李 政

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300450）

0 引言

機泵類設(shè)備在海上平臺和浮式儲油輪FPSO等工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。海上油田主要常見的機泵有單級離心泵和多級離心泵、螺桿泵等。

機泵類設(shè)備在海上動設(shè)備中故障率相對較高，且機泵類設(shè)備在使用過程中會出現(xiàn)不平衡、不對中、軸承磨損、松動等常見故障，占整個故障類型的90%左右。如果不能及時發(fā)現(xiàn)這些故障，會造成相應(yīng)的機泵停機甚至停產(chǎn)，從而給油田生產(chǎn)帶來重大經(jīng)濟損失。

頻譜分析技術(shù)是隨著現(xiàn)代電子信息和計算機技術(shù)及數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展起來的，是動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的一種有效的重要手段。通過對動設(shè)備現(xiàn)場布置振動傳感器，采集設(shè)備運行時振動信號，然后對采集的振動信號經(jīng)過數(shù)采器的硬件部分和計算機中安裝的振動信號分析軟件進行傅里葉等處理手段，從而得到動設(shè)備振動信號的頻譜圖。通過分析設(shè)備振動信號中幅值較大的頻率成分，即表征設(shè)備故障信息，達(dá)到對動設(shè)備故障診斷分析。設(shè)備出現(xiàn)故障時，設(shè)備故障頻率會表征在頻譜中，通過對設(shè)備振動頻譜的分析，可以找到設(shè)備部件對應(yīng)的故障原因和類型，從而提前預(yù)知動設(shè)備損壞的具體部位，有針對性地指導(dǎo)設(shè)備維護維修，保障動設(shè)備本質(zhì)安全和可靠運行。

1 機泵類設(shè)備常見故障形式及對應(yīng)案例頻譜分析

1.1 轉(zhuǎn)子不平衡

不平衡一般在機泵上主要是因為轉(zhuǎn)子制造質(zhì)量偏心，或使用過程中轉(zhuǎn)子磨損、積灰等，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)缺陷和損傷，造成轉(zhuǎn)子不平衡故障。

轉(zhuǎn)子不平衡故障的頻譜特點：

1）頻譜中主要為工頻幅值振動，即最大峰值為工頻，振動方向以垂直或徑向為主。若轉(zhuǎn)子為懸臂支承形式，則將有軸向分量。

2）在一階臨界轉(zhuǎn)速下，工頻振動幅值隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高而增大。

3）頻譜圖中一般很少出現(xiàn)工頻的高次諧波分量。

4）振動信號原始時域波形近似為正弦波。

5）軸心軌跡為橢圓。

6）相位穩(wěn)定。

某平臺注水泵機組，電機振動幅值較高，最高值為19.15 mm/s，在1H、1V、2H、2V等測點測量的振動的頻譜圖中主要為工頻幅值振動，無高次諧波分量，振動信號原始時域波形近似為正弦波。電機測點具體的頻譜圖和時域波形圖如圖1、圖2所示。

圖1 不平衡故障頻譜圖Fig.1 Spectrum of unbalance fault

圖2 不平衡故障時域波形圖Fig.2 Time domain waveform of unbalanced fault

根據(jù)實際測量頻譜綜合判斷，符合不平衡故障的典型頻譜特征，因此診斷為電機轉(zhuǎn)子動不平衡。對電機轉(zhuǎn)子做動平衡后，電機振動恢復(fù)為正常水平。

1.2 機組不對中

不對中主要指驅(qū)動設(shè)備轉(zhuǎn)子與被驅(qū)動設(shè)備轉(zhuǎn)子之間的連接對中，具體表現(xiàn)在聯(lián)軸器兩端轉(zhuǎn)子的對中程度上。

不對中類型主要分為平行不對中和角度不對中，及平行和角度不對中疊加在一起的混合不對中。通常人們普遍認(rèn)為機械振動主要是不平衡故障所導(dǎo)致，但就機泵類設(shè)備而言，75%左右的振動是由不對中引起的，這點尤其在海洋石油生產(chǎn)動設(shè)備故障中非常常見。

不對中故障的頻譜特點：

1）較小幅值的轉(zhuǎn)子工頻，轉(zhuǎn)子2倍工頻峰值較大即2X工頻峰值較高。

2）對中程度逐漸偏差和增加，軸向振動分量也會逐漸增加。

3）振動信號的原始時域波形呈畸變的正弦波。

4）聯(lián)軸器兩邊振動相位呈180°反向。

5）如果2X工頻幅值大于1X工頻處的一半或以上時，則說明不對中程度增加。

6）軸心軌跡為月牙形、香蕉形，嚴(yán)重對中不良時的軸心軌跡可能出現(xiàn)“8”字形。

某平臺外輸泵機組，電機振動幅值增大，在采集振動信號時發(fā)現(xiàn)電機驅(qū)動端軸振動速度總值由之前的1.8mm/s上升至8.0mm/s，對比水平和垂直及軸向振動，發(fā)現(xiàn)軸向振動幅值增加最明顯，頻譜中主要以轉(zhuǎn)子工頻的和轉(zhuǎn)子的2X為主，其中轉(zhuǎn)子的2X峰值較大且突出，如圖3所示。

圖3 機組不對中時的頻譜圖Fig.3 Spectrum of unit misalignment

根據(jù)實際測量頻譜綜合判斷，符合機組不對中典型頻譜特征，尤其是軸向振動幅值增加最明顯，因此診斷為機組不對中。對機組重新對中后，振動下降到2.5mm/s，如圖4所示。

圖4 重新對中后的頻譜圖Fig.4 Spectrum after re alignment

1.3 軸承故障

機泵結(jié)構(gòu)中的軸承大多數(shù)主要是滾動類軸承，滾動類軸承也是旋轉(zhuǎn)機械中應(yīng)用最多的機械零部件，屬于易損耗部件之一。滾動軸承在使用過程中，由于銹蝕、疲勞剝落、斷裂，磨損擦傷等原因都可能使軸承過早損壞。即使是運行條件良好，當(dāng)軸承運轉(zhuǎn)到一定時間以后也會出現(xiàn)磨損和疲勞剝落而不能正常工作。

軸承故障的頻譜特點：

滾動軸承潤滑不良，主要表現(xiàn)為振動加速度值和加速度包絡(luò)值升高，且加速度頻譜中高頻峰值較高和加速度包絡(luò)譜中地腳能量豐富，補充潤滑劑后加速度總值和加速度包絡(luò)值有顯著的下降趨勢。有時也會遇到補充潤滑劑后，振動加速度值和加速度包絡(luò)值沒有下降趨勢，這種情況大多數(shù)可能是由于軸承間隙不當(dāng)或其他因素導(dǎo)致振動升高。

一般情況下滾動軸承出現(xiàn)故障都會表現(xiàn)為振動總值較大且趨勢有顯著的上升現(xiàn)象，在加速度包絡(luò)譜中存在（外圈、內(nèi)圈、保持架或滾動體）軸承故障頻率及其諧波，加速度時域波形有明顯沖擊現(xiàn)象，同時時域波形的振動幅值較高。嚴(yán)重時，在速度頻譜中也會出現(xiàn)軸承故障頻率及其諧波，用金屬棒或聽診器在現(xiàn)場還能聽到明顯的異常噪聲。滾動軸承出現(xiàn)嚴(yán)重故障時需要及時更換軸承，否則容易造成抱軸等突發(fā)故障，導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重故障。

某平臺一臺離心式原油外輸泵，泵端軸承運行時出現(xiàn)故障，振動總值升高。當(dāng)時采集的軸承頻譜圖，如圖5所示，具有滾動軸承出現(xiàn)故障時的頻譜特征。隨之停機對該軸承檢修，發(fā)現(xiàn)軸承外圈已經(jīng)非正常磨損導(dǎo)致軸承跑外圓，軸承磨損較嚴(yán)重。隨后更換軸承后，振動有了顯著下降趨勢。

圖5 泵軸承故障對應(yīng)的加速度包絡(luò)頻譜圖Fig.5 Acceleration envelope spectrum of pump bearing fault

軸承安裝不當(dāng)，更換軸承后由于軸承間隙不當(dāng)，此時軸承振動包絡(luò)頻譜中可能也會存在軸承故障缺陷頻率，這種情況需要重新安裝，調(diào)整軸承間隙/游隙。

1.4 松動故障

機泵故障中松動故障比較常見，而且對設(shè)備的損壞程度也較大。機械松動不單是振動的主要因素，而且機械松動可加劇振動狀態(tài)。因此，機械松動使設(shè)備的振動比單有如不對中或不平衡時的振動更大。一般在解決設(shè)備同時存在多個故障情況下，優(yōu)先要解決設(shè)備松動問題，其次再解決其他故障問題。一般在機泵類設(shè)備中主要松動類型有旋轉(zhuǎn)松動、結(jié)構(gòu)松動、軸承座松動。

松動故障的頻譜特點：

1）發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動故障時，頻譜中主要為1X及其多次諧波，有時可能擴展到10X或者以上。其中，滑動軸承游隙/間隙偏大后可能會產(chǎn)生0.5X的諧波。產(chǎn)生的主要原因是摩擦或嚴(yán)重的沖擊作用，有時可能會產(chǎn)生1/3X的諧波，主要因零部件安裝不當(dāng)引起。

2）發(fā)生結(jié)構(gòu)松動時即設(shè)備與它的基礎(chǔ)之間出現(xiàn)松動，往往在剛性較弱的地方，且通常在水平方向易出現(xiàn)1X振動，但具體也要根據(jù)實際情況而定。如果松動情況嚴(yán)重，尤其是在垂直安裝的機組上，往往會產(chǎn)生低階1X諧波。這時就比較難分辨到底是因不平衡、基礎(chǔ)松動或者是柔性化導(dǎo)致。如果水平方向工頻振動比垂直方向上的工頻振動大很多，很可能就是松動所致；相反，如果水平方向工頻振動比垂直方向上的工頻振動小或相等，那么其出現(xiàn)不平衡的可能性就比較大?；A(chǔ)松動或基礎(chǔ)柔性化是緊固連接件的螺栓松動、腐蝕或裂紋所致。（注意：如果機組安裝基礎(chǔ)的彈性比較強，水平和軸向的振動要強的多）。

3）發(fā)生軸承座松動故障時，頻譜中工頻，2倍工頻和3倍工頻處皆有振動分量，但一般很少存在其它諧波，在松動嚴(yán)重的情況下可能會產(chǎn)生0.5X的波峰。

4）松動故障振動原始信號時域波形較紊亂。

5）松動故障時一般相位不穩(wěn)定，每次測量相差很大。

某平臺熱介質(zhì)循環(huán)泵，在監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)電機軸向和垂直方向振動值較高。電機端振動速度總值軸向和垂直方向最高分別達(dá)到13.43mm/s和12.18mm/s，表1是2011年2月28日發(fā)生松動故障時測試的振動速度總值（單位mm/sec、采用有效值）。機組頻譜中工頻分量突出，并伴有相對較高幅值的多次諧波頻率，時域波形存在紊亂現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 機組存在松動故障時的頻譜圖和原始信號時域波形Fig.6 Frequency spectrum and time domain waveform of original signal in case of looseness fault

表1 機組松動故障時采集機組各測點振動速度總值Table 1 Total value of vibration velocity at each measuring point of the unit in case of looseness fault

根據(jù)實際測量頻譜和現(xiàn)場具體情況綜合判斷，符合機組松動典型頻譜特征。判斷電機振動較大的原因主要與電機部位基礎(chǔ)撬塊螺栓松動有關(guān)。尤其是電機非驅(qū)動端部位處，現(xiàn)場監(jiān)測電機非驅(qū)動端一側(cè)地腳螺栓存在緊固不實，螺栓對機組撬塊幾乎沒有緊固作用。由于地腳螺栓松動，導(dǎo)致受力不均衡，機組運轉(zhuǎn)時容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，長期在內(nèi)應(yīng)力作用下還會導(dǎo)致機組聯(lián)軸器對中易發(fā)生改變。

圖7 機組松動故障處理后的頻譜圖和原始信號時域波形Fig.7 Spectrum diagram and time domain waveform of original signal after treatment of unit looseness fault

現(xiàn)場對機組各個地腳螺栓采取有針對性的緊固，即根據(jù)現(xiàn)場實際情況對每個螺栓用不同力矩進行調(diào)整緊固。最終通過振動測試找到振動最小值，確定為最佳緊固點和緊固力矩，經(jīng)過多次振動監(jiān)測測試和調(diào)整地腳螺栓緊固力矩，使機組振動速度總值降到當(dāng)前現(xiàn)有條件的最低。表2是2011年3月份調(diào)整和重新緊固地腳螺栓后測試的振動速度總值（單位：mm/sec、采用有效值）。

表2 機組松動故障處理后采集機組各測點振動速度總值Table 2 The total value of vibration velocity at each measuring point of the unit after handling the looseness fault

2 結(jié)語

機泵類設(shè)備最常出現(xiàn)的故障有不平衡、不對中、軸承磨損，松動等故障，掌握機泵設(shè)備故障診斷的分析原理和方法是準(zhǔn)確診斷機泵設(shè)備常見故障的前提。針對不同的故障特征，采用頻譜分析方法可以有效地監(jiān)測并診斷出這些故障，從而指導(dǎo)機泵類設(shè)備的維護和維修，將設(shè)備故障消除在萌芽和發(fā)展階段，有效預(yù)防設(shè)備故障惡化或發(fā)生事故性故障。總之，機泵類設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)是建立在多個學(xué)科基礎(chǔ)之上的，具有技術(shù)基礎(chǔ)可靠性高，工程應(yīng)用性強，與高新技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)等特點?，F(xiàn)在不斷完善的監(jiān)測技術(shù)手段也被更多的應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，這要求工程技術(shù)人員掌握更多的理論知識，同時要經(jīng)常深入實際，積累現(xiàn)場經(jīng)驗，使診斷更能準(zhǔn)確地指出故障位置和故障程度，以采取最合理的維修手段，保證設(shè)備的正常運行，提高設(shè)備的可靠性和管理水平。既節(jié)約了人力財力，又不影響正常的生產(chǎn)生活，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益和社會效益。