淺談應力波檢測技術在聚烯烴造粒機組故障診斷中的應用研究

張燕

（大慶石化公司塑料廠，黑龍江 大慶 163714）

大型造粒機組是某聚烯烴裝置的核心設備，為進口日本制鋼生產的大型設備，設備功率為2500kW，以往多次出現故障導致生產裝置長期停車，造成較大經濟損失。因此，在機組的設備管理維護中，急需有效的現代化設備狀態監測手段，提前發現設備故障隱患。應力波是一種超聲波能量脈沖，當應力波傳感器適當固定在實心物體上時，只對通過其底部傳遞到壓電晶體的高頻內部激波敏感，頻率范圍窄，頻率響應好。設備內部金屬體發生周期性和隨機性摩擦及沖擊時，引發的早期故障的特征信號大多集中在36000～40000Hz頻率范圍內，故應力波傳感器非常適合機械部件表面的微小缺陷的檢測，適合機械部件的早期故障診斷。本文主要描述了應力波狀態監測系統在某聚烯烴大型造粒機組故障診斷中的應用實踐，詳述了應力波狀態監測系統的構成及現場安裝調試過程、應用分析方法和應用效果驗證。

1 應力波狀態監測系統的組成及原理

應力波狀態監測系統的組成主要由應力波傳感器、數據采集箱、服務器及分析軟件四部分組成。應力波傳感器部署在現場設備上，感知設備內部的應力波變化。數據采集箱部署于現場設備表面，用于匯集和處理現場各應力波傳感器的數據信息。分析軟件部署在中心控制室或者技術人員辦公室，用于診斷分析和處理多個數據采集箱匯聚的設備狀態監測信息（如圖1）。

圖1 應力波監測系統原理圖

2 安裝及調試

2.1 現場安裝及調試步驟

（1）根據設備結構選定應力波傳感器安裝位置，并進行安裝；（2）安裝數據采集箱，并將采集傳感器數據通過MODBUS TCP協議經以太網和外部的控制系統實現信息通信引入服務器；（3）在服務器中安裝分析軟件系統，服務器和數據采集箱各分配靜態的IP地址，通過TCP/IP協議基于以太網網絡實現與現場設備通訊；（4）在分析系統軟件中，對報警參數、刷新時間、多通道監測等進行配置，完成基于SSH的系統配置管理的遠程用戶分配工作。

2.2 設備故障頻率分析表

根據所監測的設備各部件的參數，計算出該設備在正常運行轉數條件下，齒輪及軸承各部位的故障頻率分析表（如表1），在設備狀態頻譜分析中，可以對特定頻率表現進行判斷，能夠準確查找故障部位。

表1 750rpm狀態下設備部件故障頻率分析表

3 應用診斷案例

2020年11月24日，造粒機組應力波狀態監測系統發出報警，技術人員立即對監測系統數據進行分析。在分析軟件中應力波分析方法主要有應力波能量分析、振幅直方圖分析以及FFT頻譜分析等。

3.1 應力波能量分析

打開應力波能量圖趨勢，發現機組輸入軸監測點應力波能量出現明顯上漲趨勢，并且超過報警線，觸發應力波能量報警（如圖2），提示設備輸入軸部分有故障隱患。

圖2 應力波能量圖

3.2 振幅直方圖分析

在如下振幅直方圖（圖3）中的橫坐標為設備運行中每個摩擦撞擊事件產生脈沖能量的峰值，縱坐標為設備運行中摩擦撞擊事件發生的數量。在機械設備出現故障產生異常摩擦和撞擊問題時，會有較多的高振幅摩擦撞擊事件發生，因此，在圖3上就會表現出一個更寬泛的分布情形，具體形態上表現為非對稱圖形。而在設備處于較好工況時，圖像分布表現為較窄的正態分布曲線，并且這個曲線位于左側電壓低值部分。在此次機組監測的直方圖中，明顯看到右側出現不對稱情況，有明顯問題存在。

圖3 應力波振幅直方圖

3.3 FFT頻譜分析

在FFT頻譜分析圖（圖4）上看到有77.5HZ的異常頻率，與表1中各部件故障頻率進行對比，恰好與機組輸入軸上型號為22348的軸承外環故障頻率相吻合，由此判斷為輸入軸軸承外環大概率存在故障問題。

圖4 FFT頻譜分析圖

3.4 設備解體驗證

根據應力波監測系統數據分析情況，組織對此設備進行了拆檢，在拆檢中發現，機組主減速器輸入軸型號為22348的支撐軸承外環內表面出現直徑8mm的剝落坑（如圖5），損壞較為嚴重。

圖5 軸承外環內表面損壞情況

上述解體驗證的結果與應力波狀態監測分析的結論完全一致，表明應力波狀態系統對于此設備故障特征識別的有效性。

由于發現及時未造成設備其他嚴重損壞事故，短時間內完成了軸承更換作業并恢復了生產。

4 結語

應力波監測系統在聚烯烴裝置造粒機組已經穩定運行一年，期間觸發2次監控報警，經拆檢確認設備均有早期故障，并得到了及時處理，避免了大機組嚴重故障造成的裝置長期停車事故，保證了裝置的平穩生產，創造了巨大的經濟效益，同時，也為同類裝置在設備狀態監測技術應用實踐提供了參考。