狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)在輸油泵機(jī)組中的應(yīng)用

田 壘，劉軍輝，孫向東，吳玉國(guó)

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國(guó)石油管道公司管道工程第一項(xiàng)目經(jīng)理部，河北 廊坊 065001；3. 中國(guó)石油天然氣管道局國(guó)際事業(yè)部坦桑尼亞項(xiàng)目部 河北 廊坊 065000）

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)在輸油泵機(jī)組中的應(yīng)用

田 壘1，劉軍輝2，孫向東3，吳玉國(guó)1

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國(guó)石油管道公司管道工程第一項(xiàng)目經(jīng)理部，河北 廊坊 065001；3. 中國(guó)石油天然氣管道局國(guó)際事業(yè)部坦桑尼亞項(xiàng)目部 河北 廊坊 065000）

針對(duì)輸油泵機(jī)組日常運(yùn)行管理依舊靠人工巡檢的情況，介紹一種輸油泵實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的主要構(gòu)成及工作流程。對(duì)輸油泵主要故障形式、輸油泵主要監(jiān)測(cè)對(duì)象與測(cè)點(diǎn)布置及輸油泵主要故障診斷方法進(jìn)行介紹并加以舉例分析，為石油企業(yè)安全輸油提供一定的科學(xué)依據(jù)。

輸油泵；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷

輸油泵機(jī)組是輸油管道系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，這些設(shè)備能否安全運(yùn)行直接關(guān)系到管道系統(tǒng)能否安全運(yùn)行。長(zhǎng)期以來(lái)，定期計(jì)劃維修體制在泵機(jī)組設(shè)備正常運(yùn)行中發(fā)揮了重要作用，它至今仍是世界各國(guó)的重要設(shè)備維修體制。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，設(shè)備體積越來(lái)越大，功能性越來(lái)越強(qiáng)，其安全性和經(jīng)濟(jì)性日顯重要，對(duì)機(jī)組的檢修、維護(hù)、運(yùn)行、管理提出了更高層次的要求。不能單純的對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢修，要具有針對(duì)性的監(jiān)測(cè)和故障分析。

目前，國(guó)內(nèi)很多泵站缺乏現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)手段，以致電機(jī)和泵軸損壞、軸承過(guò)熱燒損和泵體振動(dòng)過(guò)大等故障時(shí)有發(fā)生，這對(duì)成品油在輸油管道的安全運(yùn)行埋下重大的安全隱患，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)[1]。因此做好對(duì)泵機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的研究對(duì)整個(gè)石油企業(yè)的安全生產(chǎn)是很有必要的。

1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的作用

（1）狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸油泵機(jī)組的易故障部位，一旦采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)生異常，維修人員可以在第一時(shí)間鎖定故障零部件，通過(guò)分析查找到相關(guān)原因，短時(shí)間內(nèi)排除故障，防止泵因故障停機(jī)造成生產(chǎn)損失。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)顯示，50%左右的泵機(jī)組故障是由不正確的對(duì)中校準(zhǔn)所導(dǎo)致，具有不對(duì)中故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中將產(chǎn)生一系列有害于設(shè)備的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，如引起聯(lián)軸偏轉(zhuǎn)、軸承早期損壞、油膜失穩(wěn)、軸彎曲變形，導(dǎo)致機(jī)器發(fā)生異常振動(dòng)，危害很大。目前，國(guó)內(nèi)外一些大型的石油、石化企業(yè)已裝有專門針對(duì)輸油泵機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

（2） 大大改善輸油泵機(jī)組的維修性，為企業(yè)節(jié)省人力、財(cái)力。大型輸油泵機(jī)組機(jī)構(gòu)復(fù)雜，點(diǎn)檢工作量巨大，對(duì)檢測(cè)的質(zhì)量要求很高，一般情況下很難單純的依靠人為經(jīng)驗(yàn)和感官把故障檢查出來(lái)。現(xiàn)在大部分泵站仍然依靠定期維修和事后維修的模式對(duì)泵機(jī)組管理。事后維修檢修周期長(zhǎng)，因事故在時(shí)間上發(fā)生的預(yù)知性和隨機(jī)性，故障難以預(yù)料，因此往往造成機(jī)組設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p害，額外的增加維修費(fèi)用；定期維修雖然依靠泵機(jī)組設(shè)備日常維修記錄、故障率的統(tǒng)計(jì)規(guī)律或老技術(shù)員的經(jīng)驗(yàn)而定，但是人為因素較大，而且有些機(jī)組運(yùn)行狀況可靠。此前普遍認(rèn)為隨著泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加相應(yīng)的故障發(fā)生頻率也會(huì)增高，但根據(jù)相關(guān)調(diào)研結(jié)果表明，此說(shuō)法缺乏科學(xué)性。如圖1所示：89%的設(shè)備故障與運(yùn)行時(shí)間無(wú)關(guān)。A線為典型的“浴盤曲線”，設(shè)備從投入使用到報(bào)廢故障變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律；B線，故障率恒定或者到末期略增，有明顯的磨損期；C線，故障率增加，但沒(méi)有明顯的壽命期；D線，當(dāng)設(shè)備是新的時(shí)候故障率增加，然后穩(wěn)定；E線，故障隨機(jī)發(fā)生，故障率恒定不變；F線，設(shè)備早期故障率較高，然后慢慢下降到一個(gè)穩(wěn)定水平。從新的故障模式曲線來(lái)看，顯然這兩種維修方式有不可避免的缺陷，而狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的應(yīng)用極大的縮短了泵機(jī)組維修的過(guò)程，縮短了維修時(shí)間，延長(zhǎng)零部件的使用壽命。同時(shí)故障診斷系統(tǒng)又能準(zhǔn)確的指出故障發(fā)生的部位、故障類型甚至故障程度，從而降低對(duì)維修人員的技術(shù)要求[2]。

（3）提高輸油泵機(jī)組的出勤率。在油品輸送時(shí)，一旦泵停機(jī)，不光造成重大的安全隱患，同時(shí)還給企業(yè)造成大額經(jīng)濟(jì)損失。狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)能減少輸油泵機(jī)組維修停機(jī)時(shí)間。

圖1 設(shè)備故障率與運(yùn)行時(shí)間關(guān)系Fig.1 The relationship between equipment failure rate and running time

2 輸油泵機(jī)組主要監(jiān)測(cè)對(duì)象和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

由前述輸油泵機(jī)組發(fā)生故障情況可以看出，動(dòng)態(tài)部位是泵機(jī)組故障高發(fā)位置，如表1所示，它包括滑動(dòng)軸承、葉輪、轉(zhuǎn)軸等。若能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些動(dòng)態(tài)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)情況并及時(shí)的判斷出出現(xiàn)故障的位置并分析出故障類型可大大提升輸油泵的工作效率、減少事故的發(fā)生。

鐵嶺某泵站引進(jìn)的一套狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，通過(guò)工程師的改進(jìn)對(duì)泵進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如下圖2。數(shù)字代表測(cè)點(diǎn)順序號(hào)，字母V代表垂直方向，H代表水平方向，T代表溫度，P代表壓力，A代表軸向。主要監(jiān)測(cè)泵軸承、泵體震動(dòng)速率，轉(zhuǎn)子、軸承溫度及泵出口壓力[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)運(yùn)用這套系統(tǒng)以來(lái)維修故障率減少50%，維修費(fèi)用降低25%～45%。

表1 輸油泵機(jī)組主要部位的故障類型Table 1 Failure types of main parts of oil pump unit

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Arrangement of measuring points

3 泵機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷主要流程

振動(dòng)信號(hào)在線監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)是設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的重要手段，該診斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成見(jiàn)圖3。通過(guò)傳感器采集輸油泵的振動(dòng)信息，把振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，再通過(guò)一系列的分析、運(yùn)算處理得到反映故障狀態(tài)的信息譜圖[4]。

圖3 在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的基本構(gòu)成Fig.3 The basic composition of on-line monitoring and fault diagnosis system

4 泵機(jī)組故障診斷方法

目前對(duì)輸油泵機(jī)組的故障診斷方法已有很多種，每個(gè)輸油泵機(jī)組都有其運(yùn)行特點(diǎn)，所以技術(shù)人員通常使用以下方法對(duì)輸油泵進(jìn)行分析診斷：

（1）頻譜分析法

輸油泵的每個(gè)零部件在不同的工況下，會(huì)反映出其特有的特征頻率。頻譜分析根據(jù)其特征頻率將輸油泵的特征頻率加以區(qū)分，從而定位出發(fā)生故障的部位并加以分析診斷。

頻譜分析的核心原理為：

（2）時(shí)域分析法

時(shí)域分析通常包括波形分析、軸心軌跡分析和軸心位置分析等方法。時(shí)域分析法通過(guò)時(shí)域的參數(shù)指標(biāo)，如均值、方差、偏斜度、分布密度、峰值、峭度、波形指標(biāo)、裕度指標(biāo)、脈沖指標(biāo)等，對(duì)輸油泵機(jī)組進(jìn)行總體振級(jí)大小的定量分析，時(shí)域分析是一種最基本的分析方法，主要用于對(duì)故障的初步判定，這種方法簡(jiǎn)便，直觀，便于理解。

（3）包絡(luò)解調(diào)分析法

輸油泵在發(fā)生故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生周期性的沖撞振動(dòng)，振動(dòng)的時(shí)間取決于沖撞力、質(zhì)量、物理的減振特性和其他參數(shù)。因?yàn)闆_擊力使泵軸承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共鳴，會(huì)產(chǎn)生與軸承共振頻率有關(guān)的正弦波。包絡(luò)解調(diào)分析法可有效識(shí)別某些沖擊振動(dòng)，從而定位出沖擊振動(dòng)的振源[5]。包絡(luò)解調(diào)法對(duì)輸油泵軸承早期的診斷尤為有效，其核心為希爾伯特變換。

（4）小波分析法

小波分析是為適應(yīng)信號(hào)處理的實(shí)際需要而發(fā)展起來(lái)的一種時(shí)頻分析方法，與傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法相比，小波變換在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化特征，可用于突變信號(hào)和非平穩(wěn)信號(hào)的分析，這在泵的狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及早期故障診斷中具有重要的意義。目前，小波分析方法已經(jīng)在泵的故障特征提取中得到了研究和應(yīng)用。如有人利用小波分析對(duì)輸油泵的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了消噪，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該方法能夠有效地抑制信號(hào)中的噪聲，提高故障診斷精度。小波變換來(lái)源于傅里葉變換和短時(shí)傅里葉變換，核心公式為：

5 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在輸油泵機(jī)組中應(yīng)用實(shí)例

山東某油庫(kù)輸油泵前端振動(dòng)異常，瞬時(shí)振動(dòng)位移達(dá)到120μm，超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的報(bào)警上限，而油泵其余部位的震動(dòng)都正常，系統(tǒng)初步分析判定為軸承不對(duì)中。調(diào)出數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行時(shí)域和頻譜分析。從系統(tǒng)給出的時(shí)域波形圖和時(shí)域參數(shù)列表可知泵前端的振動(dòng)明顯高與其他部位，波形圖紊亂。但單純的通過(guò)時(shí)域參數(shù)和波形圖仍無(wú)法判定故障原因，故進(jìn)一步進(jìn)行頻譜分析。具體頻譜分析結(jié)果見(jiàn)圖4，從圖可以明顯看出出現(xiàn)倍頻，2倍頻，3倍頻，由此判斷故障原因?yàn)檗D(zhuǎn)子對(duì)中不良，經(jīng)拆機(jī)維修后，振動(dòng)明顯下降[6]。

圖4 運(yùn)行泵的頻譜圖Fig.4 The frequency spectrum of the running pump

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)泵機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷能實(shí)時(shí)掌握機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確判定故障，及時(shí)進(jìn)行維修。通過(guò)在線監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)診斷，可大幅提高泵機(jī)組的出勤率和設(shè)備完好率，延長(zhǎng)輸油泵使用壽命，保證安全輸油生產(chǎn)。

輸油泵機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在我國(guó)起步較晚，雖然近些年來(lái)發(fā)展迅猛，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有許多不足之處。有時(shí)候泵可能同時(shí)出現(xiàn)好幾種故障，單純依靠一種診斷方法很難判定故障根源。所以結(jié)合大型輸油泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及典型故障，充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)分析處理技術(shù)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)理論和設(shè)備故障診斷技術(shù)，結(jié)合虛擬技術(shù)，構(gòu)建輸油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，對(duì)泵機(jī)組智能監(jiān)測(cè)診斷，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

［1］ 王本漢，李保國(guó).輸油泵機(jī)組故障診斷專家系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2003 ,22(10):34-39.

［2］ 董澤亮.淺談狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)在直升機(jī)旋翼中的應(yīng)用[J].科技論壇，2010,20(1):165-166 .

［3］ 祖楠.離心輸油泵在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)[J].油氣田地面工程，2010,29(10):66-67.

［4］ 游天明，徐荃.輸油泵機(jī)組在線檢測(cè)與故障診斷[J].流體機(jī)械，2010,38(11):46-48.

［5］ 蔣先堯，王維斌. 輸油泵機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].機(jī)電信息，2011(27):179-181.

［6］ 孫偉，張軍博，謝孝宏. 大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2008,27(3):50-52.

Application of the State Monitoring and Fault Diagnosis System in Pump Units

TIAN Lei1,LIU Jun-hui2,SUN Xiang-dong3,WU Yu-guo1

（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China; 2.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation No.1 Project Manager Department, Hebei Langfang 065001, China; 3. Tanzania project department of International Service Department, China Petroleum Pipeline Bureau, Hebei Langfang 065000, China）

A fuel pump real-time status monitoring and fault diagnosis system was introduced; the main components and work flow of the system were described. Main faults of pump, main monitoring objects and measuring point’s layout and the main pump fault diagnosis methods were discussed and analyzed, which could provide a scientific basis for safe oil transmission.

Pump; Condition monitoring; Failure diagnostics

TE 832

A

1671-0460（2015）03-0567-03

2014-09-22

壘田 （1990-），男，河南南陽(yáng)人，遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向：輸油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)。E-mail：619772817@qq.com。

吳玉國(guó)（1977-），男，副教授，博士，研究方向：長(zhǎng)距離輸油管道優(yōu)化運(yùn)行。E-mail：wyg0413@126.com。