化工機械設備狀態的診斷與分析

劉光虎(寧波卓安石化技術服務有限公司，浙江 寧波 315207)

1 化工機械設備概述

相比于其他機械設備，化工機械設備必須能夠適應化工產品生產環境，比如：高溫、低溫、低壓、爆炸和腐蝕等環境，不僅要能夠滿足連續運轉的機械強度，同時機械自身要具有良好的抗腐蝕性能。化工設備工作中通常涉及到各種能量的轉化，比如：熱能、機械能、電磁能等能量的轉換，需要的機械設備種類很多。

化工機械設備根據設備使用情況可分為靜設備、動設備以及帶運動的靜設備三類。靜設備包括反應器、換熱器以及塔器；動設備包含了各種泵、壓縮機以及離心機；另一類為帶攪拌的反應釜。根據設備使用壓力可分為常壓設備、負壓設備、承壓設備(壓力容器)。根據設備的原理及作用又可以分為：(1)化學反應類設備，比如：反應釜、不銹鋼反應罐，搪玻璃開始反應罐等；(2)換熱設備，比如：各種加熱器、冷卻器、蒸發器、干燥設備以及結晶設備；(3)比如翅片式換熱器、盤式干燥機；(4)還有分離設備，如：離心機、壓濾機、膜分離以及過濾器等。

2 化工機械設備狀態診斷與分析的意義

2.1 進行安全隱患排查

由于化工生產產品的特殊性，一旦發生泄漏及爆炸事故，將會對社會及經濟造成較大的影響。在實際生產中會出現許多不安全因素，造成機器部件失效，影響整個系統正常運轉，還會導致其他事故發生引發人員傷亡和財產損失。另外，由于操作不當或者檢修時未及時發現問題也引起嚴重后果。對于企業來說，最直接有效方法就是加強自身管理水平提高工作效率，必須重視機械設備狀態監測與維修維護的重要性。通過故障診斷技術快速準確地找出導致化工機械設備性能下降甚至停機的主要因素，及時發現并解決隱患問題，以確保整個系統安全可靠運行[1]。

2.2 掌握機械設備的運作狀態

有些化工機械設備在生產中雖然表面狀態看似正常，但有可能內部零件有所損壞，這就需要通過實時監測設備狀態及時了解機械部件、零件以及生產工藝流程等狀況變化。維修人員通過觀察記錄儀、示波器等工具檢測到機械運轉過程中存在哪些問題，快速找到潛在危險點和可能導致嚴重后果的區域，并對這些區域做出判斷分析。利用計算機網絡技術對企業生產過程中的設備狀態進行實時監測，并通過分析結果來確定影響產品質量和性能因素，找出事故隱患發展趨勢。設備狀態的診斷分析與日常維護、保養等工作緊密聯系，在檢修期間可以根據設備運行情況，及時更換及調整零部件，在檢查中發現異常現象應立即進行處理。

2.3 機械設備故障原因

通過化工機械設備的診斷與分析工作，能夠診斷故障類型、故障性質，確定化工機械設備發生故障的原因，對發生故障的設備零件詳細診斷，總結經驗教訓為日后運維提供重要參考，避免故障再次發生。機械設備使用壽命是一個重要的指標，設備性能、工作工況及維修保養決定了設備使用壽命。使用過程中由于磨損、老化等原因會造成設備內部嚴重的損傷，按照診斷標準確定維修周期，根據特征判斷出設備當前所處狀態，提出改進措施，以提高機械產品質量水平。

3 化工機械設備狀態診斷和分析的方法

3.1 簡易診斷技術

簡易診斷技術是指使用一些簡單的儀器儀表進行輔助診斷，根據設備運行的具體情況和監測儀器對設備進行分析判斷故障狀態。在實際中應用很普遍，它主要包括兩種情況：一是直接觀察和間接測試；二是通過對設備內部結構特征信息的分析來確定故障點位置以及可能發生概率與嚴重程度等。其優點在于簡單易行，適用范圍廣，費用較少。簡易診斷法來確定故障部位和位置、分析原因并采取相應措施，方便檢修人員判斷。但是這種方法也存在著一定缺點，基本是通過經驗判斷，很可能出現診斷錯誤或者結果不穩定的情況發生，需要借助專家系統或其他技術手段才能解決這些難題。簡易診斷方法有聽診法、觸測法等[2]。

3.1.1 聽診法

聽診法主要是指利用人體的聽覺系統來獲取設備運行狀態信息并進行分析。化工機械設備在正常良好的運行下發出的聲響是有一定的規律、平穩、無雜音，如果出現故障可能會出現一些雜音、怪音、重音或者其他異響。通常能夠根據異響位置定位故障點，從而及時發現并清除故障。實際工作中聽診法還可以借助輔助工具—電子聽診器，它包括聲音采集、數據處理和診斷等部分。在設備狀態監測中使用到的聲音傳感器采集到一些特定波長或者頻率信號，這些信號可以用于檢測設備內部是否存在異常或故障。

3.1.2 觸測法

觸測法指利用人體的觸覺，對設備運行中狀態進行診斷和分析的方法，比如設備的外殼溫度，干濕度、震動、位置之間的變化等，簡單和直觀就能進行初步診斷。實際工作中還可以借助輔助工具，比如觸摸式測量方式，利用壓力傳感器或者溫度傳感器對被檢測對象的表面進行分析，能夠準確地采集并記錄所要測試樣本量、分析數據等信息，精度與可靠性較高，廣泛應用于化工機械生產現場的測量，比如采用貼片熱電偶傳感器，能夠準確測量元件溫度。測振儀測量到狀態信號，判斷機械設備是否存在異常[3]。

3.2 精密診斷技術

精密設備狀態診斷和分析是一種非常重要的方法，是指對設備的狀態量、參數進行測量，并根據所得到的數據判斷設備是否達到了預期目標，能夠診斷故障類型、故障性質以及故障產生的原因等，通常具有故障預警功能。精密診斷儀器或裝置比較專業和復雜，需要一定經驗和專業的技術人員來操作，融合了多學科知識。隨著電子技術、計算機技術等方面不斷發展與進步，現代化工機械設備不斷向自動化以及智能化方向發展，對設備的檢測精度以及檢測速度就有了更高要求，高靈敏度和精確度來保證系統正常運行及維護人員操作的可靠性。比如，基于微機檢測與控制的數字信號處理技術完成對機器或儀器部件進行實時診斷、人工智能與診斷專家系統等，都屬于精密診斷[4]。精密診斷技術包括油液分析技術、紅外測溫技術、無損檢測技術、聲振測試及分析技術等。

3.2.1 油液分析技術

油液分析適用于不便于振動監測的設備，比如往復機械設備。油液的流動特性主要受到兩個因素影響：一是由重力作用引起液體密度差；二是在高壓下產生氣體與固體之間相互吸引而發生的碰撞。油液分析常用的方法有光譜分析、鐵譜分析以及顆粒計數分析。鐵譜分析從最初的發動機分析擴展到液壓系統，齒輪渦輪傳動箱以及軸承等零部件，廣泛應用于在化工行業。比如大型天然氣壓縮機組，運行時間較長，故障率較高，通過對曲軸箱內潤滑油進行取樣編號之后分析金屬元素濃度值，來診斷內部存在的磨損。油液分析能夠對大型機械設備的零部件進行逐個診斷，比如對生銹、磨損、老化以及腐蝕情況，通過油液分析技術，相關技術人員可以根據得到的結果判斷零件的使用狀態，從而可以確定零件是否需要更換或者更換最佳時間。

3.2.2 紅外測溫技術

紅外測溫利用熱敏元件的輻射效應，通過測量物體表面溫度，將物體的紅外線輻射能轉化為電腦可以識別的電信號，根據溫度分布圖像，快速檢測設備隱藏溫差，從而判斷設備運行情況的診斷技術。其具有操作簡單、響應速度快，可實現遠距測試，節省人力成本。在化工機械設備使用過程中，通常采取紅外在線測量，對設備進行掃描，不同的溫度代表不同的設備工況，確定化工機械設備運作的狀態，并且將結果以電型號的形式展示在監控屏，這樣運行人員能夠快速直觀地掌握化工機械設備具體的情況。

3.2.3 無損檢測技術

無損檢測技術就是對物體進行缺陷分析，是化工設備診斷分析常用技術，利用物質的聲光磁等性質，比如：超聲檢測、射線探傷，光學成像法、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測等識別材料成分或設備缺陷。這種檢測不會損害化工機械設備內外部結構，對被檢對象進行非接觸式、非接觸性或電學性能等特性參數分析與評定，具有全面性及可靠性。X射線探針屬于電磁感應探測手段中應用最廣泛之一，具有較高的靈敏度及抗干擾能力。超聲波法主要利用了超聲回波信號來進行判斷和判定物體是否發生位移或移動等情況，對測距具有較高的精度。紅外成像法通過使用不同顏色對光強度、溫度、密度值以及形狀尺寸大小，檢測與判別化工機械設備狀態，并將所得出結果反饋給計算機處理，在化工機械設備狀態診斷中應用越來越多[5]。

3.2.4 聲、振測試及其分析技術

聲、振速和噪聲是相互聯系的，聲音是由振動產生，振動時也被稱為聲波。在化工機械設備運行中，聲音和振動都與其運行工況息息相關。聲源分成兩個部分進行分析：一是通過波束向周圍環境傳遞信息，聲音在不同介質中傳播時產生能量衰減而引起振動頻率變化；二是其他物質對其反射或者震動形成了一種特殊波束形式接收其傳遞能量信息，在外界環境中對被測物體產生影響的作用力和振動方向加以控制而發出聲音信號，這樣便構成了一個完整的系統。可以通過測量聲波與被測物體之間的振動，來判斷設備性能產生的影響，進而診斷是否存在設備缺陷或者需要修復。聲、振測試及其分析技術在診斷和評定化工機械設備的動態性能方面，以及維修質量方面具有一定的權威性，應用效果得到認可。

3.2.5 功率譜分析技術

功率譜是一種無源的分析方法，用于檢測設備狀態。當機器發生故障時，會產生大量能量消耗和損耗。這些耗損包括機械部件、電學元件以及電氣系統中所使用到的材料等造成了磨損，而其中某些零部件也可能因為某種原因導致損壞或老化問題出現從而引起不必要損失增加。功率譜由山狀譜、線狀譜和隨機譜三種頻結構組成。在實際工作過程當中，由于各種外界因素影響下的情況比較復雜，例如：天氣變化、溫度高低不均等會對設備狀態診斷帶來一定程度上不利因素。通常情況下故障類型為非正常工作、無異常工況和有異常部件三個部分，而在這三種情形中只有少數會出現不穩定或波動性較大以及是由于設備本身缺陷等因素造成。

4 設備狀態在線監測診斷系統

化工機械設備狀態在線監測診斷主要是由硬件設備平臺和軟件體系架構兩部分組成，前者包括了傳感器、射頻識別器、通信接口等，后者包括監控中心服務器。利用現代計算機的網絡通訊、智能傳感、數字化測量等設備完成數據收集并轉換成可識別的信息，保證了故障診斷結果可靠性和準確性。對企業生產工藝環節中的重要環節進行實時監測，通過信息化手段將監測值傳遞到數據中臺進行實時分析，對某項監測指標存在異常時系統發送告警提醒，及時通知相關作業人員巡檢處理。另外，還可以與其他智能互聯設備進行聯動，及時控制上下游設備運轉狀態，滿足企業對生產環節中的監測以及控制需求，實現自動化數據分析和監控，增加企業生產效益。

系統總體構架主要由四個模塊組成，分別是數據采集、設備狀態檢測、故障預警以及歷史記錄。其中，數據采集包括傳感器的信號處理以及顯示裝置的數字化。儀器狀態監測分為三個方面：聲光報警器故障診斷電路、時鐘閃爍模擬電路以及電源開關等功能進行監控管理與維護操作。軟件部分首先進行界面設計，需要考慮輸入輸出格式、數據類型以及輸入值等信息是否符合要求，其次要對數據庫中存儲的文件及屬性信息進行定義。化工機械設備狀態在線監測診斷不僅能夠準確地獲取相關數據指標參數值，還可以有效避免人為因素干擾和影響安全監測系統正常運行。

5 結語

化工機械設備的狀態診斷與分析是為了判斷出生產過程中可能存在的故障，然后采取針對性的改善措施，以達到安全、可靠和經濟運行，維護機器產品正常工作。化工機械設備的診斷與分析是一項綜合性工作，相比于其他機械，涉及到更多的能量轉換形式，工況也較為復雜，在實際生產過程中需要加強狀態診斷與監測并及時采取有效措施，從而保證生產的安全穩定。