淺談設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在輸油生產(chǎn)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(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)是了解和掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和性能變化趨勢的重要手段，通過設(shè)備的異常狀態(tài)，對設(shè)備進(jìn)行分析診斷其故障所在及其原因，甚至預(yù)測設(shè)備發(fā)生故障的趨勢。早期人們主要采用耳聽、手摸、眼看等傳統(tǒng)的方法判斷設(shè)備狀況，診斷出設(shè)備異常狀況，這就是所謂的傳統(tǒng)診斷方法。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，引入了測試物理參量的簡易診斷和計(jì)算機(jī)輔助的在線診斷的方法與技術(shù)。時至今日，在一些設(shè)備的故障診斷中，通過便攜式測振儀對設(shè)備進(jìn)行振動分析，是輸油泵設(shè)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(qiáng)度和能量的標(biāo)志，也是判斷機(jī)械設(shè)備運(yùn)行是否良好的主要依據(jù)。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(nèi)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(shè)備每秒鐘振動循環(huán)的次數(shù)，其值與振動周期互為倒數(shù)。對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備而言，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周就會完成一個振動周期，也就是說，振動循環(huán)一次，所以說，轉(zhuǎn)速為n、角速度的w都能看作頻率。倍頻即用工頻的倍數(shù)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(jiān)測旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備同一軸承座或聯(lián)軸器兩側(cè)軸承座同方向振動差異的標(biāo)志。在現(xiàn)場動平衡技術(shù)應(yīng)用中必不可少。相位差是反映兩個振動在時間先后關(guān)系上或空間位置關(guān)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(zhuǎn)機(jī)械振動診斷中有著非常重要的應(yīng)用。

1.2 剛度

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

2 監(jiān)測步驟

2.1 選擇監(jiān)測點(diǎn)

對于所需監(jiān)測的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，其監(jiān)測點(diǎn)大多選擇在軸承座，也可以選擇其他的測點(diǎn)（如軸承座底腳、設(shè)備底座等），但要能夠反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)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(shè)備，當(dāng)其垂直方向振值較大時，需監(jiān)測底腳、底座振值。當(dāng)減速機(jī)中滾動軸承有故障時，往往表現(xiàn)為水平方向的加速度值較大。對于調(diào)心輥?zhàn)虞S承、圓錐滾子軸承來說，當(dāng)其發(fā)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(shè)備運(yùn)行是否良好的評價(jià)依據(jù)是對振動的測量，也就是振動的監(jiān)測任務(wù)。通過振動監(jiān)測還可以對設(shè)備的變化做出預(yù)測，以此實(shí)現(xiàn)設(shè)備在運(yùn)行的全過程中一直保持著良好的狀態(tài)。

振動監(jiān)測的主要辦法是使用便攜式的測振儀，然后對設(shè)備的振動以及設(shè)備的大小（總振級或者是通頻值）進(jìn)行測量，依據(jù)設(shè)備的允許值范圍和振動的標(biāo)準(zhǔn)來要求，以此確保設(shè)備真長與否（如果實(shí)測值≤標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)備視為正常狀態(tài)，否被視為設(shè)備異常或存在故障）；然后依據(jù)每次測量的結(jié)果，對設(shè)備的狀態(tài)變化進(jìn)行分析，并預(yù)測分析設(shè)備的壽命。

2.3 離心泵測量點(diǎn)的選擇

在選擇離心泵的測量點(diǎn)時，還應(yīng)該考慮的是周圍環(huán)境的影響，在選擇時盡量避開高溫、高濕、出風(fēng)口以及溫度變化劇烈的測量點(diǎn)，以此保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

3.1 確定監(jiān)測周期

通常來說，設(shè)備監(jiān)測周期一般每天檢測一次。新裝的設(shè)備或者是大修以后的設(shè)備的運(yùn)行的初期，要周期短，一般最好保證在8h內(nèi)監(jiān)測一次，然后等設(shè)備進(jìn)入穩(wěn)定的運(yùn)行周期后再延長監(jiān)測周期。而設(shè)備的實(shí)測振動值接近或者超了該設(shè)備的報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)值的時候，就要縮短監(jiān)測周期。

3.2 采集數(shù)據(jù)

為進(jìn)行劣化趨勢分析，在采集監(jiān)測數(shù)據(jù)時，要盡量遵循五同原則，也就是測量的儀器及測量儀器設(shè)置要相同、測點(diǎn)的位置及方向要相同、設(shè)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(jìn)行測量。也就是說，在選擇合適的監(jiān)測點(diǎn)后，進(jìn)行定點(diǎn)、定周期的監(jiān)測。

3.3 振動速度絕對標(biāo)準(zhǔn)

大部分旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備都是用振動的速度來判斷其振動的強(qiáng)度。振動速度大，意味著振感強(qiáng)烈，即專業(yè)點(diǎn)監(jiān)測所說的設(shè)備振動大。因此，評價(jià)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，首先應(yīng)測量振動速度有效值，再與國際通用振動標(biāo)準(zhǔn)IS02372和IS03945）對照，初步判別設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，見表1。

表1

振動值標(biāo)準(zhǔn)：

（1）IS02372標(biāo)準(zhǔn)中，把診斷對象分為四個等級。I類：小型機(jī)械，15kW以下電動機(jī)等；Ⅱ類：中型機(jī)械，15～75kW電動機(jī)等；Ⅲ類：剛性安裝的大型機(jī)械；IV類：柔性安裝的大型機(jī)械。

（2）我處大多數(shù)的離心泵都屬于Ⅲ類設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)定為1.8mm/s以下的是綠色良好設(shè)備；1.8～4.5mm/s也被稱為綠色設(shè)備正常；4.5～7.1mm/s為黃色設(shè)備報(bào)警；7.1mm/s以上為紅色設(shè)備應(yīng)該暫時停止使用，對設(shè)備進(jìn)行檢修。

4 診斷方法

輸油泵設(shè)備振動故障類型較多，常見有以下五類。

4.1 轉(zhuǎn)子的不平衡故障分析

旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備最常見一種振動故障是轉(zhuǎn)子不平衡故障，一般情況下，轉(zhuǎn)子的多少都會存在不平衡的情況，只是不平衡在可控的標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，如果超過了標(biāo)準(zhǔn)的范圍就是出現(xiàn)了故障，此類在各種轉(zhuǎn)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(jié)垢是產(chǎn)生轉(zhuǎn)子不平衡的主要因素。轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡時，轉(zhuǎn)子的質(zhì)心以及轉(zhuǎn)子幾何軸心不重合，移栽一定的偏心矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時偏心矩就會產(chǎn)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(zhuǎn)速是一致，振動值的大小與轉(zhuǎn)速是息息相關(guān)的。

4.2 不對中故障

不對中也是輸油泵設(shè)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(zhuǎn)子軸線的相互平行位移，稱為平行不對中；其次，是兩轉(zhuǎn)子軸線的交叉成一角度，稱為角度不對中；最后，是兩轉(zhuǎn)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(fā)生得較為突然，且有可能伴隨著聯(lián)軸器螺栓的失效。軸向振動大，且聯(lián)軸器兩側(cè)振動大，首先考慮是否存在不對中故障。一般來說，設(shè)備不對中故障時，垂直、水平振值都較大。不對中振動對轉(zhuǎn)子負(fù)荷的變化較為敏感，振動幅值隨負(fù)荷增大而增高。不對中振動本身較穩(wěn)定，對轉(zhuǎn)速變化不敏感，而橫向裂紋、轉(zhuǎn)動件松動對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)荷的變化也有影響。根據(jù)松動的部位不同，具體分為以下三類。

首先，基礎(chǔ)松動是設(shè)備底座及臺板等存在一定程度上的結(jié)構(gòu)松動，或者是水泥灌漿不實(shí)和結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的變形。在這種情況下，垂直方向上的振動值會更大。其次，結(jié)合面緊固螺栓松動是指軸承座、支架、底座、臺板、基礎(chǔ)結(jié)合處緊固螺栓強(qiáng)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(jié)合面處的間隙造成支撐系統(tǒng)的不連續(xù)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(dǎo)致間隙過大或軸承張力不足的情況。當(dāng)軸承套松動時，在轉(zhuǎn)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(shù)，進(jìn)而影響油膜的穩(wěn)定性。

4.4 滾動軸承故障

滾動軸承的常見故障有點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用中最常見以及最具有代表性的故障類型為點(diǎn)蝕、磨損、膠合三種。其中，膠合從發(fā)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(fā)現(xiàn)。在滾動軸承新安裝初期，需重點(diǎn)跟蹤其振值及溫度值，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)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(nèi)圈、滾動體、保持架均有各自的故障特征頻率。理論及實(shí)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(dāng)故障非常嚴(yán)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(diǎn)類似松動）；頻譜中以一倍轉(zhuǎn)頻及高次諧波為主，也可能存在分?jǐn)?shù)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(chǎn)生的一種渦動。理論計(jì)算表明，油膜渦動的旋轉(zhuǎn)頻率接近于轉(zhuǎn)子工頻的一半。對于大機(jī)組來說，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一階臨界轉(zhuǎn)速2倍附近時（即油膜渦動的頻率等于固有頻率時）轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)將發(fā)生強(qiáng)烈的共振，即油膜振蕩。油膜振蕩發(fā)生后，即使轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，但渦動頻率卻將與轉(zhuǎn)子固有頻率一致，不再約等于工頻的一半。

5 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

2020年8月25日，華池站崗位員工應(yīng)用便攜式測振儀對輸油泵設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測時，發(fā)現(xiàn)泵高壓端振動值監(jiān)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(xiàn)間歇性的“嗤嗤”聲音，軸承聲音異常，立即停泵現(xiàn)場進(jìn)行檢查。發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圓與軸間隙變大，有跑內(nèi)圓現(xiàn)象，同時，機(jī)油內(nèi)出現(xiàn)有大量銅末。原因初判為軸承磨損，經(jīng)過保障大隊(duì)拆卸泵高壓端軸承維修，發(fā)現(xiàn)滾動軸承保持架斷裂，更換軸承后，恢復(fù)正常。

根據(jù)2020年使用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)以來，截取兩臺輸油泵的振動數(shù)據(jù)分析，對比如表2所示。

表2

在歷年設(shè)備狀態(tài)檢測中發(fā)現(xiàn)：1#輸油泵高壓端、低壓端的水平、垂直、軸向區(qū)間段頻譜曲線較平緩穩(wěn)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(xiàn)次數(shù)頻率，日常維修次數(shù)較多。2020年至今，2#輸油泵出現(xiàn)故障次數(shù)為8次，分別在生產(chǎn)管理平臺中進(jìn)行報(bào)修，維修。目前，針對華池站2#輸油泵出現(xiàn)的軸承磨損嚴(yán)重，機(jī)油頻繁變黑，有銅末現(xiàn)象，在運(yùn)行過程中，加密巡檢次數(shù)，作為備用泵倒換。

6 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用便攜式測振儀對輸油設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測的重點(diǎn)主要包括：首先，選擇合適的監(jiān)測點(diǎn)并定期監(jiān)測；其次，采集振動速度值、加速度值并對比判別標(biāo)準(zhǔn)；最后，運(yùn)用初步的振動診斷方法判別故障并跟蹤劣化趨勢。實(shí)踐證明，使用便攜式測振儀對輸油設(shè)備進(jìn)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(chǎn)中起到了舉足輕重的作用。