基于在線監測的海上平臺注水泵軸承故障分析

鐘凱誠，水 龍，魚云鋒，秦少鋒，孫國棟

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；2.西安因聯信息科技有限公司，陜西西安 710065；3.杭州安脈盛智能技術有限公司，浙江杭州 310051；4.濟南二機床集團有限公司，山東濟南 250022）

0 引言

油田注水系統是把水質合格的水通過注水泵加壓后經注水井注入地下油層，在油層內人工建立水壓驅動，從而保持油層壓力、降低原油遞減率。一旦注水泵發生故障，整個注水系統將無法正常工作，有可能導致油田減產，造成經濟損失[1-2]。一般注水泵自帶的監測系統只包括實時振動值、溫度、壓力的檢測，無法根據電機與泵體的振動變化趨勢預判故障發生點，也無法在故障關斷之前進行有針對性的預防維保。為加強設備管理，減少設備的故障停機次數，引入了注水泵在線監測系統。對在線監測系統采集到的振動數據，進行智能報警和頻譜分析，可以及時提出維保建議，大大提高注水泵的運行穩定性。

1 機泵故障診斷分析方法

對旋轉設備的故障診斷進行分析，目的是利用頻譜分析等手段分析采集的設備參數，掌握設備現階段的狀態，預測設備未來的狀態及劣化趨勢，根據不同的故障原因，制定不同的維修策略，根據掌握的設備狀態做好預防性工作，保障設備的安全運行，降低設備的維修成本[3-6]。

注水泵所處的工作環境決定了其工作特性，由于受到海浪沖擊、鋼結構塑性變形等因素的影響，導致了設備的故障率居高不下[7]。造成設備振動異常的原因還有很多，如基礎軟腳、對中不良、軸承故障、汽蝕、工況的改變、管線應力、潤滑不良、地腳螺栓松動、基礎剛度不足等[8]。一旦設備發生故障，這些故障信息就會在時域波形、頻譜、幅值等的振動信號上有所體現，通過分析振動信號便能掌握設備的故障根源。

正確認知、掌握設備的故障診斷，離不開故障信息處理技術。目前常用的故障監測分析手段包含時域分析、趨勢分析、頻譜分析、加速度包絡分析、瀑布圖分析、到頻譜分析、峭度分析等。鑒于注水泵的結構特點及重要性，本項目采用在線監測與離線監測相結合的手段，多測點采集，多參數分析，以精準掌握設備故障。

2 注水泵的參數及測點布置

以某海洋石油平臺為例，注水泵采用的是“電機+膜片聯軸器+多級離心泵”的形式。

（1）電機型號為YBH710S1-2W，生產廠家為佳木斯電機股份有限公司，功率1250 kW，轉速為2970 r/min，軸承型號為6310/C3。

（2）聯軸器為膜片式聯軸器。

（3）多級離心泵流量為230 m3/h，出口壓力1.38 MPa（G.），軸承型號為7311B，采用飛濺潤滑的方式。

采集設備振動數據時，一般選擇方向為徑向方向（水平H、垂直V）和軸向方向（A），因為不同的故障在不同方向有不同的反應，不同的故障體現在不同的特征值上[9]。因為監測方式不同，振動的測點數會有區別，一般情況下離線采集會采集注水泵電機和泵兩端、共11 個測點的振動信息，而在線監測系統因考慮多方面因素，會適當縮減。根據現場的實際環境和設備所需，機組測點的布置情況如圖1 所示。

圖1 注水泵的振溫一體傳感器測點布置

根據設備情況，選用的是壓電式加速度傳感器，采用焊接底座的方式安裝在設備殼體上。

振溫一體式傳感器可以采集（測量）設備的振動和溫度數據，頻響范圍0.4 Hz～10 kHz，量程為±50 g；測量信號包括加速度、速度、位移、包絡、溫度等。

傳感器的認證：防爆：本安型Exia IIC T4 Ga，防護：IP67。

3 泵驅動端振動數據分析

泵驅動端測點加速度、加速度包絡幅值在2020年10 月23日開始緩慢升高，10 月26 日開始出現波動，10 月28 日開始持續升高，11 月1 日上升到最高點。選擇提取泵驅動端加速度包絡進行頻譜分析，結果如圖2、圖3 所示。

圖2 泵驅動端加速度包絡趨勢圖

由圖3 可知，泵驅動端加速度包絡頻譜中主要以205 Hz的頻率及其諧波為主。

圖3 泵驅動端加速度包絡頻譜圖

軸承型號為7311，轉速2970 r/min，則軸承滾動體故障頻率計算公式[10]：

帶入軸承幾何參數，計算出軸承滾動體故障頻率f=205.25 Hz，與205.0 Hz 故障頻率幾乎重合，因此泵驅動端加速度包絡頻譜中出現的這個頻率為軸承滾動體故障頻率。綜合判斷，泵驅動端存在軸承滾珠故障。

經過在線監測分析后得出，泵驅動端軸承滾動體故障，因為軸承的潤滑方式為飛濺潤滑，建議檢查泵驅動端軸承潤滑情況，現場添加適量潤滑油后，軸承運行環境得到改善，但軸承劣化趨勢并未有明顯改觀。在11 月5 日更換泵體驅動端機封時，拆檢泵驅動端軸承箱后發現軸承滾珠磨損嚴重（圖4）。

圖4 泵驅動端軸承檢修現場

4 結論

通過振動在線監測系統，能及時發現設備振動的變化趨勢，通過頻譜分析等手段，能精準判斷故障源，及時采取相對應的措施，保證設備穩定運行，確保海洋石油平臺的流程穩定性。