基于振動監(jiān)測提高機(jī)泵運(yùn)行可靠性探討

楊 林 蘭云霞 劉 煊 王林松 劉 超

(中國石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司，四川成都，610021)

1 引言

某高含硫天然氣項(xiàng)目是中國陸上最大的天然氣合作項(xiàng)目，投產(chǎn)后，在天然氣供應(yīng)中起到重要作用。由于原料天然氣酸性組分濃度高的實(shí)際情況，造成機(jī)泵類動設(shè)備工況惡劣，嚴(yán)重影響機(jī)泵健康狀態(tài)及使用壽命，在裝置運(yùn)行過程中，多次造成突發(fā)性故障導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)及裝置停產(chǎn)事故。項(xiàng)目主要有B集氣站、A井場、C井場、凈化廠和硫磺廠等場站，機(jī)泵內(nèi)設(shè)備數(shù)量較多，共有各類動設(shè)備500余臺。機(jī)泵類主要有出離心泵、隔膜泵、往復(fù)泵、送風(fēng)機(jī)、空冷風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、蒸汽透平和水力透平等。項(xiàng)目長期存在部分機(jī)泵無法使用，如凈化廠半貧砜胺液泵透平因設(shè)備調(diào)試不合格導(dǎo)致泵不能投入運(yùn)行，僅電機(jī)泵單臺運(yùn)行，無備用泵嚴(yán)重影響裝置運(yùn)行可靠性。機(jī)泵故障頻繁導(dǎo)致檢維修工作任務(wù)繁重，備品備件費(fèi)用居高不下。因?qū)收蠙C(jī)泵損壞原因判斷不到位，造成機(jī)泵返修、過度維修事故頻發(fā)。為提高機(jī)泵運(yùn)行可靠性，項(xiàng)目引入了專業(yè)的第三方進(jìn)行動設(shè)備振動監(jiān)測，應(yīng)用離線振動監(jiān)測和故障診斷技術(shù)對現(xiàn)場機(jī)泵進(jìn)行周期性巡檢，掌握機(jī)泵運(yùn)行狀況變化趨勢。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行過程中會由于工藝條件變化、機(jī)械本身問題等原因產(chǎn)生振動，當(dāng)工藝運(yùn)行條件發(fā)生改變或者旋轉(zhuǎn)機(jī)械出現(xiàn)故障時(shí)振動的幅度、頻率和方向等信息會發(fā)生變化。因此可以利用振動信息的變化來監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀況，通過專業(yè)的監(jiān)測工具對振動信號進(jìn)行采集、存儲，再經(jīng)過專用分析軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合工藝運(yùn)行條件和旋轉(zhuǎn)設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，就能夠?qū)φ駝幼兓脑蜻M(jìn)行分析判斷[1,2]，從而對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)作出診斷。振動監(jiān)測的內(nèi)容包含狀態(tài)監(jiān)測、分析診斷和故障預(yù)測三個(gè)方面，其具體的實(shí)施過程可以歸納為4個(gè)方面：①信息采集；②信號處理；③狀態(tài)識別；④診斷決策，診斷過程如圖1所示。

圖1 設(shè)備診斷過程

對旋轉(zhuǎn)設(shè)備而言，絕大多數(shù)設(shè)備故障都是與機(jī)械振動密切相關(guān)的。振動狀態(tài)監(jiān)測具有直接、故障類型覆蓋范圍廣的特點(diǎn)。通過對機(jī)泵類動設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，及時(shí)有效地進(jìn)行預(yù)知性維護(hù)檢修，保證機(jī)泵處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而保障裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

2 機(jī)泵振動監(jiān)測管理

2.1 機(jī)泵振動監(jiān)測分級

對動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測按設(shè)備重要度進(jìn)行分級管理，保證關(guān)鍵動設(shè)備監(jiān)測頻率。由于作業(yè)區(qū)動設(shè)備較多，在役年限較長，工藝條件等影響，部分動設(shè)備故障率較高，而狀態(tài)監(jiān)測管理人員及承包商人員相對較少。因此主抓關(guān)鍵少數(shù)，根據(jù)動設(shè)備對工藝流程的影響、維修特性、安全性及經(jīng)濟(jì)性將動設(shè)備分為A、B、C、D四類，如圖2所示，分別對應(yīng)不同的狀態(tài)監(jiān)測策略，A、B、C類按不同監(jiān)測周期進(jìn)行定期巡檢監(jiān)測和按需監(jiān)測，D類只進(jìn)行按需監(jiān)測。

圖2 設(shè)備重要度影響因素

A類動設(shè)備包括主體裝置此類工藝流程機(jī)泵：即一旦運(yùn)行機(jī)泵發(fā)生故障停機(jī)，而備用機(jī)泵未及時(shí)啟運(yùn)，會造成整個(gè)工藝單元發(fā)生聯(lián)鎖關(guān)停的機(jī)泵；以及維修困難、工作量相對較大的功率大于 500kW的多級離心泵組。

B類動設(shè)備包括此類工藝流程機(jī)泵：即一旦運(yùn)行機(jī)泵發(fā)生故障停機(jī)，而備用機(jī)泵未及時(shí)啟運(yùn)，會造成整個(gè)工藝單元工藝狀況發(fā)生波動，不會造成整個(gè)工藝單元聯(lián)鎖關(guān)停的機(jī)泵；以及功率在100kW至500kW之間的多級離心泵和鍋爐風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、循環(huán)水泵等。

C類動設(shè)備包括裝置中其他一些短時(shí)間故障停機(jī)不影響工藝生產(chǎn)的小型機(jī)泵。

D類動設(shè)備主要是工藝流程中無需連續(xù)運(yùn)行的動設(shè)備。

2.2 機(jī)泵振動監(jiān)測周期

根據(jù)機(jī)泵數(shù)量、分級情況并結(jié)合人力資源情況，將A類機(jī)泵振動監(jiān)測周期定為每周一次；B類機(jī)泵振動監(jiān)測周期定為每半月一次；C類機(jī)泵振動監(jiān)測周期定為每月一次。振動監(jiān)測管理崗制定月度計(jì)劃，根據(jù)機(jī)泵振動監(jiān)測周期，具體指定每日工作內(nèi)容。

2.3 臨時(shí)性機(jī)泵振動監(jiān)測

臨時(shí)性機(jī)泵振動監(jiān)測主要有3個(gè)方面：一是現(xiàn)場操作人員發(fā)現(xiàn)機(jī)泵運(yùn)行有異常現(xiàn)象，需要通過專業(yè)的振動監(jiān)測進(jìn)一步分析判斷；二是機(jī)泵檢修后啟機(jī)，對其進(jìn)行專業(yè)的振動監(jiān)測，判斷維修效果；三是大型機(jī)泵長時(shí)間停運(yùn)后啟機(jī)，通過專業(yè)的振動監(jiān)測，了解其運(yùn)行狀況。

2.4 機(jī)泵振動監(jiān)測報(bào)告

機(jī)泵進(jìn)行振動監(jiān)測，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)完成后，振動分析師對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷監(jiān)測時(shí)機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)，依次分為正常、注意、預(yù)警和報(bào)警4個(gè)等級，如表1所示。除正常狀態(tài)只記錄機(jī)泵振動測點(diǎn)的振動數(shù)值外，其余3個(gè)等級均需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行振動頻譜分析，給出診斷結(jié)果及建議措施。機(jī)泵振動監(jiān)測報(bào)告經(jīng)機(jī)械可靠性工程師審核后，及時(shí)將監(jiān)測結(jié)果反饋給工藝管理及檢維修管理人員，他們再根據(jù)生產(chǎn)及維修資源情況對建議措施進(jìn)行響應(yīng)。

表1 機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測報(bào)告表

3 根本原因分析

3.1 貧砜胺液泵振動報(bào)警值、聯(lián)鎖值變更

低壓貧砜胺液泵P-070601-2A啟運(yùn)后，在線振動監(jiān)測報(bào)警，泵振動報(bào)警值是5mm/s，聯(lián)鎖值是7mm/s。該泵為BB2型泵，設(shè)計(jì)流量460m3/h、揚(yáng)程178m、功率350kW、轉(zhuǎn)速2980rpm，工藝介質(zhì)溫度128℃?，F(xiàn)場采用振動分析儀復(fù)核振動數(shù)值，驅(qū)動端為5.5mm/s、非驅(qū)動端為5.8mm/s，經(jīng)振動頻譜分析并結(jié)合工藝參數(shù)和現(xiàn)場實(shí)際情況開展根本原因分析，診斷該離心泵存在氣蝕現(xiàn)象，泵內(nèi)部口環(huán)有輕微磨損，兩端軸承狀態(tài)良好，在監(jiān)控下可長期運(yùn)行。查閱該泵歷史檢修記錄，這種狀態(tài)下該泵拆卸檢查無明顯機(jī)械故障。因此，參照ISO 10816-3《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動》[3-5]，判斷該泵振動(警報(bào)/聯(lián)鎖)設(shè)定值過于謹(jǐn)慎，對其進(jìn)行變更管理，將振動(警報(bào)/聯(lián)鎖)值分別變更為6 mm/s 、9mm/s。

貧砜胺液泵P-070601-2A振動報(bào)警、聯(lián)鎖值變更后，能夠保持壓力、流量平穩(wěn)運(yùn)行，且經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后兩端軸承振動降為4.5mm/s左右，如圖3所示。通過振動監(jiān)測診斷，避免了該泵過早進(jìn)行維護(hù)，減少了維護(hù)和運(yùn)營成本。

圖3 低壓貧砜胺液泵P-070601-2A振動數(shù)據(jù)趨勢

3.2 尾氣風(fēng)機(jī)軸承箱振動偏高跟蹤處理

尾氣風(fēng)機(jī)KT-070901-3A用于向尾氣灼燒爐提供助燃空氣。進(jìn)行周期性振動監(jiān)測時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承箱驅(qū)動端軸向測點(diǎn)振動速度值超過4mm/s，查閱該風(fēng)機(jī)歷史數(shù)據(jù)，正常運(yùn)行振動值約1mm/s。經(jīng)振動分析，頻譜頻率成分為1倍轉(zhuǎn)頻及其倍頻，可見旋轉(zhuǎn)松動特征，針對此類懸臂式離心風(fēng)機(jī)，診斷該軸承箱滾動軸承磨損致軸承游隙擴(kuò)大，在監(jiān)控下可繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。結(jié)合持續(xù)跟蹤監(jiān)測情況，利用風(fēng)機(jī)臨停機(jī)會進(jìn)行檢修，證實(shí)該軸承箱驅(qū)動端軸承6215/C3內(nèi)、外圈滾道存在明顯磨損，如圖4所示。尾氣風(fēng)機(jī)經(jīng)更換軸承處理后，啟機(jī)運(yùn)行振動監(jiān)測驅(qū)動端軸向測點(diǎn)振動值0.9 mm/s，恢復(fù)正常。

圖4 軸承內(nèi)、外圈滾道存在明顯磨損

3.3 半貧砜胺液泵透平升速啟機(jī)共振

現(xiàn)場啟動半貧砜胺液泵透平進(jìn)行調(diào)試，振動監(jiān)測發(fā)現(xiàn)3臺半貧液泵透平轉(zhuǎn)速在1800rpm左右均表現(xiàn)共振現(xiàn)象，其中一臺半貧砜胺液泵透平振動值超過100μm，另外兩臺分別為54μm和72μm，而透平振動報(bào)警值是64μm，聯(lián)鎖值是100μm，導(dǎo)致該透平無法啟運(yùn)達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速。經(jīng)振動分析頻譜頻率成分為1倍轉(zhuǎn)頻及其倍頻，與汽輪機(jī)葉輪激振頻率發(fā)生共振，振動值最大的透平驅(qū)動端軸承垂直方向振動沖擊明顯高于其他兩臺。經(jīng)過根本原因分析，診斷該透平驅(qū)動端軸瓦間隙過大，導(dǎo)致支承剛度偏低，共振效應(yīng)被顯著放大。經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)該透平驅(qū)動端軸瓦間隙為0.35mm，而正常間隙值為0.185mm —0.25mm，經(jīng)更換軸瓦后啟機(jī)成功。

從以上實(shí)際案例可以看出，通過周期性的狀態(tài)監(jiān)測，能夠較為及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)泵早期故障，經(jīng)過對機(jī)泵故障進(jìn)行根本原因分析，能夠指導(dǎo)機(jī)泵的運(yùn)行管理及檢維修工作[7-9]，在滿足工藝穩(wěn)定運(yùn)行的條件下避免對機(jī)泵的早期維修和過度維修，提高了機(jī)泵運(yùn)行可靠性。

4 持續(xù)提升機(jī)泵振動監(jiān)測

4.1 開展機(jī)泵振動故障核實(shí)驗(yàn)證工作

跟蹤振動監(jiān)測發(fā)現(xiàn)故障問題機(jī)泵的檢修，用故障機(jī)泵拆檢暴露出的故障問題來核實(shí)驗(yàn)證振動監(jiān)測分析的診斷，完善到機(jī)泵振動監(jiān)測報(bào)告內(nèi)容中。

4.2 引進(jìn)機(jī)泵預(yù)知性智能維護(hù)系統(tǒng)

僅依賴于振動分析師定期對機(jī)泵進(jìn)行振動監(jiān)測巡檢，憑借經(jīng)驗(yàn)判斷機(jī)泵故障原因及部位，由于機(jī)泵數(shù)量極大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足機(jī)泵分析診斷的需求，往往會造成不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)泵故障；同時(shí)作為高含硫天然氣項(xiàng)目，機(jī)泵振動監(jiān)測人員長期在高風(fēng)險(xiǎn)的裝置區(qū)作業(yè)，增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。

引進(jìn)機(jī)泵預(yù)知性智能維護(hù)系統(tǒng)指導(dǎo)現(xiàn)場機(jī)泵運(yùn)行維護(hù)管理能夠做到對大量機(jī)泵進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，相對于依靠振動分析師定期對機(jī)泵逐臺進(jìn)行振動監(jiān)測巡檢，既減少了人員長時(shí)間暴露于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)泵的狀態(tài)監(jiān)測也更加全面[10-12]。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，可優(yōu)先選擇部分各具代表性的機(jī)泵安裝傳感器，測試機(jī)泵預(yù)知性智能維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行效果并收集機(jī)泵故障模型。

5 總結(jié)

通過開展基于振動監(jiān)測的機(jī)泵預(yù)知性維護(hù)優(yōu)化管理，實(shí)現(xiàn)了對項(xiàng)目機(jī)泵類動設(shè)備的振動監(jiān)測動態(tài)管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理異常機(jī)泵，實(shí)現(xiàn)了提高機(jī)泵完好率到99% 以上，解決了蒸汽透平驅(qū)動泵長期不能投用，機(jī)泵故障率高的問題，促進(jìn)了高含硫天然氣項(xiàng)目機(jī)泵的穩(wěn)定安全運(yùn)行。通過開展機(jī)泵的振動監(jiān)測動態(tài)管理與機(jī)泵運(yùn)行、維護(hù)、更新相結(jié)合，探索創(chuàng)新高含硫天然氣項(xiàng)目機(jī)泵管理模式，形成具體管理程序指導(dǎo)機(jī)泵運(yùn)行維護(hù)管理工作。