淺談設備狀態監測技術在輸油生產中的重要性

王裕九，楊飛，馬海燕

（長慶油田公司第二輸油處華池輸油站，甘肅 慶陽 746500）

設備狀態監測技術是了解和掌握設備運行狀態和性能變化趨勢的重要手段，通過設備的異常狀態，對設備進行分析診斷其故障所在及其原因，甚至預測設備發生故障的趨勢。早期人們主要采用耳聽、手摸、眼看等傳統的方法判斷設備狀況，診斷出設備異常狀況，這就是所謂的傳統診斷方法。

隨著科學技術的發展與進步，引入了測試物理參量的簡易診斷和計算機輔助的在線診斷的方法與技術。時至今日，在一些設備的故障診斷中，通過便攜式測振儀對設備進行振動分析，是輸油泵設備故障診斷方法中最有效、最常用的方法。

1 振動的基本概念

1.1 振動三要素

1.1.1 振幅

物體的振動幅度稱為振幅，是振動強度和能量的標志，也是判斷機械設備運行是否良好的主要依據。振幅的量值可以用峰峰值、峰值、有效值（即均方根值）及平均值來表示。振幅分別用振動位移、振動速度、振動加速度來度量。一般來說，峰峰值就是一個周期內的振動位置的量值，振動速度的量值被稱為有效值，而振動的加速度量值被稱為峰值。

1.1.2 頻率

頻率是設備每秒鐘振動循環的次數，其值與振動周期互為倒數。對于旋轉機械設備而言，轉子每旋轉一周就會完成一個振動周期，也就是說，振動循環一次，所以說，轉速為n、角速度的w都能看作頻率。倍頻即用工頻的倍數來表示的振動頻率，通頻振動即為各頻率振動分量相互疊加后的總振動，故障特征頻率即為各種不同類型故障各自所引起的振動頻率。

1.1.3 相位

相位是監測旋轉機械設備同一軸承座或聯軸器兩側軸承座同方向振動差異的標志。在現場動平衡技術應用中必不可少。相位差是反映兩個振動在時間先后關系上或空間位置關系上是否存在差異。相位差為0，時為同相振動，相位差為180，時為反相振動。相位在旋轉機械振動診斷中有著非常重要的應用。

1.2 剛度

旋轉機械設備轉子的剛度包括靜剛度和動剛度兩個部分。靜剛度取決于轉子的結構、材質、尺寸；動剛度即與靜剛度有關，也與二次灌漿底座、軸承座剛度等有關。剛度K=F/Y，其中F為作用于測點上的力，Y為測點的振幅值。將此公式改寫成Y=F/k，這表明測點呈現出的振幅值跟作用在該點上的力成正比，與該點的動剛度成反比。剛度不足（如基礎松動、聯軸器螺栓松動、軸承間隙大等狀態）將引起設備振值增大。

2 監測步驟

2.1 選擇監測點

對于所需監測的旋轉機械設備，其監測點大多選擇在軸承座，也可以選擇其他的測點（如軸承座底腳、設備底座等），但要能夠反映設備的運行狀態。

當放在軸承座的位置測量后，通常情況下，推薦測量垂直、水平、軸向三個振動方向。對于普通臥式安裝設備，當其垂直方向振值較大時，需監測底腳、底座振值。當減速機中滾動軸承有故障時，往往表現為水平方向的加速度值較大。對于調心輥子軸承、圓錐滾子軸承來說，當其發生故障時，軸向的振動較為敏感。

2.2 離心泵振動的檢測分析

一般來說，測定一個設備運行是否良好的評價依據是對振動的測量，也就是振動的監測任務。通過振動監測還可以對設備的變化做出預測，以此實現設備在運行的全過程中一直保持著良好的狀態。

振動監測的主要辦法是使用便攜式的測振儀，然后對設備的振動以及設備的大?。傉窦壔蛘呤峭l值）進行測量，依據設備的允許值范圍和振動的標準來要求，以此確保設備真長與否（如果實測值≤標準值，設備視為正常狀態，否被視為設備異?；虼嬖诠收希?；然后依據每次測量的結果，對設備的狀態變化進行分析，并預測分析設備的壽命。

2.3 離心泵測量點的選擇

在選擇離心泵的測量點時，還應該考慮的是周圍環境的影響，在選擇時盡量避開高溫、高濕、出風口以及溫度變化劇烈的測量點，以此保證測量結果的準確性。

3 監測數據采集

3.1 確定監測周期

通常來說，設備監測周期一般每天檢測一次。新裝的設備或者是大修以后的設備的運行的初期，要周期短，一般最好保證在8h內監測一次，然后等設備進入穩定的運行周期后再延長監測周期。而設備的實測振動值接近或者超了該設備的報警標準值的時候，就要縮短監測周期。

3.2 采集數據

為進行劣化趨勢分析，在采集監測數據時，要盡量遵循五同原則，也就是測量的儀器及測量儀器設置要相同、測點的位置及方向要相同、設備工況要相同、背景振動要相同，而且在測量時盡量由一個人進行測量。也就是說，在選擇合適的監測點后，進行定點、定周期的監測。

3.3 振動速度絕對標準

大部分旋轉機械設備都是用振動的速度來判斷其振動的強度。振動速度大，意味著振感強烈，即專業點監測所說的設備振動大。因此，評價設備的運轉狀態，首先應測量振動速度有效值，再與國際通用振動標準IS02372和IS03945）對照，初步判別設備運轉狀態，見表1。

表1

振動值標準：

（1）IS02372標準中，把診斷對象分為四個等級。I類：小型機械，15kW以下電動機等；Ⅱ類：中型機械，15～75kW電動機等；Ⅲ類：剛性安裝的大型機械；IV類：柔性安裝的大型機械。

（2）我處大多數的離心泵都屬于Ⅲ類設備，標準定為1.8mm/s以下的是綠色良好設備；1.8～4.5mm/s也被稱為綠色設備正常；4.5～7.1mm/s為黃色設備報警；7.1mm/s以上為紅色設備應該暫時停止使用，對設備進行檢修。

4 診斷方法

輸油泵設備振動故障類型較多，常見有以下五類。

4.1 轉子的不平衡故障分析

旋轉機械設備最常見一種振動故障是轉子不平衡故障，一般情況下，轉子的多少都會存在不平衡的情況，只是不平衡在可控的標準值范圍內，如果超過了標準的范圍就是出現了故障，此類在各種轉子故障中的占比很高。不平衡的情況有多種，例如，力的不平衡、偶的不平衡以及動的不平衡等。磨損與結垢是產生轉子不平衡的主要因素。轉子出現不平衡時，轉子的質心以及轉子幾何軸心不重合，移栽一定的偏心矩，轉子轉動時偏心矩就會產生的離心力、離心力矩或者二者兼顧。不平衡振動的頻率及轉速是一致，振動值的大小與轉速是息息相關的。

4.2 不對中故障

不對中也是輸油泵設備中十分常見的故障之一。軸系不對中一般分為三種情況：首先，是兩轉子軸線的相互平行位移，稱為平行不對中；其次，是兩轉子軸線的交叉成一角度，稱為角度不對中；最后，是兩轉子軸線的相互交叉及平行，稱為平行交叉綜合不對中。不對中故障可能發生得較為突然，且有可能伴隨著聯軸器螺栓的失效。軸向振動大，且聯軸器兩側振動大，首先考慮是否存在不對中故障。一般來說，設備不對中故障時，垂直、水平振值都較大。不對中振動對轉子負荷的變化較為敏感，振動幅值隨負荷增大而增高。不對中振動本身較穩定，對轉速變化不敏感，而橫向裂紋、轉動件松動對轉速十分敏感。

4.3 松動故障

松動振動的方向比較明顯時，松動的方向振動也就越大。松動振動對轉速的變化有一定的影響，在增速或者減速中，振動值也會隨之突然變大、變小。另外，松動振動對負荷的變化也有影響。根據松動的部位不同，具體分為以下三類。

首先，基礎松動是設備底座及臺板等存在一定程度上的結構松動，或者是水泥灌漿不實和結構及基礎的變形。在這種情況下，垂直方向上的振動值會更大。其次，結合面緊固螺栓松動是指軸承座、支架、底座、臺板、基礎結合處緊固螺栓強度不足，螺栓斷裂或松動，支架變形或開裂等狀況。這種振動是由于結合面處的間隙造成支撐系統的不連續位移而引起的。最后，軸承套松動是指軸承套或可傾瓦襯套與軸承座間隙誤差過大，導致間隙過大或軸承張力不足的情況。當軸承套松動時，在轉子離心力的作用下，軸承套會沿周向周期性變形，而剖分式襯套會沿剖切面的垂直方向松動，從而改變軸承的幾何參數，進而影響油膜的穩定性。

4.4 滾動軸承故障

滾動軸承的常見故障有點蝕、磨損、膠合、斷裂、銹蝕、電蝕、保持架損壞、凹坑及壓痕等。在滾動軸承的實際應用中最常見以及最具有代表性的故障類型為點蝕、磨損、膠合三種。其中，膠合從發生到軸承完全損壞的過程是極短的，所以，一般情況下，很難通過定期檢查發現。在滾動軸承新安裝初期，需重點跟蹤其振值及溫度值，運轉穩定后，振動加速度大，則是滾動軸承損壞的一個充分條件，軸承每種零件有其特殊的故障特征頻率，軸承外圈、內圈、滾動體、保持架均有各自的故障特征頻率。理論及實踐均可證明，滾動軸承的失效過程必將引起加速度幅值的增大，且當故障非常嚴重時，其加速度幅值不增反降。因此，跟蹤軸承加速度幅值的趨勢變化尤為重要。

4.5 滑動軸承故障

滑動軸承故障主要為軸瓦間隙大，油膜渦動、油膜振蕩、合金損壞等。軸瓦間隙大的振動特征包括：徑向振動大，特別是垂直方向（此特點類似松動）；頻譜中以一倍轉頻及高次諧波為主，也可能存在分數諧波。除包括上述振動特征外，合金損壞的振動特征還有較大的軸向振動。

油膜渦動是由徑向滑動軸承油膜力所產生的一種渦動。理論計算表明，油膜渦動的旋轉頻率接近于轉子工頻的一半。對于大機組來說，當轉速上升到一階臨界轉速2倍附近時（即油膜渦動的頻率等于固有頻率時）轉子軸承系統將發生強烈的共振，即油膜振蕩。油膜振蕩發生后，即使轉速繼續上升，但渦動頻率卻將與轉子固有頻率一致，不再約等于工頻的一半。

5 設備狀態監測技術的應用

2020年8月25日，華池站崗位員工應用便攜式測振儀對輸油泵設備進行監測時，發現泵高壓端振動值監測偏大，水平、垂直分別為2.8，1.5，聽見2#輸油泵高壓端異響，聲音出現間歇性的“嗤嗤”聲音，軸承聲音異常，立即停泵現場進行檢查。發現軸承內圓與軸間隙變大，有跑內圓現象，同時，機油內出現有大量銅末。原因初判為軸承磨損，經過保障大隊拆卸泵高壓端軸承維修，發現滾動軸承保持架斷裂，更換軸承后，恢復正常。

根據2020年使用設備狀態監測技術以來，截取兩臺輸油泵的振動數據分析，對比如表2所示。

表2

在歷年設備狀態檢測中發現：1#輸油泵高壓端、低壓端的水平、垂直、軸向區間段頻譜曲線較平緩穩定，2#輸油泵高壓端、低壓端的水平、垂直、軸向頻譜曲線波動較大，由此看出，2#輸油泵本身性能較差，故障出現次數頻率，日常維修次數較多。2020年至今，2#輸油泵出現故障次數為8次，分別在生產管理平臺中進行報修，維修。目前，針對華池站2#輸油泵出現的軸承磨損嚴重，機油頻繁變黑，有銅末現象，在運行過程中，加密巡檢次數，作為備用泵倒換。

6 結語

綜上所述，應用便攜式測振儀對輸油設備進行監測的重點主要包括：首先，選擇合適的監測點并定期監測；其次，采集振動速度值、加速度值并對比判別標準；最后，運用初步的振動診斷方法判別故障并跟蹤劣化趨勢。實踐證明，使用便攜式測振儀對輸油設備進行初步的故障診斷、劣化趨勢跟蹤是完全可行的，在日常輸油生產中起到了舉足輕重的作用。