頻譜分析技術(shù)在海洋石油機(jī)泵設(shè)備常見故障診斷中的應(yīng)用

李 政

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300450）

0 引言

機(jī)泵類設(shè)備在海上平臺和浮式儲油輪FPSO等工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。海上油田主要常見的機(jī)泵有單級離心泵和多級離心泵、螺桿泵等。

機(jī)泵類設(shè)備在海上動設(shè)備中故障率相對較高，且機(jī)泵類設(shè)備在使用過程中會出現(xiàn)不平衡、不對中、軸承磨損、松動等常見故障，占整個故障類型的90%左右。如果不能及時發(fā)現(xiàn)這些故障，會造成相應(yīng)的機(jī)泵停機(jī)甚至停產(chǎn)，從而給油田生產(chǎn)帶來重大經(jīng)濟(jì)損失。

頻譜分析技術(shù)是隨著現(xiàn)代電子信息和計算機(jī)技術(shù)及數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展起來的，是動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的一種有效的重要手段。通過對動設(shè)備現(xiàn)場布置振動傳感器，采集設(shè)備運行時振動信號，然后對采集的振動信號經(jīng)過數(shù)采器的硬件部分和計算機(jī)中安裝的振動信號分析軟件進(jìn)行傅里葉等處理手段，從而得到動設(shè)備振動信號的頻譜圖。通過分析設(shè)備振動信號中幅值較大的頻率成分，即表征設(shè)備故障信息，達(dá)到對動設(shè)備故障診斷分析。設(shè)備出現(xiàn)故障時，設(shè)備故障頻率會表征在頻譜中，通過對設(shè)備振動頻譜的分析，可以找到設(shè)備部件對應(yīng)的故障原因和類型，從而提前預(yù)知動設(shè)備損壞的具體部位，有針對性地指導(dǎo)設(shè)備維護(hù)維修，保障動設(shè)備本質(zhì)安全和可靠運行。

1 機(jī)泵類設(shè)備常見故障形式及對應(yīng)案例頻譜分析

1.1 轉(zhuǎn)子不平衡

不平衡一般在機(jī)泵上主要是因為轉(zhuǎn)子制造質(zhì)量偏心，或使用過程中轉(zhuǎn)子磨損、積灰等，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)缺陷和損傷，造成轉(zhuǎn)子不平衡故障。

轉(zhuǎn)子不平衡故障的頻譜特點：

1）頻譜中主要為工頻幅值振動，即最大峰值為工頻，振動方向以垂直或徑向為主。若轉(zhuǎn)子為懸臂支承形式，則將有軸向分量。

2）在一階臨界轉(zhuǎn)速下，工頻振動幅值隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高而增大。

3）頻譜圖中一般很少出現(xiàn)工頻的高次諧波分量。

4）振動信號原始時域波形近似為正弦波。

5）軸心軌跡為橢圓。

6）相位穩(wěn)定。

某平臺注水泵機(jī)組，電機(jī)振動幅值較高，最高值為19.15 mm/s，在1H、1V、2H、2V等測點測量的振動的頻譜圖中主要為工頻幅值振動，無高次諧波分量，振動信號原始時域波形近似為正弦波。電機(jī)測點具體的頻譜圖和時域波形圖如圖1、圖2所示。

圖1 不平衡故障頻譜圖Fig.1 Spectrum of unbalance fault

圖2 不平衡故障時域波形圖Fig.2 Time domain waveform of unbalanced fault

根據(jù)實際測量頻譜綜合判斷，符合不平衡故障的典型頻譜特征，因此診斷為電機(jī)轉(zhuǎn)子動不平衡。對電機(jī)轉(zhuǎn)子做動平衡后，電機(jī)振動恢復(fù)為正常水平。

1.2 機(jī)組不對中

不對中主要指驅(qū)動設(shè)備轉(zhuǎn)子與被驅(qū)動設(shè)備轉(zhuǎn)子之間的連接對中，具體表現(xiàn)在聯(lián)軸器兩端轉(zhuǎn)子的對中程度上。

不對中類型主要分為平行不對中和角度不對中，及平行和角度不對中疊加在一起的混合不對中。通常人們普遍認(rèn)為機(jī)械振動主要是不平衡故障所導(dǎo)致，但就機(jī)泵類設(shè)備而言，75%左右的振動是由不對中引起的，這點尤其在海洋石油生產(chǎn)動設(shè)備故障中非常常見。

不對中故障的頻譜特點：

1）較小幅值的轉(zhuǎn)子工頻，轉(zhuǎn)子2倍工頻峰值較大即2X工頻峰值較高。

2）對中程度逐漸偏差和增加，軸向振動分量也會逐漸增加。

3）振動信號的原始時域波形呈畸變的正弦波。

4）聯(lián)軸器兩邊振動相位呈180°反向。

5）如果2X工頻幅值大于1X工頻處的一半或以上時，則說明不對中程度增加。

6）軸心軌跡為月牙形、香蕉形，嚴(yán)重對中不良時的軸心軌跡可能出現(xiàn)“8”字形。

某平臺外輸泵機(jī)組，電機(jī)振動幅值增大，在采集振動信號時發(fā)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動端軸振動速度總值由之前的1.8mm/s上升至8.0mm/s，對比水平和垂直及軸向振動，發(fā)現(xiàn)軸向振動幅值增加最明顯，頻譜中主要以轉(zhuǎn)子工頻的和轉(zhuǎn)子的2X為主，其中轉(zhuǎn)子的2X峰值較大且突出，如圖3所示。

圖3 機(jī)組不對中時的頻譜圖Fig.3 Spectrum of unit misalignment

根據(jù)實際測量頻譜綜合判斷，符合機(jī)組不對中典型頻譜特征，尤其是軸向振動幅值增加最明顯，因此診斷為機(jī)組不對中。對機(jī)組重新對中后，振動下降到2.5mm/s，如圖4所示。

圖4 重新對中后的頻譜圖Fig.4 Spectrum after re alignment

1.3 軸承故障

機(jī)泵結(jié)構(gòu)中的軸承大多數(shù)主要是滾動類軸承，滾動類軸承也是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最多的機(jī)械零部件，屬于易損耗部件之一。滾動軸承在使用過程中，由于銹蝕、疲勞剝落、斷裂，磨損擦傷等原因都可能使軸承過早損壞。即使是運行條件良好，當(dāng)軸承運轉(zhuǎn)到一定時間以后也會出現(xiàn)磨損和疲勞剝落而不能正常工作。

軸承故障的頻譜特點：

滾動軸承潤滑不良，主要表現(xiàn)為振動加速度值和加速度包絡(luò)值升高，且加速度頻譜中高頻峰值較高和加速度包絡(luò)譜中地腳能量豐富，補充潤滑劑后加速度總值和加速度包絡(luò)值有顯著的下降趨勢。有時也會遇到補充潤滑劑后，振動加速度值和加速度包絡(luò)值沒有下降趨勢，這種情況大多數(shù)可能是由于軸承間隙不當(dāng)或其他因素導(dǎo)致振動升高。

一般情況下滾動軸承出現(xiàn)故障都會表現(xiàn)為振動總值較大且趨勢有顯著的上升現(xiàn)象，在加速度包絡(luò)譜中存在（外圈、內(nèi)圈、保持架或滾動體）軸承故障頻率及其諧波，加速度時域波形有明顯沖擊現(xiàn)象，同時時域波形的振動幅值較高。嚴(yán)重時，在速度頻譜中也會出現(xiàn)軸承故障頻率及其諧波，用金屬棒或聽診器在現(xiàn)場還能聽到明顯的異常噪聲。滾動軸承出現(xiàn)嚴(yán)重故障時需要及時更換軸承，否則容易造成抱軸等突發(fā)故障，導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重故障。

某平臺一臺離心式原油外輸泵，泵端軸承運行時出現(xiàn)故障，振動總值升高。當(dāng)時采集的軸承頻譜圖，如圖5所示，具有滾動軸承出現(xiàn)故障時的頻譜特征。隨之停機(jī)對該軸承檢修，發(fā)現(xiàn)軸承外圈已經(jīng)非正常磨損導(dǎo)致軸承跑外圓，軸承磨損較嚴(yán)重。隨后更換軸承后，振動有了顯著下降趨勢。

圖5 泵軸承故障對應(yīng)的加速度包絡(luò)頻譜圖Fig.5 Acceleration envelope spectrum of pump bearing fault

軸承安裝不當(dāng)，更換軸承后由于軸承間隙不當(dāng)，此時軸承振動包絡(luò)頻譜中可能也會存在軸承故障缺陷頻率，這種情況需要重新安裝，調(diào)整軸承間隙/游隙。

1.4 松動故障

機(jī)泵故障中松動故障比較常見，而且對設(shè)備的損壞程度也較大。機(jī)械松動不單是振動的主要因素，而且機(jī)械松動可加劇振動狀態(tài)。因此，機(jī)械松動使設(shè)備的振動比單有如不對中或不平衡時的振動更大。一般在解決設(shè)備同時存在多個故障情況下，優(yōu)先要解決設(shè)備松動問題，其次再解決其他故障問題。一般在機(jī)泵類設(shè)備中主要松動類型有旋轉(zhuǎn)松動、結(jié)構(gòu)松動、軸承座松動。

松動故障的頻譜特點：

1）發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動故障時，頻譜中主要為1X及其多次諧波，有時可能擴(kuò)展到10X或者以上。其中，滑動軸承游隙/間隙偏大后可能會產(chǎn)生0.5X的諧波。產(chǎn)生的主要原因是摩擦或嚴(yán)重的沖擊作用，有時可能會產(chǎn)生1/3X的諧波，主要因零部件安裝不當(dāng)引起。

2）發(fā)生結(jié)構(gòu)松動時即設(shè)備與它的基礎(chǔ)之間出現(xiàn)松動，往往在剛性較弱的地方，且通常在水平方向易出現(xiàn)1X振動，但具體也要根據(jù)實際情況而定。如果松動情況嚴(yán)重，尤其是在垂直安裝的機(jī)組上，往往會產(chǎn)生低階1X諧波。這時就比較難分辨到底是因不平衡、基礎(chǔ)松動或者是柔性化導(dǎo)致。如果水平方向工頻振動比垂直方向上的工頻振動大很多，很可能就是松動所致；相反，如果水平方向工頻振動比垂直方向上的工頻振動小或相等，那么其出現(xiàn)不平衡的可能性就比較大。基礎(chǔ)松動或基礎(chǔ)柔性化是緊固連接件的螺栓松動、腐蝕或裂紋所致。（注意：如果機(jī)組安裝基礎(chǔ)的彈性比較強，水平和軸向的振動要強的多）。

3）發(fā)生軸承座松動故障時，頻譜中工頻，2倍工頻和3倍工頻處皆有振動分量，但一般很少存在其它諧波，在松動嚴(yán)重的情況下可能會產(chǎn)生0.5X的波峰。

4）松動故障振動原始信號時域波形較紊亂。

5）松動故障時一般相位不穩(wěn)定，每次測量相差很大。

某平臺熱介質(zhì)循環(huán)泵，在監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸向和垂直方向振動值較高。電機(jī)端振動速度總值軸向和垂直方向最高分別達(dá)到13.43mm/s和12.18mm/s，表1是2011年2月28日發(fā)生松動故障時測試的振動速度總值（單位mm/sec、采用有效值）。機(jī)組頻譜中工頻分量突出，并伴有相對較高幅值的多次諧波頻率，時域波形存在紊亂現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 機(jī)組存在松動故障時的頻譜圖和原始信號時域波形Fig.6 Frequency spectrum and time domain waveform of original signal in case of looseness fault

表1 機(jī)組松動故障時采集機(jī)組各測點振動速度總值Table 1 Total value of vibration velocity at each measuring point of the unit in case of looseness fault

根據(jù)實際測量頻譜和現(xiàn)場具體情況綜合判斷，符合機(jī)組松動典型頻譜特征。判斷電機(jī)振動較大的原因主要與電機(jī)部位基礎(chǔ)撬塊螺栓松動有關(guān)。尤其是電機(jī)非驅(qū)動端部位處，現(xiàn)場監(jiān)測電機(jī)非驅(qū)動端一側(cè)地腳螺栓存在緊固不實，螺栓對機(jī)組撬塊幾乎沒有緊固作用。由于地腳螺栓松動，導(dǎo)致受力不均衡，機(jī)組運轉(zhuǎn)時容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，長期在內(nèi)應(yīng)力作用下還會導(dǎo)致機(jī)組聯(lián)軸器對中易發(fā)生改變。

圖7 機(jī)組松動故障處理后的頻譜圖和原始信號時域波形Fig.7 Spectrum diagram and time domain waveform of original signal after treatment of unit looseness fault

現(xiàn)場對機(jī)組各個地腳螺栓采取有針對性的緊固，即根據(jù)現(xiàn)場實際情況對每個螺栓用不同力矩進(jìn)行調(diào)整緊固。最終通過振動測試找到振動最小值，確定為最佳緊固點和緊固力矩，經(jīng)過多次振動監(jiān)測測試和調(diào)整地腳螺栓緊固力矩，使機(jī)組振動速度總值降到當(dāng)前現(xiàn)有條件的最低。表2是2011年3月份調(diào)整和重新緊固地腳螺栓后測試的振動速度總值（單位：mm/sec、采用有效值）。

表2 機(jī)組松動故障處理后采集機(jī)組各測點振動速度總值Table 2 The total value of vibration velocity at each measuring point of the unit after handling the looseness fault

2 結(jié)語

機(jī)泵類設(shè)備最常出現(xiàn)的故障有不平衡、不對中、軸承磨損，松動等故障，掌握機(jī)泵設(shè)備故障診斷的分析原理和方法是準(zhǔn)確診斷機(jī)泵設(shè)備常見故障的前提。針對不同的故障特征，采用頻譜分析方法可以有效地監(jiān)測并診斷出這些故障，從而指導(dǎo)機(jī)泵類設(shè)備的維護(hù)和維修，將設(shè)備故障消除在萌芽和發(fā)展階段，有效預(yù)防設(shè)備故障惡化或發(fā)生事故性故障。總之，機(jī)泵類設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)是建立在多個學(xué)科基礎(chǔ)之上的，具有技術(shù)基礎(chǔ)可靠性高，工程應(yīng)用性強，與高新技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)等特點。現(xiàn)在不斷完善的監(jiān)測技術(shù)手段也被更多的應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，這要求工程技術(shù)人員掌握更多的理論知識，同時要經(jīng)常深入實際，積累現(xiàn)場經(jīng)驗，使診斷更能準(zhǔn)確地指出故障位置和故障程度，以采取最合理的維修手段，保證設(shè)備的正常運行，提高設(shè)備的可靠性和管理水平。既節(jié)約了人力財力，又不影響正常的生產(chǎn)生活，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。