宮忠才，孫佳祥，劉 陽

(中海油能源發(fā)展采油服務公司 天津300457)

0 引 言

機械設備在海洋石油平臺生產(chǎn)過程中應用廣泛，具有推動生產(chǎn)的重要作用，一旦其出現(xiàn)故障就會造成經(jīng)濟損失，并且可能造成環(huán)境破壞，甚至威脅生產(chǎn)者人身安全。由于海洋石油平臺所處環(huán)境的特殊性，如果備品備件不充足，機械設備一旦出現(xiàn)故障導致停機，往往不能及時進行維修，將會造成巨大的經(jīng)濟損失。機械設備故障時，一般會出現(xiàn)異常的聲音、溫度或振動等現(xiàn)象，其中振動可以直接體現(xiàn)出機械設備的運轉狀態(tài)。通過振動檢測，可以持續(xù)地對機械設備實施檢測與故障診斷，在設備故障初期進行有針對性的維修[1]，從而有效地降低設備故障停機率，提高設備的完好性，為企業(yè)提升裝備管理水平打下牢固的基礎。

振動是指物體在某一中心位置附近做往復運動的過程。機械設備產(chǎn)生異常振動的原因一般包括轉子不平衡、軸心偏移、軸承磨損、連接件松動等問題，因此振動信號能夠直接反映出設備的運轉狀態(tài)。對于振動信號，可以通過在時域與頻域進行處理分析。

1 常用的振動信號分析方法

通常，振動信號的分析會從時域與頻域進行，時域是描述信號在時間方面特性時用到的一種坐標系，簡單的振動信號分析可通過其在時域的特征進行判斷[2]。時域分析方法包括均值、方差、偏斜度、峭度、峰值等[3]。除時域分析外，也在頻域對信號進行分析，一般通過信號的頻譜、能量譜、功率譜、小波分析等對信號處理分析。最常用的方法是將信號通過傅里葉變換后進行頻譜分析。此外，經(jīng)驗模態(tài)分解也是常用的信號處理方法之一。

1.1 均值

機械設備振動信號均值也被稱為直流分量，用于判斷機械設備的運轉狀態(tài)是否穩(wěn)定，是采樣周期內信號幅值的平均數(shù)。

式中：n為采樣時間窗口大??；ai為時間窗口內第i個數(shù)據(jù)。

1.2 標準差

標準差是采樣時間窗口內數(shù)據(jù)與均值差平方的算術平均數(shù)的平方根，用于判斷機械設備運轉信號對比均值的離散程度。

式中：n為采樣時間窗口大小；ai為時間窗口內第i個數(shù)據(jù)，mean為信號均值。

1.3 傅里葉變換

傅里葉變換是頻域分析最經(jīng)典的分析方法之一，也是將信號從時域變換到頻域的重要工具之一，序列X(n)的傅里葉變換公式如下所示。

1.4 經(jīng)驗模態(tài)分解

經(jīng)驗模態(tài)分解也是應用較為廣泛的一種信號時頻處理方法，它是將信號自身的時間尺度特征分解成有限個本征模函數(shù)(IMF)[4]，包括原信號不同時間尺度的局部特征信號，通常用于非線性、非平穩(wěn)信號的分析處理。經(jīng)驗模態(tài)分解后的信號可以表達為有限個本征模函數(shù)與剩余部分的線性疊加。

2 振動檢測在海洋石油平臺應用

本文以采油服務公司運營的大型海上石油生產(chǎn)設施設備為例進行分析。在目前生產(chǎn)過程中，海上石油生產(chǎn)設備主要采用振動傳感器對泵體、泵軸等位置進行檢測，通過實時收集的峰值來初步判斷設備運轉狀態(tài)，并結合專業(yè)公司年度設備狀態(tài)檢測故障診斷方法實現(xiàn)對生產(chǎn)設備的管理。海上生產(chǎn)設施設備按照ISO10816-3標準進行評判，可以按照振動水平區(qū)域界限值(mm/s RMS)分為A、B、C、D 4大類，其中A類(＜2.8)定義為新交付使用的機器，B類(2.8～4.5)定義為可以無限長時間安全運行，C類(4.5～7.1)定義為不適宜長時間連續(xù)運行，考慮在適合的機會進行維修，D類(＞7.1)定義為振動強度足以使機器破壞[5]。

以原油泵 P-9501為例進行分析，該泵電機軸承為 7324B/6330C3，離心泵軸承為 RMS36/RMS36，信號測量取點如圖1所示，測量結果如表1所示。

表1 P-9501測試結果Tab.1 P-9501 test results

按照 ISO 10816-3標準評判該泵機組為振動超標，并對振動信號進行頻譜分析。通過分析可以得到圖2，原油泵M1A測點軸向方向出現(xiàn)7324軸承滾動體故障頻率及諧波，并伴有保持架故障頻率邊帶，說明軸承存在早期故障。圖 2表明泵驅動端垂直方向(P4V)存在 3.112倍轉速頻率分量，接近 RMS36軸承的外環(huán)故障頻率，可能軸承早期故障；泵非驅動端水平方向(P5H)的轉速 6倍頻率分量幅值突出，低頻區(qū)存在隨機譜，說明流體激振明顯。

圖1 原油泵P-9501示意圖及測點位置Fig.1 Schematic view of pump P-9501 and test point location

圖2 電機自由端軸向方向測點gSE頻譜Fig.2 gSE spectrum of axial direction measurement point of free end of motor

綜合分析得到該泵的測試結論：電機測點 M1H的主要頻率分量為電機轉速，說明在此方向上的支承變差，可能與支承剛性或螺栓緊固有關。泵測點中以葉片通過頻率分量為主，并存在大量低頻隨機譜，說明泵內流體激振明顯。電機軸承滾動體/保持架、泵軸承外環(huán)早期故障。因此最終建議：定期檢查進出口濾網(wǎng)和壓力，以及葉輪、流道的磨損情況等，及時進行調整；檢查電機螺栓緊固情況，跟蹤電機軸承故障發(fā)展情況。

3 未來發(fā)展趨勢

大規(guī)模推行在線振動檢測技術對于實現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字化裝備管理具有非常關鍵的意義。目前，采油公司運營裝備的振動檢測仍然處于初級階段，十分依賴具有設備診斷經(jīng)驗的人員對數(shù)據(jù)進行分析，并且不具備實現(xiàn)長時間連續(xù)監(jiān)控的功能，下一步需要對海上設施的重要設備實施連續(xù)在線監(jiān)控。如今，人工智能發(fā)展迅速，可以通過構建神經(jīng)網(wǎng)絡，建立深層次、多維度的數(shù)據(jù)模型，并不斷補充故障信號特征的訓練樣本，豐富振動數(shù)據(jù)模型，高效自主判斷設備檢測數(shù)據(jù)中的特征信息[6]，從而減少在信號處理中對分析人員經(jīng)驗的依賴。

4 結 語

本文通過闡述常用的振動檢測技術方法，結合海洋石油平臺對振動檢測技術的實際應用，說明振動檢測技術對設備預防性維修以及預測性維修具有實際參考作用，并推斷出振動檢測技術的發(fā)展方向，通過建立豐富的數(shù)據(jù)庫模型替代人員經(jīng)驗診斷，為實現(xiàn)智能化、數(shù)字化的裝備管理帶來契機。■