程新續(xù)

（中國石油大慶煉化公司，黑龍江大慶 163411）

0 引言

煉油廠的離心泵長時(shí)間處于高溫、高速、高固體顆粒的惡劣環(huán)境下運(yùn)行，必須定期開展養(yǎng)護(hù)和檢修，才能保證離心泵始終以良好工況運(yùn)行。傳統(tǒng)以人工為主的檢查方式，只能發(fā)現(xiàn)一些淺表性的故障，而對(duì)于隱蔽程度較深的故障難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于排查不到位，處理不及時(shí)，導(dǎo)致離心泵長時(shí)間帶病運(yùn)行，嚴(yán)重縮短設(shè)備壽命，影響生產(chǎn)安全。在電子信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的推動(dòng)下，智能監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，它通過收集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，將實(shí)際參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)生成故障診斷報(bào)告，為設(shè)備管理人員展開故障排查和維修提供支持。

1 離心泵故障診斷方法

1.1 離心泵的常見故障類型

離心泵運(yùn)行期間常見的故障有以下4 種：①流量揚(yáng)程降低，通常與泵內(nèi)有氣體或管路中有雜物造成堵塞有關(guān)；②振動(dòng)值增大，軸承磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子不對(duì)中、不平衡，地腳螺栓松動(dòng)以及葉輪表面有異物等情況都會(huì)造成離心泵高速運(yùn)行期間出現(xiàn)振動(dòng)值異常故障；③泄漏嚴(yán)重，機(jī)械密封安裝不當(dāng)或損壞，以及軸承彎曲或損壞，泵軸與原動(dòng)機(jī)對(duì)中不良等，均會(huì)造成離心泵密封處發(fā)生泄漏；④軸承溫度升高，轉(zhuǎn)子偏心，軸承潤滑油變質(zhì)或缺少，軸承箱內(nèi)油液太少等，會(huì)使軸承溫度異常升高。

1.2 離心泵故障的診斷方法

機(jī)械設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)的關(guān)鍵是采集設(shè)備運(yùn)行時(shí)的各種信號(hào)，包括溫度、壓力、速度、振動(dòng)、流量等。根據(jù)以往的離心泵常見故障處理經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)故障發(fā)生時(shí)會(huì)引起設(shè)備振動(dòng)異常，因此振動(dòng)信號(hào)中包含了大量的故障信息。基于振動(dòng)分析的離心泵故障診斷方法，是將若干靈敏的振動(dòng)傳感器放置到離心泵的不同部位，在啟動(dòng)離心泵后由傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、降噪和數(shù)模轉(zhuǎn)換等一系列處理后，通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給計(jì)算機(jī)，通過軟件分析判斷有無故障，如果有故障，進(jìn)一步分析故障位置、原因并提出對(duì)策，圖1 是基于振動(dòng)分析的離心泵故障診斷流程圖。

圖1 基于振動(dòng)分析的故障診斷流程

2 煉油用離心泵故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

離心泵的滾動(dòng)軸承在運(yùn)行中可能因?yàn)槟p、腐蝕、裂紋、塑性變形等，使得軸承振動(dòng)異常，因此可以將振動(dòng)信號(hào)作為故障分析的主要信息源，利用加速度計(jì)獲取滾動(dòng)軸承的振動(dòng)參數(shù)后，輸入到現(xiàn)場采集分析儀中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理后，通過RS-232 接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，由上位機(jī)分析判斷滾動(dòng)軸承有無異常運(yùn)行情況。其中，現(xiàn)場采集分析儀采用VIB-30動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器，其核心為80C196 單片機(jī)，內(nèi)存4 M，最多可存儲(chǔ)500 個(gè)振值、800 個(gè)波形，最高分析頻率達(dá)15 kHz，保證數(shù)據(jù)處理效率，故障診斷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 中，電荷放大器可以將加速度傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，積分器是對(duì)轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)進(jìn)行二次積分，以便于后續(xù)處理，程控放大器及濾波器用于消除信號(hào)中的高頻干擾，并對(duì)轉(zhuǎn)化后的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)適，采樣保持器用于穩(wěn)定信號(hào)，確保在A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)能夠得到可靠的數(shù)字信號(hào)。

圖2 滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)硬件組成

2.2 軟件部分

經(jīng)過VIB-30 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器處理后的振動(dòng)信號(hào)，由RS232接口傳輸至上位機(jī)，安裝在上位機(jī)的軟件在接收并讀取信號(hào)后，可以顯示軸承振動(dòng)的時(shí)域波形，并利用傅里葉變換分析軸承振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征，判斷其運(yùn)行狀態(tài)。如果經(jīng)過數(shù)據(jù)分析確認(rèn)有異常情況的，在主界面上顯示報(bào)警信息，并計(jì)算滾動(dòng)軸承的故障頻率，鎖定發(fā)生故障的位置（圖3）。

圖3 滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)軟件界面

結(jié)合圖3 可知，故障診斷分析系統(tǒng)主要有五大功能模塊。其中，傳輸數(shù)據(jù)模塊用于接收數(shù)據(jù)采集器上傳的數(shù)據(jù)，每當(dāng)有新的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，自動(dòng)彈出數(shù)據(jù)通信窗口，可選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置；顯示波形模塊是在完成時(shí)域分析后自動(dòng)顯示時(shí)域波形，波形顯示頁面右側(cè)的“Rms”表示雙通道信號(hào)有效值，“Peak”表示雙通道信號(hào)峰值，“Epeak”表示雙通道信號(hào)等效分值，“Ave”表示雙通道信號(hào)平均值；軸心軌跡模塊可以在雙擊“File name”后打開軸心軌跡文件，并在新彈出的對(duì)話框中瀏覽軸心軌跡。

3 煉油用離心泵的故障分析與解決實(shí)例

3.1 儀器的現(xiàn)場安裝

某煉油廠的3#生產(chǎn)車間共有4 臺(tái)離心泵，2014 年8 月投入使用。其中3#泵在2019 年2 月因地腳螺栓松動(dòng)出現(xiàn)過一次振動(dòng)異常故障，加固地腳螺栓后故障得以解決。2021 年9 月份在進(jìn)行車間設(shè)備常規(guī)維護(hù)時(shí)，使用在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)對(duì)3#生產(chǎn)車間的4 臺(tái)離心泵進(jìn)行了現(xiàn)場檢測，將兩個(gè)帶有磁性的加速度傳感器分別固定在離心泵兩端的軸承座上，保證儀器與軸承座表面呈垂直狀態(tài)，然后將加速度傳感器的另一端導(dǎo)線接到VIN-30 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器上，在離心泵運(yùn)行時(shí)即可實(shí)時(shí)采集其振動(dòng)參數(shù)。

3.2 測試結(jié)果

4 臺(tái)離心泵各個(gè)測點(diǎn)的測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1，可以看到，除了4#泵的后軸承發(fā)出警告外，其他7 個(gè)測點(diǎn)的測試結(jié)果均正常。該系統(tǒng)設(shè)置的振動(dòng)參數(shù)告警值為2.50 mm/s，即實(shí)際監(jiān)測參數(shù)＞2.50 mm/s 時(shí)報(bào)警。對(duì)比4 臺(tái)離心泵的8 個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)1#、2#、3#泵的振動(dòng)速度均在1.50 mm/s 以內(nèi)，4#泵的前軸承雖然并未告警，但是實(shí)際測得的振動(dòng)速度達(dá)到2.383 mm/s，已經(jīng)接近告警值，該泵的后軸承實(shí)際測得振動(dòng)速度為3.416 mm/s，已經(jīng)超出預(yù)設(shè)的告警值，故系統(tǒng)發(fā)出振動(dòng)異常的報(bào)警。

表1 煉油廠供水車間離心泵測試結(jié)果

3.3 故障解決措施

通過在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)確定了4#泵存在振動(dòng)異常后，根據(jù)后軸承測點(diǎn)提供的振動(dòng)數(shù)據(jù)，在軟件上展開時(shí)域分析和頻譜分析，觀察時(shí)域波形發(fā)現(xiàn)振動(dòng)波形接近正弦波，并且在頻譜圖上只在轉(zhuǎn)頻處觀察到單一的頻率分量峰值。根據(jù)軸承信號(hào)和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)給出各部位的故障頻率計(jì)算結(jié)果：①內(nèi)圈故障頻率38.15 Hz；②外圈故障頻率55.86 Hz；③滾珠故障頻率157.42 Hz。設(shè)備管理人員根據(jù)系統(tǒng)故障分析結(jié)果，重點(diǎn)對(duì)離心泵滾動(dòng)軸承的滾珠展開了檢查，發(fā)現(xiàn)因?yàn)闈櫥瑴p少導(dǎo)致滾珠磨損嚴(yán)重，因此導(dǎo)致軸承高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)異常。及時(shí)更換滾珠并重新加注潤滑油后，使離心泵重新運(yùn)行，再次監(jiān)測振動(dòng)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)4#泵后軸承振動(dòng)速度為1.504 mm/s，故障得以解決。

4 結(jié)語

離心泵的運(yùn)行工況將直接影響煉油廠的經(jīng)濟(jì)效益，做好離心泵工況監(jiān)測和定期維護(hù)，始終保持其穩(wěn)定、安全運(yùn)行，是煉油廠設(shè)備管理部門的重要責(zé)任。積極推廣設(shè)備管理新技術(shù)，應(yīng)用在線監(jiān)測和故障分析系統(tǒng)，以離心泵的實(shí)時(shí)振動(dòng)參數(shù)作為故障分析診斷依據(jù)，可以更加及時(shí)、精確地發(fā)現(xiàn)故障隱患，在此基礎(chǔ)上采取針對(duì)性的維修措施，才能確保離心泵的健康運(yùn)行。