預(yù)知性維修20多起。減少了機(jī)泵惡性故障的發(fā)生，為裝置安全生產(chǎn)帶來了很大的保證。對(duì)設(shè)備運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題，要及時(shí)做好歸納總結(jié)工作，舉一反三，有針對(duì)性的對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行排查，減少故障重復(fù)率。

6.診斷設(shè)備故障預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)

系統(tǒng)運(yùn)行期間，每月有專家對(duì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行體檢，關(guān)于設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)給出指導(dǎo)性意見，車間及保運(yùn)單位根據(jù)專家給出的體檢報(bào)告進(jìn)行設(shè)備監(jiān)護(hù)及維修。杜絕了設(shè)備惡性故障的發(fā)生。

四、案例分析

延遲焦化車間P7002/1輻射進(jìn)料泵，由泵體與電機(jī)組成，泵體是雙支撐結(jié)構(gòu)，剛性安裝，電機(jī)和泵在整體鋼結(jié)構(gòu)臺(tái)板上，機(jī)組全部支撐為滾動(dòng)軸承，泵稀油潤滑，電機(jī)軸承脂潤滑?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置：前軸承箱2個(gè)測(cè)點(diǎn)（水平3H和垂直3V），后軸承箱2個(gè)測(cè)點(diǎn)（水平4H和軸向4A），電機(jī)布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。

泵的轉(zhuǎn)頻50 Hz。泵軸承型號(hào)，后軸承7309BDB（角接觸軸承），前軸承6211；電機(jī)軸承型號(hào)6313C3。軸承特征參數(shù)見表1。

表1 軸承特征參數(shù) Hz

1.故障過程

泵后端4A測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)至2014年3月11日期間內(nèi)自由端速度及加速度幅值維持平穩(wěn)。泵后端4H數(shù)據(jù)自2014年2月25日因故停止上傳，歷史數(shù)據(jù)幅值平穩(wěn)，無異常特征。

2014年3月11日開始，泵自由端4A測(cè)點(diǎn)加速度幅值呈快速裂化趨勢(shì)，加速度幅值由前期較穩(wěn)定的6 m/s2左右上升至14 m/s2左右，幅值提高2.3倍，且保持著快速裂化趨勢(shì)。速度幅值趨勢(shì)與加速度保持同步上升趨勢(shì)，但上升幅度低于加速度，由前期較為穩(wěn)定的1.1 mm/s提高至1.7 mm/s。

從數(shù)據(jù)特征來看，泵自由端4A速度頻譜中內(nèi)圈特征頻率及其諧波峰值能量上升是速度幅值上升的主要原因。泵驅(qū)動(dòng)端3H、3V測(cè)點(diǎn)的速度頻譜可見穩(wěn)定的傳遞，加速度頻譜同樣存在一定的傳遞性，可能是泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在一定的軸向力，導(dǎo)致后端軸承內(nèi)圈滾道存有一定的偏移導(dǎo)致。

以自由端4A點(diǎn)的加速度數(shù)據(jù)、長波形數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)分析，3月12日-3月13日的加速度頻譜中可見清晰的自由端角接觸軸承的內(nèi)圈特征頻率326 Hz及其諧波能量，能量集中在5000 Hz以下的中低頻，內(nèi)圈特征頻率的轉(zhuǎn)頻邊帶清晰，邊帶能量較高。時(shí)域波形可見以內(nèi)圈特征頻率為間隔的穩(wěn)定沖擊，但沖擊的轉(zhuǎn)頻調(diào)制不清晰，可能是由于內(nèi)圈損傷處并非處于內(nèi)圈滾道中心，經(jīng)過負(fù)載區(qū)時(shí)無明顯受力變化導(dǎo)致。4A點(diǎn)加速度、速度幅值仍處于上升階段，溫度未有明顯變化，且峭度指標(biāo)變化不大，判斷泵自由端軸承內(nèi)圈疲勞剝落，剝落面積不大，但，裂化速度較快，需監(jiān)控運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)檢查如有異響則盡快停機(jī)檢查。

圖3 加速度趨勢(shì)圖

2.數(shù)據(jù)分析

（1）趨勢(shì)分析。泵驅(qū)動(dòng)端3H、3V，泵自由端4A測(cè)點(diǎn)加速度總值趨勢(shì)見圖3。

（2）泵驅(qū)動(dòng)端3H、3V，泵自由端4A測(cè)點(diǎn)速度總值趨勢(shì)見圖4。從泵端3個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度總值趨勢(shì)可看出，自由端4A位置加速度總值上升迅速。對(duì)比機(jī)組驅(qū)動(dòng)端及自由端測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度幅值趨勢(shì)，可見其余測(cè)點(diǎn)幅值較平穩(wěn)，振動(dòng)來源于泵自由端4位置軸承。

圖4 速度趨勢(shì)圖

（3）時(shí)域、頻譜分析。泵驅(qū)動(dòng)端3H、3V，泵自由端4A測(cè)點(diǎn)速度頻譜對(duì)比見圖5。加速度頻譜顯示，特征頻率是326 Hz，與7309BDB的內(nèi)圈特征頻率吻合。泵端3個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)可見泵自由端軸承內(nèi)圈特征頻率，泵驅(qū)動(dòng)端3H、3V為自由端4A的傳遞。

圖5 多頻譜分析圖

（4）泵自由端4A測(cè)點(diǎn)加速度頻譜、時(shí)域波形見圖6。加速度頻譜及時(shí)域波形均反映了軸承內(nèi)圈的損傷特征，加速度頻譜中內(nèi)圈特征頻率的邊帶清晰，且存在邊帶不對(duì)稱現(xiàn)象，符合內(nèi)圈嚴(yán)重剝落故障特征。

圖6 頻譜分析、時(shí)域波形圖

數(shù)據(jù)分析結(jié)論，泵自由端軸承內(nèi)圈疲勞剝落，剝落面積不大，裂化速度較快。

3.檢修驗(yàn)證

圖7 解體后的內(nèi)圈圖片

2014年3月13日泵自由端4A測(cè)點(diǎn)加速度趨勢(shì)呈現(xiàn)快速裂化上升趨勢(shì)，并觸發(fā)變化率和振動(dòng)超限報(bào)警，在對(duì)數(shù)據(jù)分析后確定設(shè)備泵自由端軸承內(nèi)圈存在剝落，但可在監(jiān)控狀態(tài)下運(yùn)行。3月16日機(jī)組泵自由端4A點(diǎn)觸發(fā)速度3級(jí)報(bào)警，在對(duì)數(shù)據(jù)分析后認(rèn)為缺陷處劣化速度加快，隨后通知現(xiàn)場(chǎng)做好更換軸承停機(jī)檢修的準(zhǔn)備。3月17日設(shè)備停機(jī)檢修，更換泵自由端軸承。該軸承內(nèi)圈剝落缺陷明顯（圖 7），與診斷結(jié)論一致，故障提前預(yù)知，檢修時(shí)間把控良好。

五、結(jié)論

機(jī)泵設(shè)備無線智能監(jiān)測(cè)可以及時(shí)準(zhǔn)確的采集到機(jī)泵設(shè)備的振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)，并且根據(jù)的異常狀況給出報(bào)警提示和檢修建議，達(dá)到了依據(jù)狀態(tài)進(jìn)行檢修的效果，不僅幫助企業(yè)降低了故障率、減少了非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，同時(shí)也成功帶領(lǐng)企業(yè)進(jìn)入預(yù)知維修時(shí)代。

此方案在勝利石化總廠的成功應(yīng)用，說明無線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套可以解決機(jī)泵監(jiān)測(cè)問題的系統(tǒng)，其最大優(yōu)勢(shì)是采用“無線智能傳感+遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)+專家分析”的技術(shù)路線同科學(xué)有效專業(yè)管理相結(jié)合，獲得了非常好的監(jiān)測(cè)控制效果。