劉文才，關國偉，2，王德建，2

（1.中國石油集團安全環(huán)保技術研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，天津 300272）

0 引言

在煉化設備中，動設備占有很大比重，大約占整個設備的1/3，動設備是保證煉化企業(yè)生產的動力基礎。煉化企業(yè)的各種動設備一旦出現故障，因維修成本和停工造成的損失十分巨大。目前，煉化企業(yè)越來越重視動設備故障帶來的風險，對動設備的維修管理，降低檢維修成本，已成為煉化企業(yè)亟需解決的問題。

隨著近年裝置不斷大型化和集合化，各類動設備越來越復雜，且國家和行業(yè)對安全生產、環(huán)境保護的要求越來越苛刻[1]。煉化企業(yè)動設備，例如，高危泵、壓縮機、煙氣輪機和風機等設備，由于行業(yè)性質，工作環(huán)境多具有高溫、高壓和強腐蝕性等工藝特點，以及高速、連續(xù)作業(yè)的運行特征。針對這些特征出現的故障問題，予以合理診斷并及時展開行之有效的維修作業(yè)，已成為現階段相關工作人員最亟待解決的問題，使得安全風險降到最低。應用狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術可有效實現故障預警，實時在線監(jiān)測動設備的運行狀態(tài)。通過對其監(jiān)測信號的處理和分析，以及對比不同時期的歷史信號變化，反映出動設備的運行狀態(tài)和松動、磨損等情況的發(fā)展程度及趨勢，為預防事故、科學安排檢維修提供科學依據。

1 國內外動設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術現狀

1.1 國外動設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術現狀

二十世紀四五十年代，美國就開始著手研究動設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術。美國宇航局主導成立的美國機械預防小組是當時這項技術研究的先驅。小組針對工業(yè)生產中關鍵機組的各種故障進行分類和研究，從而在大型關鍵機組的故障診斷領域積累了非常豐富的經驗。特別是在關鍵機組運行數據的信號分析處理領域取得了巨大成就，促進了機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術的發(fā)展。

目前，國外煉化企業(yè)基本上依靠狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術來實現對動設備的管理。隨著現代企業(yè)生產自動化程度的不斷提高，導致動設備故障維修和停機損失費用也在節(jié)節(jié)攀高。以可靠性為中心的RCM 理論的維修決策方法逐步發(fā)展起來。在發(fā)達國家的電力、化工、航空、軍工等領域，RCM 理論得到廣泛應用并逐漸成熟。這項技術在煉化企業(yè)成為構建設備完整性管理的重要技術支撐。

1.2 我國動設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術現狀

我國在此領域的研究較晚，起步于七八十年代，但發(fā)展速度較快。在起始階段，主要是以學習西方發(fā)達國家的先進技術和經驗為主。當時很多專家學者借鑒英國、美國、日本等狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的技術經驗，逐漸掌握一些故障發(fā)生機理、診斷方法及過程。掌握這些方法的同時進行創(chuàng)新，成功研制出一些簡易的監(jiān)測診斷儀器。九十年代，我國專門成立了一些研究機構，例如，冶金部成立了設備診斷研究室，化工部成立了振動檢測中心等。一些大學也研制出一些針對大型機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，例如，哈爾濱工業(yè)大學、西安交通大學等。這些機構的成立和大學的參與，使得我國在動設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術領域的發(fā)展迅速。

目前，我國動設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術同世界發(fā)達國家的差距在逐漸縮小。這項技術已經基本形成了理論和實踐相互融合的交叉學科，越來越受到企業(yè)重視。我國研制的大型設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)很多都具有國際領先水平。例如，在汽輪發(fā)電機組成功運用了線振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)等。煉化企業(yè)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)平臺已經逐漸成熟，尤其是已經在企業(yè)動設備上得到廣泛應用。

2 動設備狀態(tài)監(jiān)測技術

狀態(tài)監(jiān)測是指采取一定技術方法，選擇能代表設備正常運行狀態(tài)的一些參數進行實時監(jiān)測，當監(jiān)測結果超出其允許值即設備運行異常。一旦出現異常情況，通過分析異常參數值、其他參數值以及設備的工作原理等，判斷設備出現異常的部位及原因，從而及時采取措施使設備恢復正常運行狀態(tài)。

動設備狀態(tài)監(jiān)測技術是一門用于識別動設備運行狀態(tài)的綜合性應用科學和技術。利用監(jiān)測儀器對整個設備或關鍵部位進行監(jiān)測，從而獲取各種信號和數據信息，例如，振動、溫度、壓力等各種能反映設備運行參數的信息，并在故障發(fā)生之前及時報警或采取措施，最終為設備的故障診斷提供基礎的數據信息。目前，最常用的狀態(tài)監(jiān)測技術有振動監(jiān)測技術、溫度監(jiān)測技術、壓力監(jiān)測技術和油液分析監(jiān)測技術等。

2.1 振動監(jiān)測技術

振動監(jiān)測技術是目前所有狀態(tài)監(jiān)測技術中應用最為廣泛的技術。動設備最主要的監(jiān)測技術就是振動監(jiān)測，因為動設備的運行狀態(tài)最能通過振動來反映出來[2]。以離心泵為例，軸承磨損、對中不良、轉動部件松動、轉子不平衡、齒輪磨損偏心或損壞、油膜渦動和油膜振蕩等故障，均可以通過振動監(jiān)測進行分析。

通過振動監(jiān)測，可以收集到動設備或其部件的振動參數，如振幅、頻率等。一般情況下，低頻范圍的振動適宜測量位移，中頻范圍的振動適宜測量速度，高頻范圍的振動適宜測量加速度。通過數據處理提取特征信息圖譜，從而判斷振動來源及故障位置。對多數動設備來說，速度是最佳的參數，現在許多故障標準都將速度作為參考值。另外，在煉化企業(yè)大型機組監(jiān)測中，相對位移也是重要參數之一，對于軸承和齒輪部位的高頻振動，加速度是最合適的監(jiān)測參數。

通過數據處理提取特征信息圖譜，進行時域分析和頻域分析，采用頻譜處理技術，從大量信號中分析出有用數據。一般時域分析包括波形分析、軸心軌跡分析、波德圖瀑布圖分析和相關性分析等。同時，為消除信號中的非周期分量和隨機干擾，保留確定的周期分量，可以采用時域和頻域的平均技術，對收集的信號以一定周期為間隔去截取信號。然后將截取的信號段疊加平均，這樣可以提高信號的信噪比。動設備振動監(jiān)測與故障分析流程見圖1。

農村文化是農村現代化的靈魂，農村文化建設是農村現代化建設的關鍵。鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展、農民流動的增加、城鎮(zhèn)文化的沖擊、民族化與世界化的融合都對農村文化變遷產生了重大影響。當前，我國農村文化建設困難重重，有經濟層面的原因，也有文化大環(huán)境的影響，更重要的是農村文化主體——農民的變遷，促使農村文化發(fā)生變革。

圖1 動設備振動監(jiān)測技術流程

振動監(jiān)測常用的測量儀器有頻譜分析儀、磁帶記錄儀、振動傳感器和示波器等，通過這些儀器組成一套振動監(jiān)測系統(tǒng)，實現動設備振動監(jiān)測與故障分析。

2.2 溫度監(jiān)測技術

溫度是動設備磨損類故障最重要的特征參數之一。動設備的異常磨損、變形和滑移都會產生大量熱量，因此通過實時監(jiān)測溫度變化情況來診斷動設備是否發(fā)生故障是很好的途徑。一般因溫度異常引起的故障有設備過載、軸承損壞、電氣元件故障和傳熱設備故障等。常見的溫度監(jiān)測技術流程見圖2。

圖2 動設備溫度監(jiān)測技術流程

隨著石油石化動設備向集成化、自動化和復雜化發(fā)展，各種溫度監(jiān)測技術得到空前發(fā)展。例如，熱電偶技術、薄膜溫度監(jiān)測技術、輻射測溫技術、多光譜測溫技術和光纖測溫技術等。這些新技術為動設備的故障診斷提供了技術支撐。雖然目前溫度的監(jiān)測方法越來越多，但對于某些現場實際工程或一些特殊條件下的溫度監(jiān)測。例如，監(jiān)測極限溫度、高溫腐蝕性介質溫度、氣流溫度、表面溫度、固體內部溫度分布、微尺寸目標溫度、大空間溫度分布、生物體內溫度、電磁干擾條件下的溫度等，就需要監(jiān)測人員非常熟悉各種監(jiān)測技術的原理及適用特點，精確測量溫度數據，通過數據分析判斷設備故障原因和位置。

2.3 壓力監(jiān)測技術

壓力監(jiān)測技術是對動設備重要參數點安裝相應壓力傳感器進行運行參數記錄。對于運行的系統(tǒng)加裝參數記錄點，從而發(fā)現系統(tǒng)的參數變化趨勢，為故障診斷提供詳細可靠的參數依據。一般壓力監(jiān)測可以通過監(jiān)測設備壓力的異常變化，來判斷設備過載、油路阻塞、安全閥失效和密封失效等故障類型。通過總結設備歷史數據來優(yōu)化系統(tǒng)，降低這些設備的故障率。

煉化企業(yè)大多數動設備都有液壓部件，例如，高壓多路閥、液壓泵、液壓馬達和液壓油缸等壓力系統(tǒng)。這些液壓系統(tǒng)經常發(fā)生故障，簡單修理后還會不同程度地反復出現相同問題，有時故障源難以判斷，導致故障維修不徹底。一些重要的關鍵設備更需要有壓力監(jiān)測系統(tǒng)，例如，自升式海洋鉆井平臺在海洋上作業(yè)，一旦出現故障，檢維修成本很高[3]。這就要求對整個系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，排除系統(tǒng)潛在的安全隱患，及時處理故障，減低企業(yè)成本。

動設備壓力監(jiān)測技術流程如圖3 所示，壓力監(jiān)測系統(tǒng)一般采用傳感器采集數據，通過數據線傳遞給數據采集模塊，進行模數轉換和邏輯運算，通過通信電纜將數據傳遞給控制主機服務器，服務器進行存儲記錄、運算，上傳至局域網，可以實現客戶端電腦查詢等服務。

圖3 動設備壓力監(jiān)測技術流程

2.4 油液分析監(jiān)測技術

油液分析監(jiān)測技術一般通過采樣分析設備正在使用的潤滑油，獲得油品的有關各種性能指標，包括潤滑油污染情況以及各種微粒物態(tài)特征信息，確定設備潤滑與磨損狀態(tài)，進而診斷出設備相關故障。油液分析監(jiān)測是一門涉及到多學科的綜合應用技術，通過油液分析，可以確定合理的換油時機，將設備維護過程與環(huán)境污染控制有機結合，從而實現動設備維護目標與環(huán)保目標和諧統(tǒng)一。

常見的動設備油液分析流程如圖4 所示，由于工作條件、環(huán)境因素和添加劑的消耗，以及金屬表面磨損后的磨?；烊霛櫥筒⒀h(huán)等原因，都必然導致潤滑油品質的變質和劣化。油液分析技術通常采用鐵譜分析、發(fā)射光譜分析、紅外光譜分析、顆粒計數和斑點試驗等。利用這些分析方法，通過磨粒數量、尺寸、成分及形態(tài)，確定主要磨損部位及磨損程度和原因。通過分析油變質和污染物類型及數量，確定潤滑油的可用度及相關的系統(tǒng)故障及原因，及時提出設備故障預報，實現對動設備運行狀態(tài)的監(jiān)測。

圖4 動設備油液分析流程

上述4 種監(jiān)測技術各有特點和適用場合，隨著煉化企業(yè)動設備越來越復雜化，僅靠一種監(jiān)測技術往往不能滿足要求，需要各種監(jiān)測技術相互配合。同時，引進新技術，最后逐步實現多種監(jiān)測技術集成融合，使得動設備狀態(tài)監(jiān)測技術越來越強大。

3 動設備故障診斷技術

故障診斷技術是通過狀態(tài)監(jiān)測，一旦發(fā)現設備采集的信號異常，需要識別采集到的各種信號及特征參數，通過各種信號處理技術以及專家的知識和經驗，從而診斷出設備存在的故障類型及故障原因。

煉化企業(yè)的動設備部件有轉子、軸承、殼體、聯(lián)軸節(jié)、密封和基礎結構，如果在加工及安裝方面存在缺陷，則機械在運行中會產生振動。機器運行過程中，因運行、操作和環(huán)境等方面原因造成的機器狀態(tài)劣化，也會表現為振動異常。因此，振動信號是診斷動設備故障的主要依據，對動設備的振動測量、監(jiān)視和分析非常重要[4]。另外，振動參數比其他狀態(tài)參數更能直接、快速、準確地反映機組運行狀態(tài)。因此，針對煉化企業(yè)動設備故障，最主要的手段是進行振動監(jiān)測診斷。

從某種意義講，振動監(jiān)測故障診斷技術最主要的任務是讀懂各種頻譜圖。理解頻譜圖中的每個頻譜分量與監(jiān)測機器的零部件對照聯(lián)系，能夠解釋每條頻圖對應的各種故障類型，從而判斷出設備故障類型和位置。動設備振動故障診斷一般有常態(tài)頻域分析、暫態(tài)頻域分析及趨勢分析等3 種。做頻譜分析時，首先，應從高、中、低頻段進行分析，初步了解主故障發(fā)生的部位，特別應注意幅值較高的頻譜，因為該量值對振動的總水平影響最大。一般情況下，工頻成分突出大部分是由于轉子不平衡造成的，但同時要區(qū)分軸彎曲、共振、角度不對中、基礎松動和定轉子同軸度不良等故障存在的可能性。常見的異常頻譜對應的故障類型見表1。

表1 常見異常頻譜對應的故障類型

現代故障診斷技術隨著科技發(fā)展和設備復雜化，將逐漸融合各種學科和多項技術，成為一門新興綜合性技術。隨著煉化企業(yè)動設備越來越復雜，狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術的優(yōu)越性將越來越明顯，其應用也將越來越廣泛。

4 應用案例

某煉化企業(yè)1 臺再生風機，功率為250 kW，采用膜片式聯(lián)軸節(jié)，軸承型號為SKF6224C3，在4 個位置布置了監(jiān)測點位（圖5），安裝了在線監(jiān)測系統(tǒng)。

圖5 再生風機監(jiān)測點設置

2018 年底，頻譜圖出現異常，根據測點3 位置振動趨勢（圖6），可以發(fā)現該機組的風機部分速度振動幅度有上升趨勢，從0.7 mm/s 上升到最大3.1 mm/s。特別是在該風機聯(lián)軸節(jié)側的軸承處，振幅上升趨勢明顯，現場噪聲在測點3 位置處特別刺耳。

圖6 測點3 位置振動趨勢

從測點3 位置處垂直方向測得的速度頻譜（圖7）看出，振動以291.25 Hz 為主。其中，上面譜線（呈直線）為1 月29 日測得的頻譜，下面譜線（呈折線）為3 月3 日測得的頻譜。通過歷史頻譜對比發(fā)現，2 月中旬以前的頻譜圖中沒有該頻率成分。到3 月初，該頻率已經成為最主要的振動頻率，而且它的幅值變化很快。根據該測點位置的軸承類型，可以了解到其外環(huán)的特征頻率為169.4 Hz、內環(huán)的特征頻率為243.7 Hz、滾動體的特征頻率為123.3 Hz、保持架的特征頻率為18.8 Hz（圖8）。通過觀察計算，軸承外環(huán)特征頻率和滾動體特征頻率相加，即1169.4＋123.3=292.7 Hz，發(fā)現與291.25 Hz 十分接近。由此可以判斷軸承在外環(huán)和滾動體上存在故障。

圖7 測點位置3 垂直方向的速度頻譜比較

圖8 測點3 位置垂向gSE 趨勢

由圖9 可以看出，在測點位置3 垂直方向的沖擊脈沖包絡頻譜中存在大量諧頻，諧波頻率為19 Hz。這與軸承保持架的頻率18.8 Hz 十分接近，從而說明該軸承的保持架存在故障。

圖9 測點3 位置垂向沖擊脈沖包絡頻譜

通過上面的數據分析判斷，結合以往停機檢查結果，可以確診該再生風機軸承存在嚴重損傷。監(jiān)測時的異常噪聲很可能是軸承損壞引起齒輪嚙合不良造成的，停機后更換了軸承及轉子。再次開機后發(fā)現，原振動頻譜中的故障特征頻率已經消失，振動幅度也降下來了，現場也沒有異常噪聲，說明設備故障已經排除。

5 結束語

煉化企業(yè)的動設備日趨復雜和多元化，動設備的狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術也正向網絡化、智能化、遠程化、實時化的方向發(fā)展，生產過程對人的依賴越來越低，對設備的依賴程度越來越高，這就要求對設備運行狀態(tài)的掌握程度越來越高[5]。由于現場實際問題錯綜復雜，要順利完成狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷任務并取得實效十分困難。分析常見的動設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術，并進行案例剖析，可以為煉化企業(yè)動設備管理提供指導意義，為動設備維修決策提供依據，從而實現煉化企業(yè)動設備的科學養(yǎng)護。