無線泵監測技術

艾默生過程控制有限公司

無線泵監測技術

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泵對于工業企業的日常運行至關重要，需要時時維護，以確保工廠正常運作。隨著使用年限的不斷增加，泵的性能也會逐漸下降，若其發生故障可能會導致工廠停機、重大經濟損失以及人員傷害和公司聲譽受損。因此，對于工業企業用戶來說泵的可靠性至關重要。

1　小監測，大效益

以一家煉油廠為例，一般工廠里會有10%的泵是特別重要的，因此工廠通常會對其進行實時在線監測，以避免發生災難性的事故。而其余90%的泵都需要依靠人工巡檢來獲取狀態信息，然而人工巡檢有時無法準確識別設備的性能是否衰減以及設備是否處于低效運行狀態。

據統計，泵的維護費用占到整個工廠維護成本的7%，而工廠的生產損失有0.2%歸結于泵故障，如果對泵進行在線監測，這些損失是完全可以避免的。

過去，使用在線監測系統和安裝有線設備投資成本高，或者線槽已滿難以增加新的設備，這些都是阻礙工廠增加泵監測點的因素，而如今，無線技術讓一切迎刃而解。安裝簡單、無需基礎設施改造，用戶可以輕松地增加額外的測量點，從而對泵進行在線監測和可靠性維護。通過以下三種創新方式，用戶即可對泵進行實時監測，確保其安全、可靠運行。

1.1泵的密封監測/封液罐監測

雙機械密封通常應用于對密封要求較高的地方，其表面經過精細機械加工，一面安裝于密封壓蓋內，一面安裝于主軸上，密封件之間用密封液填充以起到潤滑和降溫作用。表面雜質和結焦會縮短密封壽命，但是正確地沖洗可以使其持續工作數千小時。

輔助密封沖洗系統可以是加壓或是無壓的。無壓密封沖洗系統是讓工藝流體流入密封液，充當緩沖劑，這種方式可能使工藝流體通過外側密封泄漏到空氣中。帶加壓密封沖洗系統的雙機械密封可以有效防止泄漏的發生。

圖1　API 沖洗方案52 無壓輔助密封沖洗系統用于在線測量

圖1顯示了API沖洗方案52適用于危險品，它提供潔凈的外部緩沖液以保護環境。壓力升高表示泵送工藝流體在大氣壓力下產生汽化并泄漏到緩沖液；同樣，如果泵送流體在大氣壓下依然保持液態，那么液位升高也可表明泄漏發生；液位緩慢降低屬于正常現象，但如果是突然大幅升高則表示緩沖液正通過外側密封泄漏出來。

可用指針式無線壓力變送器替代本地壓力指示計，提供連續在線監測，以便更早地發現泄漏隱患。也可以通過控制系統進行監測，或是由在線預測性設備健康狀態監測系統來解讀壓力升高的現象，并提供可執行的信息。

封液罐需要定期注滿，一般通過人工巡檢來完成，但是如果一旦密封液干掉，就會導致高昂的維修費用，以及人身傷害和環境風險，因此密封罐都會設置低液位報警。根據最新的API標準682（第四版）規定靜液面技術將取代開關量來進行連續液位測量，提供低液位報警。使用液相測量管時，參考管中的液體數量的不同會影響液位測量的準確度。模擬量液位指示，可顯示液位的變化率，當液位發生異常的迅速下降，可發出報警，從而為操作人員換泵送修爭取更多時間。

有時，污染物或是工藝流體與密封沖洗液混合，會改變罐裝沖洗液的密度，在這種情況下無線導波雷達變送器能夠提供比靜液面更為精確的封液罐液位測量，精度高達+/- 0.2" (5mm)，而且不會因為液相測量管內液體流失而產生測量錯誤，導波雷達液位變送器的優勢還在于其可安裝在罐頂，不占用儲罐原有的空間，可提供比API682標準規定更為寬泛的量程。除此之外，也可以把設備安裝在儲罐外腔一側。

1.2汽蝕監測

離心泵使液體速度加快，在泵入口處產生靜壓下降，如果水的絕對壓強低于該溫度下水的飽和蒸汽壓，就會產生氣泡，隨著壓力升高，氣泡破裂，對葉輪和泵殼表面造成機械損傷。這種現象叫汽蝕現象，會損傷泵部件、使流量不穩定、加速軸承磨損并使密封失效。

圖2　泵出口壓力監測用于汽蝕現象報警

當泵運行超出設計量程，常常會產生汽蝕現象，泵的間歇性抽吸也會產生汽蝕。故障可能在人工巡檢之前已經發生，但是通過泵出口壓力的監測可以更早發現問題，如圖3所示。

有些先進的泵監測方案可監測出口壓力波動情況，預報可能發生的汽蝕現象。當壓力波動的增加與沖擊力測量峰值正相關（將在下一個“振動”章節進行討論），這表明泵出現了汽蝕現象。結合壓力和振動監測數據來判斷汽蝕現象是通過過程和設備測量更完整了解泵健康狀況的最好例子。

對于高壓多級泵來說短暫的汽蝕現象也會造成損害，因此在泵的監測體系中應該還要包括吸液裝置的液位、泵吸入濾器以及所有安裝在泵出入口的自動隔離閥的差壓，這些地方很容易移動或堵塞造成汽蝕。

1.3振動監測

泵發生劇烈振動代表有故障， 振動變送器可以測量振動狀況，解讀和分析振動的起因。

混凝土底座或金屬框損壞、軸未對準、葉輪損壞、泵或電機軸承磨損、偶合磨損、汽蝕現象都會引起電機和泵的劇烈振動，從而使密封失效，并可能造成嚴重后果，包括高昂的維修費用、過程停機、產量下降、危害物質泄漏罰款、可燃物質泄漏引發的火災等。

在線振動監測能夠及時發現泵性能下降的起因，但是傳統的全面振動測量還存在很大的局限性，并不能提供足夠早的預警信息來防止故障發生。例如，一個全新的軸承和一個還有10%甚至1%使用壽命的軸承所顯示的振動數據是一樣的。

圖3　傳統的振動測量

對于高頻機械沖擊產生的故障已經有了新的測量技術，例如金屬之間互相摩擦的外殼，新的測量技術可提供旋轉部件磨損故障的早期預警，也就是在設備還有10%以上的使用壽命時發現問題，以便及時采取防預措施。

圖4　振動及沖擊壓力峰值測量

2　故障預測

表1匯總了經常發生的泵故障及如何通過測量獲得故障預警。密封液液位和壓力、泵出口壓力和沖擊壓力峰值等信息組成了預警系統。振動和溫度測量數據均可指示故障的發生，并可用于分析根本起因?，F代化的泵健康狀態監測方案通過壓力及機械測量數據等關鍵預測維護信息全面掌握泵的情況。

表1　用于預測泵故障的在線測量數據

預測維護的必要性包括：

· 維護成本降低50%；

· 意外故障減少55%；

· 檢修和停機時間減少60%；

· 備件庫存降低30%；

· 平均故障間隔時間延長30%；

· 正常運行時間延長30%。

把諸如流出及吸入壓力、濾網差壓、密封油壓力和液位等過程數據與完整的振動數據、沖擊數據、泵軸承溫度、泵速度以及運行/停止信息相結合，可針對早期汽蝕現象發出簡單易懂的預警信息，無需專門的機械專家對數據進行解讀。市場上某些先進的泵健康狀態監測方案甚至還能通過預制的運算法則提供依據過程和設備數據生成的設備健康狀況報告。

泵的監測方案可以根據特定的工藝環境和泵的設計來制定，它規模可變，可從簡單的基于狀態的單個變量振動監測擴展到全面的泵狀態和運行狀況報警。

狀態監測的挑戰在于要同時滿足運行人員與可靠性團隊對于數據的不同需求，并將數據轉化為可執行的信息。運行人員需要獲得密封泄漏或汽蝕等嚴重情況的報警，以預防即將發生或嚴重的泵故障，而可靠性團隊則需要更多的信息來進行長期規劃，包括訂購備件，既要降低備件庫存又要能夠及時滿足維護需求。因此預測性維護對于實現精益可靠性計劃是至關重要的。

圖5　采用無線變送器監測泵的健康狀況

3　無線技術提供了新的可能

上述測量方案可以通過有線或無線方式來實現，只不過采用有線4～20mA或基金會現場總線方案相對無線方案而言會更為復雜，安裝更麻煩，成本更高。

有些泵位于危險或是難以到達的區域，采用有線測量方案的成本較高或是無法實現，這時無線方案則是一種很好的選擇，它適用于各種嚴酷工況，能夠以經濟的方式在工廠范圍內擴展在線測點，最重要的是無線系統可以方便高效地在任何地點安裝，做到即裝即用。

無線變送器采用電池供電（電池可用于危險區域），無需線纜、開放的I/O點或本地電源，因此可以在遠離過程裝置有線信號的地方使用，安裝、組態、調試往往只需幾個小時，非常方便，而有線設備一般則需要幾周。

4　泵監測的經濟收益

如圖5所示采用完整的泵健康狀態監測系統可以在數月后即看到收益。以一家日產250,000桶的煉油廠為例，有80臺泵安裝了監測系統，每年節省可達120萬美元，其中維護成本節省36萬美元，由于泵故障引發的過程停機減少，節省91.2萬美元。

5　總結

由泵故障引發的事故往往會造成巨大的經濟損失，這完全是可以避免的，困難在于如何在適當的時間采用適當的維護策略以防止危險品泄漏、火災、昂貴的維修、過程停機， 同時避免一切不必要的維護。通過預防性維護和人工巡檢是無法實現的，因此基于狀態的在線監測變得必不可少，以前在大部分工廠內這種監測僅限于關鍵的泵設備，而帶有無線技術的預測性維護方案使任何一臺泵都可以獲得在線監測。

預測維護采用在線狀態監測，能有效降低維護費用，減少因人工巡檢不及時而造成的災難性事故，也可以省去不必要的預防性維護工作、節省人工。選擇什么樣的應用程序來分析測量數據并及時提供可執行的信息是高效泵監測計劃的重要部分。