頻譜分析技術(shù)在海洋石油機(jī)泵設(shè)備常見(jiàn)故障診斷中的應(yīng)用

李 政

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300450）

0 引言

機(jī)泵類設(shè)備在海上平臺(tái)和浮式儲(chǔ)油輪FPSO等工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。海上油田主要常見(jiàn)的機(jī)泵有單級(jí)離心泵和多級(jí)離心泵、螺桿泵等。

機(jī)泵類設(shè)備在海上動(dòng)設(shè)備中故障率相對(duì)較高，且機(jī)泵類設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不平衡、不對(duì)中、軸承磨損、松動(dòng)等常見(jiàn)故障，占整個(gè)故障類型的90%左右。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些故障，會(huì)造成相應(yīng)的機(jī)泵停機(jī)甚至停產(chǎn)，從而給油田生產(chǎn)帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失。

頻譜分析技術(shù)是隨著現(xiàn)代電子信息和計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，是動(dòng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的一種有效的重要手段。通過(guò)對(duì)動(dòng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置振動(dòng)傳感器，采集設(shè)備運(yùn)行時(shí)振動(dòng)信號(hào)，然后對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)采器的硬件部分和計(jì)算機(jī)中安裝的振動(dòng)信號(hào)分析軟件進(jìn)行傅里葉等處理手段，從而得到動(dòng)設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖。通過(guò)分析設(shè)備振動(dòng)信號(hào)中幅值較大的頻率成分，即表征設(shè)備故障信息，達(dá)到對(duì)動(dòng)設(shè)備故障診斷分析。設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，設(shè)備故障頻率會(huì)表征在頻譜中，通過(guò)對(duì)設(shè)備振動(dòng)頻譜的分析，可以找到設(shè)備部件對(duì)應(yīng)的故障原因和類型，從而提前預(yù)知?jiǎng)釉O(shè)備損壞的具體部位，有針對(duì)性地指導(dǎo)設(shè)備維護(hù)維修，保障動(dòng)設(shè)備本質(zhì)安全和可靠運(yùn)行。

1 機(jī)泵類設(shè)備常見(jiàn)故障形式及對(duì)應(yīng)案例頻譜分析

1.1 轉(zhuǎn)子不平衡

不平衡一般在機(jī)泵上主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)子制造質(zhì)量偏心，或使用過(guò)程中轉(zhuǎn)子磨損、積灰等，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)缺陷和損傷，造成轉(zhuǎn)子不平衡故障。

轉(zhuǎn)子不平衡故障的頻譜特點(diǎn)：

1）頻譜中主要為工頻幅值振動(dòng)，即最大峰值為工頻，振動(dòng)方向以垂直或徑向?yàn)橹鳌Ｈ艮D(zhuǎn)子為懸臂支承形式，則將有軸向分量。

2）在一階臨界轉(zhuǎn)速下，工頻振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高而增大。

3）頻譜圖中一般很少出現(xiàn)工頻的高次諧波分量。

4）振動(dòng)信號(hào)原始時(shí)域波形近似為正弦波。

5）軸心軌跡為橢圓。

6）相位穩(wěn)定。

某平臺(tái)注水泵機(jī)組，電機(jī)振動(dòng)幅值較高，最高值為19.15 mm/s，在1H、1V、2H、2V等測(cè)點(diǎn)測(cè)量的振動(dòng)的頻譜圖中主要為工頻幅值振動(dòng)，無(wú)高次諧波分量，振動(dòng)信號(hào)原始時(shí)域波形近似為正弦波。電機(jī)測(cè)點(diǎn)具體的頻譜圖和時(shí)域波形圖如圖1、圖2所示。

圖1 不平衡故障頻譜圖Fig.1 Spectrum of unbalance fault

圖2 不平衡故障時(shí)域波形圖Fig.2 Time domain waveform of unbalanced fault

根據(jù)實(shí)際測(cè)量頻譜綜合判斷，符合不平衡故障的典型頻譜特征，因此診斷為電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡。對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子做動(dòng)平衡后，電機(jī)振動(dòng)恢復(fù)為正常水平。

1.2 機(jī)組不對(duì)中

不對(duì)中主要指驅(qū)動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)子與被驅(qū)動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)子之間的連接對(duì)中，具體表現(xiàn)在聯(lián)軸器兩端轉(zhuǎn)子的對(duì)中程度上。

不對(duì)中類型主要分為平行不對(duì)中和角度不對(duì)中，及平行和角度不對(duì)中疊加在一起的混合不對(duì)中。通常人們普遍認(rèn)為機(jī)械振動(dòng)主要是不平衡故障所導(dǎo)致，但就機(jī)泵類設(shè)備而言，75%左右的振動(dòng)是由不對(duì)中引起的，這點(diǎn)尤其在海洋石油生產(chǎn)動(dòng)設(shè)備故障中非常常見(jiàn)。

不對(duì)中故障的頻譜特點(diǎn)：

1）較小幅值的轉(zhuǎn)子工頻，轉(zhuǎn)子2倍工頻峰值較大即2X工頻峰值較高。

2）對(duì)中程度逐漸偏差和增加，軸向振動(dòng)分量也會(huì)逐漸增加。

3）振動(dòng)信號(hào)的原始時(shí)域波形呈畸變的正弦波。

4）聯(lián)軸器兩邊振動(dòng)相位呈180°反向。

5）如果2X工頻幅值大于1X工頻處的一半或以上時(shí)，則說(shuō)明不對(duì)中程度增加。

6）軸心軌跡為月牙形、香蕉形，嚴(yán)重對(duì)中不良時(shí)的軸心軌跡可能出現(xiàn)“8”字形。

某平臺(tái)外輸泵機(jī)組，電機(jī)振動(dòng)幅值增大，在采集振動(dòng)信號(hào)時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)速度總值由之前的1.8mm/s上升至8.0mm/s，對(duì)比水平和垂直及軸向振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)軸向振動(dòng)幅值增加最明顯，頻譜中主要以轉(zhuǎn)子工頻的和轉(zhuǎn)子的2X為主，其中轉(zhuǎn)子的2X峰值較大且突出，如圖3所示。

圖3 機(jī)組不對(duì)中時(shí)的頻譜圖Fig.3 Spectrum of unit misalignment

根據(jù)實(shí)際測(cè)量頻譜綜合判斷，符合機(jī)組不對(duì)中典型頻譜特征，尤其是軸向振動(dòng)幅值增加最明顯，因此診斷為機(jī)組不對(duì)中。對(duì)機(jī)組重新對(duì)中后，振動(dòng)下降到2.5mm/s，如圖4所示。

圖4 重新對(duì)中后的頻譜圖Fig.4 Spectrum after re alignment

1.3 軸承故障

機(jī)泵結(jié)構(gòu)中的軸承大多數(shù)主要是滾動(dòng)類軸承，滾動(dòng)類軸承也是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最多的機(jī)械零部件，屬于易損耗部件之一。滾動(dòng)軸承在使用過(guò)程中，由于銹蝕、疲勞剝落、斷裂，磨損擦傷等原因都可能使軸承過(guò)早損壞。即使是運(yùn)行條件良好，當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)到一定時(shí)間以后也會(huì)出現(xiàn)磨損和疲勞剝落而不能正常工作。

軸承故障的頻譜特點(diǎn)：

滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑不良，主要表現(xiàn)為振動(dòng)加速度值和加速度包絡(luò)值升高，且加速度頻譜中高頻峰值較高和加速度包絡(luò)譜中地腳能量豐富，補(bǔ)充潤(rùn)滑劑后加速度總值和加速度包絡(luò)值有顯著的下降趨勢(shì)。有時(shí)也會(huì)遇到補(bǔ)充潤(rùn)滑劑后，振動(dòng)加速度值和加速度包絡(luò)值沒(méi)有下降趨勢(shì)，這種情況大多數(shù)可能是由于軸承間隙不當(dāng)或其他因素導(dǎo)致振動(dòng)升高。

一般情況下滾動(dòng)軸承出現(xiàn)故障都會(huì)表現(xiàn)為振動(dòng)總值較大且趨勢(shì)有顯著的上升現(xiàn)象，在加速度包絡(luò)譜中存在（外圈、內(nèi)圈、保持架或滾動(dòng)體）軸承故障頻率及其諧波，加速度時(shí)域波形有明顯沖擊現(xiàn)象，同時(shí)時(shí)域波形的振動(dòng)幅值較高。嚴(yán)重時(shí)，在速度頻譜中也會(huì)出現(xiàn)軸承故障頻率及其諧波，用金屬棒或聽(tīng)診器在現(xiàn)場(chǎng)還能聽(tīng)到明顯的異常噪聲。滾動(dòng)軸承出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)需要及時(shí)更換軸承，否則容易造成抱軸等突發(fā)故障，導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重故障。

某平臺(tái)一臺(tái)離心式原油外輸泵，泵端軸承運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障，振動(dòng)總值升高。當(dāng)時(shí)采集的軸承頻譜圖，如圖5所示，具有滾動(dòng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)的頻譜特征。隨之停機(jī)對(duì)該軸承檢修，發(fā)現(xiàn)軸承外圈已經(jīng)非正常磨損導(dǎo)致軸承跑外圓，軸承磨損較嚴(yán)重。隨后更換軸承后，振動(dòng)有了顯著下降趨勢(shì)。

圖5 泵軸承故障對(duì)應(yīng)的加速度包絡(luò)頻譜圖Fig.5 Acceleration envelope spectrum of pump bearing fault

軸承安裝不當(dāng)，更換軸承后由于軸承間隙不當(dāng)，此時(shí)軸承振動(dòng)包絡(luò)頻譜中可能也會(huì)存在軸承故障缺陷頻率，這種情況需要重新安裝，調(diào)整軸承間隙/游隙。

1.4 松動(dòng)故障

機(jī)泵故障中松動(dòng)故障比較常見(jiàn)，而且對(duì)設(shè)備的損壞程度也較大。機(jī)械松動(dòng)不單是振動(dòng)的主要因素，而且機(jī)械松動(dòng)可加劇振動(dòng)狀態(tài)。因此，機(jī)械松動(dòng)使設(shè)備的振動(dòng)比單有如不對(duì)中或不平衡時(shí)的振動(dòng)更大。一般在解決設(shè)備同時(shí)存在多個(gè)故障情況下，優(yōu)先要解決設(shè)備松動(dòng)問(wèn)題，其次再解決其他故障問(wèn)題。一般在機(jī)泵類設(shè)備中主要松動(dòng)類型有旋轉(zhuǎn)松動(dòng)、結(jié)構(gòu)松動(dòng)、軸承座松動(dòng)。

松動(dòng)故障的頻譜特點(diǎn)：

1）發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)故障時(shí)，頻譜中主要為1X及其多次諧波，有時(shí)可能擴(kuò)展到10X或者以上。其中，滑動(dòng)軸承游隙/間隙偏大后可能會(huì)產(chǎn)生0.5X的諧波。產(chǎn)生的主要原因是摩擦或嚴(yán)重的沖擊作用，有時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生1/3X的諧波，主要因零部件安裝不當(dāng)引起。

2）發(fā)生結(jié)構(gòu)松動(dòng)時(shí)即設(shè)備與它的基礎(chǔ)之間出現(xiàn)松動(dòng)，往往在剛性較弱的地方，且通常在水平方向易出現(xiàn)1X振動(dòng)，但具體也要根據(jù)實(shí)際情況而定。如果松動(dòng)情況嚴(yán)重，尤其是在垂直安裝的機(jī)組上，往往會(huì)產(chǎn)生低階1X諧波。這時(shí)就比較難分辨到底是因不平衡、基礎(chǔ)松動(dòng)或者是柔性化導(dǎo)致。如果水平方向工頻振動(dòng)比垂直方向上的工頻振動(dòng)大很多，很可能就是松動(dòng)所致；相反，如果水平方向工頻振動(dòng)比垂直方向上的工頻振動(dòng)小或相等，那么其出現(xiàn)不平衡的可能性就比較大?；A(chǔ)松動(dòng)或基礎(chǔ)柔性化是緊固連接件的螺栓松動(dòng)、腐蝕或裂紋所致。（注意：如果機(jī)組安裝基礎(chǔ)的彈性比較強(qiáng)，水平和軸向的振動(dòng)要強(qiáng)的多）。

3）發(fā)生軸承座松動(dòng)故障時(shí)，頻譜中工頻，2倍工頻和3倍工頻處皆有振動(dòng)分量，但一般很少存在其它諧波，在松動(dòng)嚴(yán)重的情況下可能會(huì)產(chǎn)生0.5X的波峰。

4）松動(dòng)故障振動(dòng)原始信號(hào)時(shí)域波形較紊亂。

5）松動(dòng)故障時(shí)一般相位不穩(wěn)定，每次測(cè)量相差很大。

某平臺(tái)熱介質(zhì)循環(huán)泵，在監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸向和垂直方向振動(dòng)值較高。電機(jī)端振動(dòng)速度總值軸向和垂直方向最高分別達(dá)到13.43mm/s和12.18mm/s，表1是2011年2月28日發(fā)生松動(dòng)故障時(shí)測(cè)試的振動(dòng)速度總值（單位mm/sec、采用有效值）。機(jī)組頻譜中工頻分量突出，并伴有相對(duì)較高幅值的多次諧波頻率，時(shí)域波形存在紊亂現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 機(jī)組存在松動(dòng)故障時(shí)的頻譜圖和原始信號(hào)時(shí)域波形Fig.6 Frequency spectrum and time domain waveform of original signal in case of looseness fault

表1 機(jī)組松動(dòng)故障時(shí)采集機(jī)組各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度總值Table 1 Total value of vibration velocity at each measuring point of the unit in case of looseness fault

根據(jù)實(shí)際測(cè)量頻譜和現(xiàn)場(chǎng)具體情況綜合判斷，符合機(jī)組松動(dòng)典型頻譜特征。判斷電機(jī)振動(dòng)較大的原因主要與電機(jī)部位基礎(chǔ)撬塊螺栓松動(dòng)有關(guān)。尤其是電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端部位處，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端一側(cè)地腳螺栓存在緊固不實(shí)，螺栓對(duì)機(jī)組撬塊幾乎沒(méi)有緊固作用。由于地腳螺栓松動(dòng)，導(dǎo)致受力不均衡，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，長(zhǎng)期在內(nèi)應(yīng)力作用下還會(huì)導(dǎo)致機(jī)組聯(lián)軸器對(duì)中易發(fā)生改變。

圖7 機(jī)組松動(dòng)故障處理后的頻譜圖和原始信號(hào)時(shí)域波形Fig.7 Spectrum diagram and time domain waveform of original signal after treatment of unit looseness fault

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)組各個(gè)地腳螺栓采取有針對(duì)性的緊固，即根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)每個(gè)螺栓用不同力矩進(jìn)行調(diào)整緊固。最終通過(guò)振動(dòng)測(cè)試找到振動(dòng)最小值，確定為最佳緊固點(diǎn)和緊固力矩，經(jīng)過(guò)多次振動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)試和調(diào)整地腳螺栓緊固力矩，使機(jī)組振動(dòng)速度總值降到當(dāng)前現(xiàn)有條件的最低。表2是2011年3月份調(diào)整和重新緊固地腳螺栓后測(cè)試的振動(dòng)速度總值（單位：mm/sec、采用有效值）。

表2 機(jī)組松動(dòng)故障處理后采集機(jī)組各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度總值Table 2 The total value of vibration velocity at each measuring point of the unit after handling the looseness fault

2 結(jié)語(yǔ)

機(jī)泵類設(shè)備最常出現(xiàn)的故障有不平衡、不對(duì)中、軸承磨損，松動(dòng)等故障，掌握機(jī)泵設(shè)備故障診斷的分析原理和方法是準(zhǔn)確診斷機(jī)泵設(shè)備常見(jiàn)故障的前提。針對(duì)不同的故障特征，采用頻譜分析方法可以有效地監(jiān)測(cè)并診斷出這些故障，從而指導(dǎo)機(jī)泵類設(shè)備的維護(hù)和維修，將設(shè)備故障消除在萌芽和發(fā)展階段，有效預(yù)防設(shè)備故障惡化或發(fā)生事故性故障?？傊瑱C(jī)泵類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)是建立在多個(gè)學(xué)科基礎(chǔ)之上的，具有技術(shù)基礎(chǔ)可靠性高，工程應(yīng)用性強(qiáng)，與高新技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)等特點(diǎn)?，F(xiàn)在不斷完善的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段也被更多的應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，這要求工程技術(shù)人員掌握更多的理論知識(shí)，同時(shí)要經(jīng)常深入實(shí)際，積累現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，使診斷更能準(zhǔn)確地指出故障位置和故障程度，以采取最合理的維修手段，保證設(shè)備的正常運(yùn)行，提高設(shè)備的可靠性和管理水平。既節(jié)約了人力財(cái)力，又不影響正常的生產(chǎn)生活，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。