基于頻譜分析的軸流泵振動故障診斷與處理措施

李 穎

（中國石油大慶煉化公司，黑龍江大慶 163400）

0 引言

基于頻譜分析理論的軸流泵振動故障診斷是近幾年來比較熱門的研究方向之一。對于轉子動力學模型而言，當葉輪旋轉對水流產生提升力時，其旋轉運動受到周期性激勵作用時，轉速會隨著推力和轉子動平衡力的作用而發生變化；在這種情況下，轉速與轉子中心線之間會出現一條頻率曲線。該曲線可用來表征轉子受力產生的周期性脈動頻率響應情況，通過對其的分析，還可以獲得軸流泵在不同工況下工作時產生的各種振動信號及其特征參數信息[1]。

1 預聚合軸流泵振動高經過

預聚合軸流泵2-P210 為Lawrence 制造的軸流泵，功率18.5 kW，額定轉速2940 r/min，軸承型號為7311×2/6210×1，預聚合軸流泵2-P210，是某煉化企業關鍵設備且無備用泵（為獨生子設備），主要作用是為反應器R210 提供循環。

2020 年10 月12 日23：27，預聚合軸流泵2-P210 安全密封罐2-Z212 液位2LI2103 液位下降，安全密封罐壓力2PI2103升至0.141 MPa，外操到現場發現機封泄漏。安全密封罐現場補油，機泵振動、聲音、軸功率及機封PLAN53C 方案增壓活塞標尺等無異常變化，通過對安全密封罐壓力調整，機封恢復密封狀態，監護運行。

2020 年10 月13 日，2-Z212 液位以約每小時5%的速度下降，對2-P210 泵加密巡檢監護，液位低及時補油，保證2-Z212 液位控制在60%～80%。此時機泵振動、聲音等無異常變化。

2020 年10 月23 日，DCS 上振動值上漲，機泵現場振動有所上升，現場有異響。

2020 年10 月28 日，DCS 上的振動值迅速上漲、達到20 mm/s，機泵現場離線監測振動值為6 mm/s。

2020 年11 月2 日，裝置按計劃停工，11 月3 日，2-P210 泵開始檢修。

2 滾動軸承振動故障監測與診斷

2.1 滾動軸承的失效形式

滾動軸承由內環、外環、滾動體、保持架等4 個主要部件組成，按其破壞模式可劃分為4 類。

（1）疲勞剝落。由于交變載荷的作用，軋輥與軋輥接觸面接觸表面的金屬層逐漸剝落并逐漸擴大，因此產生了凹陷。如果不停地旋轉，則會造成大面積剝落。

（2）磨耗。如果滾動軸承的密封不到位，使灰塵、細小顆粒等進入，或潤滑不到位，就會引起與軸承的接觸面的摩擦或磨擦，增大軸承的振動和噪聲

（3）裂紋或斷裂。由于材料有缺陷或熱處理不當，配合過盈過大，軸承表面有凹陷，從而引起應力集中，造成軸頸開裂。

（4）凹陷。當外來細顆粒物質入侵球體和滾道時，球體表面上會出現凹陷。此外，過大的沖擊載荷使接觸表面發生局部塑性變形，使接觸表面產生凹陷。當底座固定不動的時候，外部的沖擊就會在軌道上造成均勻的凹坑，即使負載不大，也會在周圍環境的振動下形成凹坑[2]。

2.2 滾動軸承的振動機理

（1）滾動軸承故障的基本頻率。內圈滾道回轉頻率為fi=N/60，外圈滾道回轉頻率為f0、一般為0。

（2）滾動軸承故障的通過頻率。通過頻率是指，滾動軸承元件出現局部損傷時，設備在運行中就會產生相應的振動頻率，稱為故障特征頻率，又稱軸承通過頻率[3]。軸承的通過頻率及計算公式見表1，其中，軸承節徑D 是滾動軸承體中心所在的圓的直徑，d 為滾動體的平均直徑；接觸角α 是滾動體受力方向與內外垂直線的夾角；z 為滾動體或滾動體的數目。

表1 軸承的通過頻率及計算公式

2.3 滾動軸承的信號特征

（1）軸承內圈損傷。如果在不存在徑向空隙的情況下，出現剝落、裂紋和點蝕等破壞時，將產生脈沖振動。一般情況下，由于點蝕部位與滾子碰撞的部位和碰撞的部位，其振幅值會出現周期改變，也就是幅度的調整。

（2）軸承外圈損傷。當滾動體在運動中通過時，在其運動的影響下，其表面會發生剝落、開裂、點蝕等損傷，進而產生碰撞和振動。由于點蝕位置與載荷方向之間的相對位置不變，在這一時刻不發生振幅調整。

（3）軸承滾動體損傷。在滾動軸承中，如果出現了剝落、裂紋和點蝕等破壞，且這些破壞的部位穿過了滾動軸承的內外圈，則會引起滾動軸承的沖擊振動。在不存在徑向間隙的情況下，將發生一次沖擊振動。由于滾動軸承一般都具有徑向間隙，所以，與內環出現點蝕的情形類似，也會出現幅度調制，這取決于點蝕與內外環碰撞接觸的位置，但幅度調制是按照滾珠體的旋轉頻率來實現的。

（4）軸流泵2-P210 軸承特征頻率。根據表1，可以得出泵中軸承的基本頻率及特征頻率（表2）[4]。

表2 軸承特征頻率 Hz

2.4 機泵無線系統分析

機泵采用北京佳訊飛鴻電氣股份有限公司研發的無線監測系統，從圖1 可以看出泵殼體振動烈度頻繁波動，振動值不穩定。分析機泵驅動側軸承受交變載荷影響，其滾動體與保持架產生不良沖擊，波形頻譜整體體現中期磨損特征。

圖1 泵驅動端速度有效值趨勢圖

從圖2 可以看出，機泵驅動側軸承包絡頻譜以軸承型號為7311 的滾動體諧波頻率主導，包絡波形底部的寬帶噪聲逐漸升高。

圖2 泵驅動端包絡頻譜圖

2020 年10 月28 日機泵驅動端加速度峰值及包絡峰值由頻繁波動轉變為持續穩定升高，且包絡波形頻譜底部的寬帶噪聲持續升高，且滾動體故障頻率信號越來越明顯（圖3、圖4）。判斷軸承滾動體已經磨損，建議立即檢修，檢修時應重點檢查軸承滾動體，保持架及機封的磨損情況。

圖3 泵驅動端加速度峰值趨勢圖

圖4 泵驅動端包絡峰值趨勢圖

2.5 離線監測分析

離線監測采用的是北京博華信智科技發展有限公司制造的BH550 綜合分析診斷儀。10 月23 日至10 月30 日，振動值變化情況如表3。

表3 振動值變化情況

由于此次軸流泵振動升高主要是由于機封泄漏導致，振動主要體現在機泵端，因此選取機泵驅動端水平方向振動3H、機泵驅動端垂直方向振動3V、機泵非驅動端水平方向振動4H、機泵非驅動端垂直方向振動4V 振動數值形成振動值變化圖表（圖5）。從圖5 可以看出，10 月28 日機泵驅動端振動數值大幅上漲。本次機泵振動升高主要體現在機泵驅動端，而機泵驅動端各個方向測點中又以水平方向最為典型，因此本文選取10 月27 日—10 月29 日機泵驅動端水平振動進行頻譜分析。

圖5 振動值變化曲線

從泵驅動端水平方向頻譜圖可以看出，頻譜主要體現在50 Hz，即1 倍頻，表現出機泵不平衡問題（圖6）。考慮為由于機泵機封泄漏、沖洗丙烯進入密封腔內，造成密封腔壓力升高，引起機泵不平衡問題。同時可以看出，底部的寬帶噪聲逐漸升高，機泵逐漸劣化。但是離線監測頻譜中并未發現軸承故障頻率，原因可能是由于驅動端測點位置是白鋼材料、測振儀探頭不能直接吸附，測振儀采集精度受到影響。

圖6 泵驅動端水平方向頻譜圖

3 軸流泵拆解驗證

11 月3 日，對2-P210 集裝機封解體后發現，機封內PLAN53C軸套內2 個O 形圈全部斷裂（圖7），機封端面完好，可判斷PLAN53C軸套O 形圈失效造成沖洗丙烯從PLAN53C 軸套與軸間泄漏至PLAN52 腔內，造成密封腔壓力升高，與停工前判斷一致。

圖7 取出破損的O 形圈

由于PLAN52 安全密封罐內串入丙烯，導致密封油稀釋和缺失，造成密封腔內軸承潤滑不良，致使軸承滾動體嚴重磨損（圖8）。

圖8 磨損的軸承

通過機泵無線監測系統對預聚合軸流泵進行監測能夠更早的發現軸承故障，更清楚機泵運行狀態，為檢修提出合理建議。離線監測預聚合軸流泵能夠看出劣化趨勢，但在軸承故障診斷方面還有所欠缺。

4 檢修后運行狀態

更換了機封、軸承后，重新啟動2-P210 泵，泵驅動端速度有效值維持在1.3 mm/s 左右，運行趨勢穩定（圖9）；驅動端加速度峰值維持在15 m/s2左右，趨勢穩定（圖10）；驅動端包絡峰值維持在15 m/s2左右，趨勢穩定（圖11）。因此，2-P210 泵的本次檢修效果很好，整體運行平穩。

圖10 檢修后泵驅動端加速度峰值趨勢圖

圖11 檢修后泵驅動端包絡峰值趨勢圖

5 結束語

通過對某煉化企業軸流泵振動數據進行采集，并通過在線監測系統與離線監測采集的速度有效值、加速度峰值及包絡峰值進行分析比對，并結合設備實際運行過程中表現出的故障特征，綜合診斷機泵驅動端加速度峰值及包絡峰值由頻繁波動轉變為持續穩定升高，且包絡波形頻譜底部的寬帶噪聲持續升高，且滾動體故障頻率信號越來越明顯，判斷軸承滾動體已經磨損。軸流泵的拆解情況也驗證了頻譜分析的結果，并在檢修后成功消除了軸流泵故障，對軸流泵未來的運行有一定借鑒作用。

將振動頻譜分析應用到日常工作中，要保證數據的采集的準確性，即振動的測點選擇要正確，能完全體現出故障的最合適位置。另一方面，測點的材料也要考慮。本文在線監測的探頭耦合在測點位置，故障頻譜就被很好地保存下來，而離線監測時測振儀無法吸附在白鋼材料上面，需要用手來保持數據的采集，就沒有采集到軸承故障頻率，這樣在線監測與離線監測相結合，可以大大提高故障診斷的準確性。