基于狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的天然氣凈化廠動(dòng)設(shè)備故障頻譜研究

王得勝，侯開紅，周軍，鄭民，楊廷加，陳立軍

（中國石油天然氣股份有限公司西南油氣分公司天然氣凈化總廠，重慶 400000）

1 引言

西南油氣田天然氣凈化總廠忠縣分廠是“西氣東輸”大戰(zhàn)略的重要組成部分，是“川氣東輸”的咽喉工程。凈化廠的機(jī)泵類設(shè)備包括離心泵、往復(fù)泵、送風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)等設(shè)備，數(shù)量多、類型豐富、檢維修任務(wù)繁重，常存在由于對設(shè)備故障原因判斷不準(zhǔn)導(dǎo)致的返修、過度維修等問題，檢維修和備品備件費(fèi)用居高不下。為提高機(jī)泵設(shè)備的運(yùn)行可靠性，忠縣凈化廠為重要機(jī)泵設(shè)備安裝了在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以振動(dòng)監(jiān)測及相關(guān)譜圖分析工具為主要手段，同時(shí)融合溫度、流量、壓力等多種工藝量參數(shù)監(jiān)測，并引入專業(yè)的第三方進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷工作，經(jīng)過2 年多的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對廠內(nèi)機(jī)泵設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌控、故障的精準(zhǔn)判斷，保證了設(shè)備和裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，取得了良好效果。

2 機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)2 部分組成。以下予以分別介紹。

2.1 機(jī)泵在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

硬件部分由傳感器、數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)據(jù)應(yīng)用管理器、工業(yè)電源、路由器等構(gòu)成（如圖1），通過TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)裝置級監(jiān)測站與公司級監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)傳遞、共享。

圖1 機(jī)泵在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2 機(jī)泵在線監(jiān)測系統(tǒng)界面

圖3 轉(zhuǎn)子不平衡的特征圖譜

圖4 不對中的特征圖譜

圖5 轉(zhuǎn)子類松動(dòng)的特征圖譜

圖6 結(jié)構(gòu)松動(dòng)的特征圖譜

圖7 軸承缺陷的特征圖譜

數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)采集傳感器原始信號或變送器的輸出信號，將數(shù)據(jù)編碼處理后實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)應(yīng)用管理器。

數(shù)據(jù)應(yīng)用管理器負(fù)責(zé)將一個(gè)或多個(gè)裝置的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)。

監(jiān)測中心服務(wù)器用于提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，并將所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)利用客戶端實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上共享。

2.2 機(jī)泵在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集軟件和客戶端2 部分組成。客戶端包括機(jī)組概貌圖、趨勢分析、沖擊診斷、轉(zhuǎn)子類故障診斷、倒譜圖等模塊，主要以振動(dòng)速度和加速度為分析對象，能夠?qū)C(jī)泵常見故障進(jìn)行精確分析、診斷。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以通過OPC、modbus 等接口實(shí)現(xiàn)DCS上工藝參數(shù)（如壓力、流量、溫度等）與動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號的統(tǒng)一記錄、監(jiān)測、同步分析，有助于更加全面地分析機(jī)組狀態(tài)，確定故障原因。

3 凈化廠機(jī)泵設(shè)備的主要故障類型

凈化廠機(jī)泵設(shè)備的很多故障機(jī)理和振動(dòng)特點(diǎn)具有共性，而不同類型設(shè)備又具有其特有的故障類型。以下予以分類說明。

3.1 不平衡故障

轉(zhuǎn)子不平衡是指轉(zhuǎn)子受多種因素影響，其質(zhì)量中心和旋轉(zhuǎn)中心線間存在一定的偏心距，工作時(shí)形成周期性的離心力干擾，在軸承上產(chǎn)生動(dòng)載荷，從而引起機(jī)器振動(dòng)的現(xiàn)象。

當(dāng)設(shè)備發(fā)生不平衡故障時(shí)，振動(dòng)特征為：

（1）振動(dòng)以1×倍頻為主，波形圖為典型的正弦波；

（2）水平和垂直方向的1×倍頻相位差為90°；

（3）振幅隨轉(zhuǎn)速變化，在到達(dá)臨界轉(zhuǎn)速之前轉(zhuǎn)速越高，振幅越大。

3.2 不對中故障

不對中是指機(jī)器在運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子間的連接對中超出正常范圍，或轉(zhuǎn)子軸頸在軸承中的相對位置不良，不能形成良好的油膜和適當(dāng)?shù)妮S承負(fù)荷，造成機(jī)械振動(dòng)或聯(lián)軸節(jié)、軸承損壞的現(xiàn)象。不對中可分為平行不對中、角度不對中以及綜合不對中。

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)不對中故障時(shí)，振動(dòng)特征為：

（1）會(huì)產(chǎn)生明顯的2×倍頻振動(dòng)頻率成分；

（2）振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)子負(fù)荷的增大而升高；

（3）最大振動(dòng)一般體現(xiàn)在靠近聯(lián)軸節(jié)兩端的軸承上；

（4）一定條件下可能產(chǎn)生高次諧波。

3.3 松動(dòng)故障

機(jī)械松動(dòng)一般分為2 種，一種是轉(zhuǎn)子類松動(dòng)，即轉(zhuǎn)子葉輪、軸套、軸承等旋轉(zhuǎn)體的配合面的間隙過大、過盈量不足發(fā)生松動(dòng)；一種是轉(zhuǎn)子支撐部件的結(jié)合面存在間隙或連接剛度不足，造成的機(jī)械阻尼偏低、振動(dòng)過大的故障，也稱為結(jié)構(gòu)松動(dòng)。

軸承座的軸承松動(dòng)、過大的軸承內(nèi)部游隙、軸承座的軸承襯套松動(dòng)、葉輪松動(dòng)、軸承跑圈等，都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子類松動(dòng)，其振動(dòng)存在以下特征：

（1）時(shí)域波形中出現(xiàn)次諧波疊加的現(xiàn)象；

（2）頻譜中出現(xiàn)很高的亞異步成分、次諧頻成分；

（3）通常出現(xiàn)轉(zhuǎn)子類松動(dòng)時(shí)，相位會(huì)不穩(wěn)定，但當(dāng)振動(dòng)出現(xiàn)高方向性時(shí)，水平和垂直方向相位差會(huì)接近0°或180°。

設(shè)備地腳、基板和混凝土基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)剛度松動(dòng)或強(qiáng)度不足，灌漿惡化或破碎，框架或底部變形，地腳緊固螺栓松動(dòng)等，都會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)構(gòu)松動(dòng)，其振動(dòng)存在以下特征：

（1）頻率通常以較高的轉(zhuǎn)頻的1×倍頻為主要成分；

（2）通常徑向振動(dòng)較大，尤其是垂直方向振動(dòng)較大，軸向振動(dòng)較小或正常；

（3）振動(dòng)具有方向性，水平和垂直相位差接近0°或180°。

3.4 滾動(dòng)軸承缺陷故障

滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)由于各種原因引起損壞，如裝配不當(dāng)、潤滑不良、水分和異物侵入、腐蝕和過載等，故障不同階段的振動(dòng)在高頻、低頻均有不同的頻率特征。一般通過尖峰能量法（gIE）對軸承缺陷進(jìn)行早期診斷。

4 機(jī)泵設(shè)備故障頻譜分析步驟

振動(dòng)監(jiān)測和故障診斷查明故障采用演繹推理的方法，以故障為基礎(chǔ)，用振動(dòng)特征進(jìn)行比較、分析，或采用逐個(gè)排除的方法，對振動(dòng)性質(zhì)、故障原因和具體部件做出判斷。演繹推理有反向推理和正向推理2 種形式，這2種推理方式在目前的振動(dòng)故障診斷中都有使用，下面予以介紹。

4.1 反向推理診斷分析

反向推理也稱目標(biāo)直接推理，是依據(jù)振動(dòng)特征反推出振動(dòng)故障原因，在推理過程中只與單一的目標(biāo)有關(guān)，當(dāng)振動(dòng)特征與故障特征符合時(shí)，即可做出診斷。

反向推理診斷在判斷簡單故障時(shí)快捷有效，但應(yīng)對高參數(shù)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備時(shí)往往也有弊端。比如，角度不對中、不平衡、松動(dòng)等故障都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)頻的1×倍頻振動(dòng)增大，也就是故障和特征之間不是一一對應(yīng)關(guān)系，而是多重交叉關(guān)系，因此會(huì)影響故障診斷的準(zhǔn)確率。

4.2 正向推理診斷分析

正向推理診斷故障相對于反向推理有更高的嚴(yán)密性和準(zhǔn)確率，具體方法是在能夠引起設(shè)備振動(dòng)的全部原因中，與實(shí)際設(shè)備存在的振動(dòng)特征、故障歷史進(jìn)行搜索、比較、分析，采取逐個(gè)排除的方法，剩下不能排除的故障即為診斷結(jié)果。

5 現(xiàn)場應(yīng)用典型案例

2022 年8 月16 日，通過機(jī)泵在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)凈化廠主風(fēng)機(jī)K-1401IB 機(jī)組各測點(diǎn)垂直振動(dòng)速度呈升高趨勢，特別是在8 月19 日后升高趨勢明顯加快。該風(fēng)機(jī)為臥式離心風(fēng)機(jī)，結(jié)構(gòu)及測點(diǎn)概貌圖見圖8 所示。其中風(fēng)機(jī)后軸承垂直方向速度從8 月14 日的4mm/s 左右升高至8 月20 日的最高10.02mm/s。從頻譜圖中可以看到頻率成分以1X 倍頻為主。同時(shí)各測點(diǎn)的水平方向振動(dòng)速度值均無明顯變化。

圖8 機(jī)組結(jié)構(gòu)及測點(diǎn)概貌圖

圖9 機(jī)組垂直方向振動(dòng)波形、頻譜圖

頻譜圖中均以1X 倍頻為主要成分，可能存在的故障有轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)變差、聯(lián)軸器對中劣化、基礎(chǔ)支撐剛度變差以及共振等。然而振動(dòng)僅在垂直方向上具有明顯的增大趨勢，可以排除轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)變差、聯(lián)軸器對中精度劣化的可能性，從該風(fēng)機(jī)的檢修歷史可知，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)框架的隔震墊經(jīng)常容易由于老化而出現(xiàn)松動(dòng)問題，因此基礎(chǔ)剛度變差的可能性最大，而共振的可能性較小。8 月28 日，工程師組織檢修，更換隔震墊，再次運(yùn)行后風(fēng)機(jī)各測點(diǎn)最大振動(dòng)降低至4.1mm/s，驗(yàn)證了診斷分析結(jié)論。

6 結(jié)語

西南油氣田天然氣凈化總廠忠縣凈化自投用機(jī)泵在線監(jiān)測系統(tǒng)，2 年來共計(jì)發(fā)現(xiàn)各類故障、隱患問題58 臺(tái)次。該系統(tǒng)的應(yīng)用大幅降低了現(xiàn)場人員的巡檢強(qiáng)度，結(jié)合專業(yè)診斷服務(wù)和現(xiàn)場設(shè)備工程師的科學(xué)決策，提高了檢維修的針對性，避免了過度維修，降低了維護(hù)成本和故障損失成本，大幅提高了設(shè)備可靠性，為機(jī)泵設(shè)備的長周期穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效保障，值得在油氣田凈化廠機(jī)泵設(shè)備中加以推廣。