鐘凱誠(chéng)，水 龍，魚云鋒，秦少鋒，孫國(guó)棟

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459；2.西安因聯(lián)信息科技有限公司，陜西西安 710065；3.杭州安脈盛智能技術(shù)有限公司，浙江杭州 310051；4.濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250022）

0 引言

油田注水系統(tǒng)是把水質(zhì)合格的水通過注水泵加壓后經(jīng)注水井注入地下油層，在油層內(nèi)人工建立水壓驅(qū)動(dòng)，從而保持油層壓力、降低原油遞減率。一旦注水泵發(fā)生故障，整個(gè)注水系統(tǒng)將無(wú)法正常工作，有可能導(dǎo)致油田減產(chǎn)，造成經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。一般注水泵自帶的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只包括實(shí)時(shí)振動(dòng)值、溫度、壓力的檢測(cè)，無(wú)法根據(jù)電機(jī)與泵體的振動(dòng)變化趨勢(shì)預(yù)判故障發(fā)生點(diǎn)，也無(wú)法在故障關(guān)斷之前進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)防維保。為加強(qiáng)設(shè)備管理，減少設(shè)備的故障停機(jī)次數(shù)，引入了注水泵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能報(bào)警和頻譜分析，可以及時(shí)提出維保建議，大大提高注水泵的運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 機(jī)泵故障診斷分析方法

對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障診斷進(jìn)行分析，目的是利用頻譜分析等手段分析采集的設(shè)備參數(shù)，掌握設(shè)備現(xiàn)階段的狀態(tài)，預(yù)測(cè)設(shè)備未來(lái)的狀態(tài)及劣化趨勢(shì)，根據(jù)不同的故障原因，制定不同的維修策略，根據(jù)掌握的設(shè)備狀態(tài)做好預(yù)防性工作，保障設(shè)備的安全運(yùn)行，降低設(shè)備的維修成本[3-6]。

注水泵所處的工作環(huán)境決定了其工作特性，由于受到海浪沖擊、鋼結(jié)構(gòu)塑性變形等因素的影響，導(dǎo)致了設(shè)備的故障率居高不下[7]。造成設(shè)備振動(dòng)異常的原因還有很多，如基礎(chǔ)軟腳、對(duì)中不良、軸承故障、汽蝕、工況的改變、管線應(yīng)力、潤(rùn)滑不良、地腳螺栓松動(dòng)、基礎(chǔ)剛度不足等[8]。一旦設(shè)備發(fā)生故障，這些故障信息就會(huì)在時(shí)域波形、頻譜、幅值等的振動(dòng)信號(hào)上有所體現(xiàn)，通過分析振動(dòng)信號(hào)便能掌握設(shè)備的故障根源。

正確認(rèn)知、掌握設(shè)備的故障診斷，離不開故障信息處理技術(shù)。目前常用的故障監(jiān)測(cè)分析手段包含時(shí)域分析、趨勢(shì)分析、頻譜分析、加速度包絡(luò)分析、瀑布圖分析、到頻譜分析、峭度分析等。鑒于注水泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及重要性，本項(xiàng)目采用在線監(jiān)測(cè)與離線監(jiān)測(cè)相結(jié)合的手段，多測(cè)點(diǎn)采集，多參數(shù)分析，以精準(zhǔn)掌握設(shè)備故障。

2 注水泵的參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置

以某海洋石油平臺(tái)為例，注水泵采用的是“電機(jī)+膜片聯(lián)軸器+多級(jí)離心泵”的形式。

（1）電機(jī)型號(hào)為YBH710S1-2W，生產(chǎn)廠家為佳木斯電機(jī)股份有限公司，功率1250 kW，轉(zhuǎn)速為2970 r/min，軸承型號(hào)為6310/C3。

（2）聯(lián)軸器為膜片式聯(lián)軸器。

（3）多級(jí)離心泵流量為230 m3/h，出口壓力1.38 MPa（G.），軸承型號(hào)為7311B，采用飛濺潤(rùn)滑的方式。

采集設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)，一般選擇方向?yàn)閺较蚍较颍ㄋ紿、垂直V）和軸向方向（A），因?yàn)椴煌墓收显诓煌较蛴胁煌姆磻?yīng)，不同的故障體現(xiàn)在不同的特征值上[9]。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)方式不同，振動(dòng)的測(cè)點(diǎn)數(shù)會(huì)有區(qū)別，一般情況下離線采集會(huì)采集注水泵電機(jī)和泵兩端、共11 個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信息，而在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因考慮多方面因素，會(huì)適當(dāng)縮減。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境和設(shè)備所需，機(jī)組測(cè)點(diǎn)的布置情況如圖1 所示。

圖1 注水泵的振溫一體傳感器測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)設(shè)備情況，選用的是壓電式加速度傳感器，采用焊接底座的方式安裝在設(shè)備殼體上。

振溫一體式傳感器可以采集（測(cè)量）設(shè)備的振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)，頻響范圍0.4 Hz～10 kHz，量程為±50 g；測(cè)量信號(hào)包括加速度、速度、位移、包絡(luò)、溫度等。

傳感器的認(rèn)證：防爆：本安型Exia IIC T4 Ga，防護(hù)：IP67。

3 泵驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

泵驅(qū)動(dòng)端測(cè)點(diǎn)加速度、加速度包絡(luò)幅值在2020年10 月23日開始緩慢升高，10 月26 日開始出現(xiàn)波動(dòng)，10 月28 日開始持續(xù)升高，11 月1 日上升到最高點(diǎn)。選擇提取泵驅(qū)動(dòng)端加速度包絡(luò)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖2 泵驅(qū)動(dòng)端加速度包絡(luò)趨勢(shì)圖

由圖3 可知，泵驅(qū)動(dòng)端加速度包絡(luò)頻譜中主要以205 Hz的頻率及其諧波為主。

圖3 泵驅(qū)動(dòng)端加速度包絡(luò)頻譜圖

軸承型號(hào)為7311，轉(zhuǎn)速2970 r/min，則軸承滾動(dòng)體故障頻率計(jì)算公式[10]：

帶入軸承幾何參數(shù)，計(jì)算出軸承滾動(dòng)體故障頻率f=205.25 Hz，與205.0 Hz 故障頻率幾乎重合，因此泵驅(qū)動(dòng)端加速度包絡(luò)頻譜中出現(xiàn)的這個(gè)頻率為軸承滾動(dòng)體故障頻率。綜合判斷，泵驅(qū)動(dòng)端存在軸承滾珠故障。

經(jīng)過在線監(jiān)測(cè)分析后得出，泵驅(qū)動(dòng)端軸承滾動(dòng)體故障，因?yàn)檩S承的潤(rùn)滑方式為飛濺潤(rùn)滑，建議檢查泵驅(qū)動(dòng)端軸承潤(rùn)滑情況，現(xiàn)場(chǎng)添加適量潤(rùn)滑油后，軸承運(yùn)行環(huán)境得到改善，但軸承劣化趨勢(shì)并未有明顯改觀。在11 月5 日更換泵體驅(qū)動(dòng)端機(jī)封時(shí)，拆檢泵驅(qū)動(dòng)端軸承箱后發(fā)現(xiàn)軸承滾珠磨損嚴(yán)重（圖4）。

圖4 泵驅(qū)動(dòng)端軸承檢修現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)論

通過振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備振動(dòng)的變化趨勢(shì)，通過頻譜分析等手段，能精準(zhǔn)判斷故障源，及時(shí)采取相對(duì)應(yīng)的措施，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，確保海洋石油平臺(tái)的流程穩(wěn)定性。