楊柳，雷波，但霞，石凱，劉茵萊，崔文青，熊鑫

（四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610100）

油氣管道作為國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，關(guān)系到國(guó)家能源安全和社會(huì)穩(wěn)定。工業(yè)泵機(jī)組是油氣管道站場(chǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，電機(jī)作為其中的動(dòng)力源，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)整個(gè)油氣管路具有重要作用。電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)使繞組絕緣和軸承壽命縮短，又容易使附件等疲勞，地腳螺絲松動(dòng)或斷掉。電機(jī)的故障診斷技術(shù)非常重要，它是確保電機(jī)正常、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，通過(guò)開(kāi)展泵組的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和故障預(yù)測(cè)，消除設(shè)備隱患和安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)知性維修，節(jié)約大量的維修成本。

1 電機(jī)故障統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵機(jī)泵運(yùn)行過(guò)程中基于振動(dòng)信號(hào)的故障統(tǒng)計(jì)，電機(jī)出現(xiàn)故障數(shù)量占比達(dá)到30%以上，見(jiàn)圖1。通過(guò)對(duì)電機(jī)故障種類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，電機(jī)機(jī)械原因占比高達(dá)93%，其中電機(jī)軸承故障占比44%，其次分別為支撐剛度低、松動(dòng)、軟腳、不平衡、不對(duì)中，見(jiàn)圖2。

圖1 電機(jī)與泵故障占比

圖2 電機(jī)故障種類

2 電機(jī)故障振動(dòng)特征

2.1 不平衡

轉(zhuǎn)子不平衡是指轉(zhuǎn)子受材料質(zhì)量、加工、裝配以及運(yùn)行中多重因素的影響，其質(zhì)量中心和旋轉(zhuǎn)中心之間存在一定量的偏心距，使得轉(zhuǎn)子在工作時(shí)形成周期性的離心力干擾，在軸承上產(chǎn)生動(dòng)載荷，從而引起機(jī)器振動(dòng)的現(xiàn)象。比較常見(jiàn)的電機(jī)不平衡包括：轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子熱態(tài)不平衡、轉(zhuǎn)子部件脫落。

不平衡主要征兆與信號(hào)特征如下：

（1）一倍頻振幅突出，并且占通頻振幅總量的80%以上；

（2）振動(dòng)以徑向?yàn)橹鳎瑒傂曰A(chǔ)水平方向幅值大于垂直方向；

（3）雙通道測(cè)量，水平垂直兩方向，一倍頻相位差90°左右。

2.2 支撐剛度低

基礎(chǔ)松動(dòng)、底座剛度不足、地腳螺栓緊力不足均會(huì)導(dǎo)致支撐剛度降低。

2.2.1 基礎(chǔ)松動(dòng)主要征兆與信號(hào)特征

（1）一倍頻振幅突出；

（2）振動(dòng)以徑向?yàn)橹?，一般垂直方向幅值相?duì)較大；

（3）雙通道測(cè)量，水平垂直兩方向，一倍頻相位差0 或180°左右。

2.2.2 底座支撐剛度不足主要征兆與信號(hào)特征

（1）一倍頻振幅突出；

（2）振動(dòng)以徑向?yàn)橹?，水平方向遠(yuǎn)大于垂直方向；

（3）電機(jī)底腳垂直方向振動(dòng)遠(yuǎn)大于軸承座垂直方向。

2.2.3 地腳螺栓緊力不足主要征兆與信號(hào)特征

（1）一倍頻振幅突出；

（2）振動(dòng)以徑向?yàn)橹?，一般水平方向大于垂直方向?/p>

（3）電機(jī)底腳垂直方向振動(dòng)幅值一般差別較大；

（4）雙通道測(cè)量，水平垂直兩方向，一倍頻相位差0 或180°左右。

2.3 軟腳

電機(jī)4 個(gè)底腳沒(méi)有處于底座支撐的同一個(gè)平面，就會(huì)出現(xiàn)軟腳；如果在這個(gè)時(shí)候收緊螺栓，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)定子變形，以及產(chǎn)生附加應(yīng)力。

電機(jī)比較常見(jiàn)的軟腳工況，是2 對(duì)角軟腳或單一軟腳。對(duì)角型軟腳往往表明一個(gè)短腳，腳平但不共面；單一軟腳常因彎曲或傾斜的腳而造成。底腳螺栓松開(kāi)，電機(jī)底腳向上移動(dòng)，一般向上位移超過(guò)0.05mm 時(shí)，表示存在軟腳工況，見(jiàn)圖3。

圖3 電機(jī)軟腳示意圖

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)水平測(cè)點(diǎn)頻譜

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)垂直測(cè)點(diǎn)頻譜

軟腳主要征兆與信號(hào)特征如下：

（1）一倍頻振幅突出，或100Hz 幅值明顯；

（2）振動(dòng)以徑向?yàn)橹?，水平方向幅值遠(yuǎn)大于垂直方向；

（3）電機(jī)底腳垂直方向振動(dòng)幅值一般差別較大；

（4）雙通道測(cè)量，水平垂直兩方向，一倍頻相位差0 或180°左右。

絕大部分電機(jī)都有100Hz（2 倍線頻）分量，只要整體振動(dòng)烈度在允許范圍內(nèi)即可。

2.4 不對(duì)中

轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的連接對(duì)中超出正常范圍。引起不對(duì)中的原因包括：初始對(duì)中超差；管道應(yīng)力；基礎(chǔ)變形；聯(lián)軸器螺栓松動(dòng)或膜片變形。

不對(duì)中主要征兆與信號(hào)特征如下：

（1）一倍頻和2 倍頻幅值明顯；

（2）振動(dòng)以徑向?yàn)橹鳎?/p>

現(xiàn)場(chǎng)大部分關(guān)鍵泵使用撓性聯(lián)軸器，一般0.2mm 以下的偏差，對(duì)振動(dòng)無(wú)明顯影響。

3 基于振動(dòng)的典型案例

軸承故障占比最高，但是軸承故障相對(duì)容易分析判斷，所以本部分主要對(duì)引起一倍頻的故障進(jìn)行案例分析。通過(guò)對(duì)32 個(gè)電機(jī)故障案例進(jìn)行篩選，選取其中軟腳、支撐剛度不足、松動(dòng)3 類故障。

3.1 電機(jī)振動(dòng)異常案例一

3.1.1 振動(dòng)情況

某離心泵機(jī)組，設(shè)備組成：電機(jī)+膜片聯(lián)軸器+雙吸離心泵。三相異步電機(jī)（表1）2019 年5 月29 日停機(jī)，停機(jī)前，電機(jī)振動(dòng)基本在3.5mm/s 以下，5 月31 日，電機(jī)保養(yǎng)并更換軸承。6 月11 日，開(kāi)機(jī)后電機(jī)水平方向振動(dòng)最大值達(dá)到8.0mm/s，后緩慢降低至6.0~6.5mm/s 之間，電機(jī)離線測(cè)試詳細(xì)參數(shù)（表2）。

表1 電機(jī)參數(shù)

表2 電機(jī)振動(dòng)參數(shù)

3.1.2 振動(dòng)分析

電機(jī)水平方向振動(dòng)幅值遠(yuǎn)大于垂直方向；頻譜中工頻分量占主導(dǎo)。

圖6 為機(jī)泵示意圖，標(biāo)號(hào) 1 ～4 分別為電機(jī)底腳處垂直測(cè)點(diǎn)，標(biāo)號(hào)5 和6 分別為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、非驅(qū)動(dòng)軸承座垂直方向測(cè)點(diǎn)。與標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)值為測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度值。電機(jī)底腳振動(dòng)幅值大，并且不同底腳之間差異較大；底腳垂直方向振動(dòng)遠(yuǎn)大于軸承座垂直方向。

圖6 電機(jī)底腳測(cè)點(diǎn)示意圖

6 月11 日15:14，現(xiàn)場(chǎng)松開(kāi)聯(lián)軸器單試電機(jī)，電機(jī)水平方向振動(dòng)從6.0mm/s 降至3.4mm/s；17:04，進(jìn)一步松開(kāi)電機(jī)底腳連接螺栓，電機(jī)振動(dòng)值降低至1.78mm/s，見(jiàn)圖7。通過(guò)電機(jī)單試，排除了電機(jī)本體故障。

圖7 單試電機(jī)振動(dòng)變化

圖8 整改前后電機(jī)振動(dòng)趨勢(shì)對(duì)比

3.1.3 診斷結(jié)論及措施

診斷結(jié)論：電機(jī)在保養(yǎng)回裝后，出現(xiàn)了較明顯的軟腳情況，導(dǎo)致電機(jī)開(kāi)機(jī)振動(dòng)增大。

整改措施：現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)增、減墊片對(duì)電機(jī)底座找平，找正。

效果：整改后開(kāi)機(jī)，電機(jī)水平方向振動(dòng)幅值降低至3.5mm/s，見(jiàn)圖3-5。整改后的電機(jī)離線振動(dòng)參數(shù)（表3）。

表3 電機(jī)振動(dòng)參數(shù)（整改）

3.2 電機(jī)振動(dòng)異常案例二

3.2.1 振動(dòng)情況

從案例一整改后的振動(dòng)情況看，電機(jī)水平方向振動(dòng)幅值3.5mm/s 左右，針對(duì)案例一中的振動(dòng)現(xiàn)象做進(jìn)一步分析。

3.2.2 振動(dòng)分析

通過(guò)細(xì)化電機(jī)底腳與底座支撐測(cè)點(diǎn)位置，進(jìn)一步分析電機(jī)底腳振動(dòng)。圖9 為電機(jī)底腳與底板支撐連接示意圖，標(biāo)號(hào)A ～D 為垂直向測(cè)點(diǎn)位置。

圖9 電機(jī)底腳與底板支撐連接示意圖

圖10 電機(jī)底腳與底板支撐連接示意圖

通過(guò)表4 可以看出，電機(jī)低腳找平后，標(biāo)號(hào)為1 的底腳在A ～D 測(cè)點(diǎn)位置振動(dòng)幅值均出現(xiàn)降低。從振動(dòng)幅值大小分布看，底座支撐振動(dòng)呈現(xiàn)中間大，兩側(cè)小。

表4 電機(jī)底腳振動(dòng)參數(shù)（前/后）

3.2.3 診斷結(jié)論及措施

診斷結(jié)論：（1）底座支撐剛度低；（2）墊片與電機(jī)底腳接觸面積直接影響支撐剛度。

整改措施，如圖11 所示：（1）增大墊片面積，使其余電機(jī)地腳接觸面積達(dá)到80%以上；（2）在底座支撐中間位置增加縱向筋板，提高支撐剛度。

圖11 電機(jī)底腳與底板支撐連接示意圖

圖12 電機(jī)非驅(qū)水平測(cè)點(diǎn)頻譜

圖13 電機(jī)非驅(qū)垂直測(cè)點(diǎn)頻譜

圖14 電機(jī)水平與垂直波形對(duì)比

3.3 電機(jī)振動(dòng)異常案例三

3.3.1 振動(dòng)情況

某離心泵機(jī)組，設(shè)備組成：電機(jī)+膜片聯(lián)軸器+單級(jí)離心泵。三相異步電參數(shù)（表5）。電機(jī)振動(dòng)值偏大，電機(jī)離線測(cè)試詳細(xì)參數(shù)（表6）。

表5 電機(jī)參數(shù)

表6 電機(jī)振動(dòng)參數(shù)

3.3.2 振動(dòng)分析

電機(jī)水平方向、垂直方向振動(dòng)幅值相對(duì)較大；頻譜中工頻分量占主導(dǎo)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平與垂直一倍頻相位差170°。

圖15 為機(jī)泵示意圖，標(biāo)號(hào)1~4 分別為電機(jī)底腳處垂直測(cè)點(diǎn)/底座垂直方向測(cè)點(diǎn)。與標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)值為測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度值。電機(jī)底腳振動(dòng)幅值大，并且電機(jī)底腳與底座幅值差較大，存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖15 電機(jī)底腳測(cè)點(diǎn)示意圖

3.3.3 診斷結(jié)論及措施

診斷結(jié)論：電機(jī)底腳螺栓緊力不足，導(dǎo)致電機(jī)存在松動(dòng)。

整改措施：增大底腳螺栓緊力。

效果：電機(jī)水平方向振動(dòng)幅值降低至1.5mm/s 以下。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)振動(dòng)故障，發(fā)現(xiàn)電機(jī)機(jī)械類故障占到電機(jī)振動(dòng)異常的90%以上，并總結(jié)了不平衡、支撐剛度低、基礎(chǔ)松動(dòng)、軟腳、不對(duì)中5 種電機(jī)故障振動(dòng)特征。通過(guò)案例詳細(xì)介紹了軟腳、支撐剛度低、底座松動(dòng)3 種工頻振動(dòng)故障分析過(guò)程，保證了設(shè)備安全運(yùn)行。