吳 明 李 龍（中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田石化總廠，山東 東營(yíng) 257000）

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無線傳感網(wǎng)絡(luò)泵群動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

吳 明 李 龍
（中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田石化總廠，山東 東營(yíng) 257000）

摘 要：針對(duì)石油化工企業(yè)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備主要是泵群管理與檢維修所面臨的問題，介紹了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)的全新解決方案：以無線傳感網(wǎng)絡(luò)的機(jī)泵設(shè)備智能監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的預(yù)知性維修。即采用“無線智能傳感+遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)+專家分析”，三位一體構(gòu)成一個(gè)完整的預(yù)知性維修解決方案。該方案在勝利石化總廠的應(yīng)用表明：該系統(tǒng)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地采集機(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)的異常狀況及時(shí)報(bào)警，提出針對(duì)性檢維修建議，達(dá)到了依據(jù)智能檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢修的效果，大大降低了機(jī)泵故障率、減少了非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，引領(lǐng)企業(yè)機(jī)泵管理進(jìn)入預(yù)知性維修的新階段。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；機(jī)泵設(shè)備；智能監(jiān)測(cè)；預(yù)知維修

設(shè)備故障診斷技術(shù)上世紀(jì)70年代初形成于英國(guó)，由于其在設(shè)備運(yùn)行中表現(xiàn)出的實(shí)用性及為企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益，日益受到企業(yè)設(shè)備主管部門的重視。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，已經(jīng)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，就可能導(dǎo)致泄漏、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。在高溫油泵等關(guān)鍵機(jī)泵上安裝無線監(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)，即是消除高溫油泵等關(guān)鍵機(jī)泵運(yùn)行安全隱患的有效手段。而無線傳感網(wǎng)絡(luò)的泵群動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)更加明顯。

無線傳感的主要優(yōu)勢(shì)包括3方面：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；檢修維護(hù)方便，拆卸簡(jiǎn)單，不存在信號(hào)線切斷的可能；設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)更為簡(jiǎn)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)。

一、系統(tǒng)簡(jiǎn)介

勝利石化總廠屬于國(guó)有大型石化企業(yè)，全廠共有轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備近千臺(tái)，重要機(jī)泵200多臺(tái)，這些重要機(jī)泵一旦出現(xiàn)故障，就可能對(duì)裝置正常生產(chǎn)產(chǎn)生較大影響。對(duì)高溫油泵等關(guān)鍵機(jī)泵實(shí)施無線智能監(jiān)測(cè)可以有效地實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)受控，在大大降低人員巡檢力度的情況下，可以保證設(shè)備的可靠和穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)勝利石化總廠現(xiàn)狀，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，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。

圖1　總體結(jié)構(gòu)圖

1.無線智能監(jiān)測(cè)器

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)的無線采集和傳輸，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝難度及施工材料費(fèi)用，極大地提高了企業(yè)對(duì)分散設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的監(jiān)測(cè)水平。

2.無線通信站

3.智能監(jiān)測(cè)分析診斷系統(tǒng)（IMAS）

該系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的計(jì)算機(jī)分析及專家解決方案，它負(fù)責(zé)及時(shí)向企業(yè)設(shè)備管理人員發(fā)出機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)的異常報(bào)警，并對(duì)機(jī)泵故障進(jìn)行早期診斷與趨勢(shì)預(yù)測(cè)，由具有豐富現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專家團(tuán)隊(duì)提供故障診斷報(bào)告和檢維修方案。維修人員根據(jù)方案進(jìn)行針對(duì)性維修。

二、在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案的實(shí)施

1.測(cè)點(diǎn)布置

無線智能監(jiān)測(cè)器安裝部位的選擇及采集參數(shù)的設(shè)置對(duì)監(jiān)測(cè)效果的影響至關(guān)重要。專業(yè)技術(shù)人員對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理應(yīng)有足夠的知識(shí)以便確定無線智能監(jiān)測(cè)器的布置，檢測(cè)器的布置分為兩種：一是水平方向布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，垂直方向1個(gè)測(cè)點(diǎn)。二是水平方向布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，垂直方向1個(gè)測(cè)點(diǎn)，軸向1個(gè)測(cè)點(diǎn)。專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)具體設(shè)備本身的特點(diǎn)選擇布置方式。

2.傳感器的安裝

無線傳感器探頭垂直安裝時(shí)靈敏度最高。一般情況下，不論何種形式的探頭，距離振源越近，測(cè)得的數(shù)據(jù)越接近真實(shí)值。機(jī)泵的振源主要來自于軸承的振動(dòng)，因此探頭安裝時(shí)距離軸承越近越好，傳感器一般安裝在機(jī)泵的軸承座上。安裝方式一般分為以下兩種。

（1）直接在機(jī)泵軸承箱靠近軸承的位置打孔攻絲，將傳感器用螺紋連接方式安裝在監(jiān)測(cè)部位。固定牢固，但對(duì)原軸承箱造成一定傷害。

隨著通州新城的建設(shè)，城內(nèi)交通流會(huì)急劇增加. 截止2015年末，全區(qū)常住人口約133.5萬人，區(qū)內(nèi)工作人口約37.5萬人. 據(jù)統(tǒng)計(jì)燕郊地區(qū)日跨區(qū)出行約25萬人次，日均進(jìn)京車輛約2.4萬輛. 通州區(qū)與燕郊地區(qū)間的出行以過境交通為主，其中15.7%為燕郊進(jìn)入通州內(nèi)出行，84.3%為通過通州區(qū)進(jìn)入中心城區(qū)的過境出行，且通勤交通潮汐性明顯如圖2所示.

（2）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。不損傷軸承箱，但支架增加了空間。

3.泵群無線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制

（1）總廠機(jī)修車間有專人24h觀察在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，及時(shí)反應(yīng)給設(shè)備承包班組及生產(chǎn)車間。

（2）當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到3級(jí)或4級(jí)報(bào)警的異常狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)接警人員要在5min之內(nèi)做出反應(yīng)，安排機(jī)修值班人員或車間操作工10min內(nèi)到達(dá)設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)查看設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際情況。若報(bào)警一直消除不了，總廠機(jī)動(dòng)部門組織技術(shù)力量迅速確定故障原因并制定和下達(dá)設(shè)備檢修計(jì)劃。

（3）車間設(shè)備主任及技術(shù)人員工作日期間每天兩次對(duì)其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)有異常及時(shí)分析做好相關(guān)記錄。

（4）設(shè)備管理部門狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理人員至少每工作日查看一次系統(tǒng)運(yùn)行情況和各關(guān)鍵機(jī)泵的運(yùn)行狀態(tài)，每周對(duì)服務(wù)器軟硬件運(yùn)行情況進(jìn)行一次檢查，每月對(duì)各工作站軟硬件運(yùn)行情況進(jìn)行一次檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。具體職責(zé)網(wǎng)格如圖2所示。

圖2　管理人員職責(zé)網(wǎng)格

三、案例分析

1.設(shè)備簡(jiǎn)介

工廠常減壓車間減底泵為高溫泵，溫度370℃，介質(zhì)一旦與空氣接觸就著火。使用軸承為滾動(dòng)軸承，泵軸承為甩油環(huán)油池潤(rùn)滑，電機(jī)軸承為油脂潤(rùn)滑。

電機(jī)轉(zhuǎn)頻是50Hz，風(fēng)冷，泵軸承型號(hào)7314和NU2314，電機(jī)軸承前軸承座型號(hào)NU217和6217，后軸承座NU217。電機(jī)軸承特征參數(shù)如表1所示。

表1

2.電機(jī)軸承故障過程分析

2014年5月該減底泵在切換運(yùn)行一周之后，振動(dòng)加速度出現(xiàn)了較快上升，系統(tǒng)隨后發(fā)生三級(jí)報(bào)警，并且幅值隨操作變化大范圍波動(dòng)，廠機(jī)修車間專業(yè)人員診斷分析認(rèn)為，振動(dòng)原因?yàn)殡姍C(jī)前NU217軸承內(nèi)圈出現(xiàn)局部脫落，而且脫落缺陷的周邊因滾珠磨損快速發(fā)展，同時(shí)結(jié)合人工聽診棒判斷如果不進(jìn)行及時(shí)維修，最終可能會(huì)導(dǎo)致軸承溫度上升燒損，因此決定停泵檢修更換軸承，檢修后幅值大幅度下降。電機(jī)軸承拆解后發(fā)現(xiàn)軸承NU217內(nèi)圈二處剝落，呈現(xiàn)對(duì)稱分布，如圖3所示。

圖3　軸承內(nèi)圈剝落實(shí)物圖

3.數(shù)據(jù)分析

2H方向測(cè)點(diǎn)檢修前后的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加速度趨勢(shì)圖顯示：設(shè)備2H測(cè)點(diǎn)2014年5月中旬投入運(yùn)行后，電機(jī)軸承振動(dòng)輕微，為35m/s2，6月2日接近三級(jí)報(bào)警值，達(dá)63m/s2。電機(jī)于6月3日停機(jī)檢修，并于6月9日檢修后重新投用后幅值降為正常的13m/s2。

該振動(dòng)加速度頻譜分析顯示，特征頻率約488Hz，與NU217的內(nèi)圈（滾珠個(gè)數(shù)因素）特征頻率基本吻合，但是其倍頻在4000～4500Hz中間轉(zhuǎn)頻邊帶較高，且存在不對(duì)稱現(xiàn)象，符合內(nèi)圈剝落故障特征（圖4）。

圖4　加速度頻譜分析

多頻譜分析（圖5）顯示了故障經(jīng)歷過程。振動(dòng)頻譜峰值在488Hz左右，其倍頻頻率也有中心表現(xiàn)，并且?guī)в羞厧мD(zhuǎn)動(dòng)頻率。在3000Hz左右有顯著的保持架邊帶頻率存在，顯示了軸承運(yùn)行中存在逆行阻力。在以后的幾天里高頻成份慢慢增長(zhǎng)，6月中低頻振動(dòng)開始增長(zhǎng)，6月2日，內(nèi)圈帶有轉(zhuǎn)速頻率邊帶和保持架邊帶的信號(hào)振動(dòng)強(qiáng)度占據(jù)了主要地位。

圖5　多頻譜圖特征

綜上所述，2H方向測(cè)點(diǎn)的上升趨勢(shì)最為顯著，頻率振動(dòng)特點(diǎn)較為明顯，同時(shí)其他測(cè)點(diǎn)的上升從前至后依次減小，可以斷定該測(cè)點(diǎn)存在軸承內(nèi)圈局部剝落缺陷，其后，電機(jī)軸承的現(xiàn)場(chǎng)拆解驗(yàn)證了該判斷。

四、結(jié)語(yǔ)

通過該泵群動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，工廠2014年機(jī)泵檢修與2013年相比，明顯改善。其中主要小修數(shù)量520項(xiàng)（增加了120項(xiàng)），但大修數(shù)量減小到2014年的142臺(tái)（2013 年210臺(tái)）。工休日、節(jié)假日及夜間突發(fā)故障比往年大大降低。隨大修工作量的減少，配件消耗明顯降低，2014年機(jī)封消耗145套（減少54套）。軸承消耗223套（減少91套）。隨著消耗數(shù)量的下降，機(jī)封和軸承壽命明顯增長(zhǎng)，機(jī)封軸承壽命分別增加到13500h和16300h（2013年為10500h和13600h）。通過泵群動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)來指導(dǎo)機(jī)泵預(yù)知性維修效果明顯。

泵群無線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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)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。不僅降低了機(jī)泵故障率和減少了非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，同時(shí)大大提高了預(yù)知性維修的水平。

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中圖分類號(hào)：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-0711（2016）03-0053-03

收稿日期：（2016-02-12）