长输管道输油泵离线监测与诊断关键技术研究及应用.pdf

2023年第3期29小原术长输管道输油泵离线监测与诊断关键技术研究及应用马宏军（国家管网集团西部管道公司生产技术服务中心，新疆830010)摘要：随着长输管道离心输油泵机组运行时间增长，输油泵机组疑难故障层出不穷，尤其是多倍频故障特征和滚动轴承故障持续增加，使用常规故障诊断方法进行常见故障的图谱比对已显得越来越不适应故障的精确诊断业务。通过离线监测手段，对倍频特征频谱故障特性进行研究，找到了精确诊断轴承跑圈、转子不平衡和流体不均匀激振等故障的方法。对轴承加速度峰值（冲击脉冲）故障特征进行研究，找出了快速诊断滚动轴承故障的方法。关键词：输油泵离心泵倍频冲击脉冲轴承中图分类号：TH311文献标识码：A西部管道公司所辖A类输油泵机组2 0 6 台套，泵型包括单级双吸泵、多级泵、立式筒带泵等主流泵型，机组最大额定功率达2 40 0 kW。原油单级双吸泵（ZLMIP530/06）结构如图1所示。高低压腔是通过泵体口环和叶轮口环形成的间隙实现密封。双吸叶轮在理想情况下可以消除轴向力，但存在铸造和加工误差。扩压器作为速度能转化为静压能的关键部件，安装在叶轮外部，由外部止口进行轴向定位，边缘有软密封阻止高压介质向低压侧泄漏。泵轴机械密封冲洗方式为API-PLAN11/61。成品油单级双吸泵结构如图2 所示。壳体部分为双蜗壳设计平衡径向力，通过对称设计，等间隙的隔舌平衡径向力。叶轮为双吸交错叶片，保证低汽蚀余量、低振动和平稳运行。叶轮通过轴肩和开口卡环正向固定在轴上。轴承为套筒径向轴承和球推力轴承。泵轴机械密封冲洗方式为API-PLAN31/75。1输油泵机组状态监测和诊断基本情况西部管道公司一直重视开展机组状态监测工图1原油单级双吸泵结构2023年第3期30小原极术图2成品油单级双吸泵结构作，力求早发现故障、实现精准预测，避免事后维修和过度维修。自2 0 1 0 年自主开展输油泵离线状态监测业务以来，累计监测输油泵机组59 0 台次，提出整改建议和意见50 余项，及时发现影响输油泵安全运行的潜在故障1 0 余项，均在整改过程中验证了准确性。1.1遵循的标准设备状态监测和故障诊断实质上是分析诊断技术的综合运用，无通用、统一的技术规程，但可以应用的评价标准非常多，与泵机组相关的标准如表1所示。1.2硬件及功能使用离线监测设备进行现场振动数据采集，然后将采集的数据导入专用软件系统进行分析诊断。分析诊断系统可将采集的振动数据进行计算和转换，形成时域波形、频谱图、瀑布图和级联全频谱；冲击脉冲采集功能可记录滚动轴承的脉冲冲击值；瞬态重放功能可记录机组启动过程。表1旋转机械评价标准序号标准号标准名称备注石油化工旋转机械ISO2372的升级版，1IS0 10816-1992振动标准采用2SHS.01003-20044旋转机械振动标准石油化工旋转机械3ISO2372同IS010816振动标准泵的振动测量和评4JB/T 8097-1999价方法振动、轴位移和轴5API 670承温度监视系统6冲击脉冲评价原则1.3测点布置离心输油泵机组包括驱动机（一般为电动机）和泵体，现场振动监测点位置设置如图3所示，将电机和泵最接近于轴承的部位设置为测点位置。测点位置与探头接触必须可靠牢固，且具有较大刚性，确保监测到真实的振动信号。对于周期性离线监测，测点位置需做标记，确保监测的振动信号具有可比性。每个测点均测量水平、垂直、轴向三个方向的振动数据，便于比对和精准判断故障O2关键诊断技术研究随着输油泵机组运行时间的持续增长和离线状态监测业务的不断深人，疑难故障层出不穷，尤其是多倍频故障特征和滚动轴承故障持续增加。输油泵机组性能和结构较其他介质离心泵有其特殊性，使用常用故障诊断方法、特征图谱比对方法对输油泵机组进行故障的精确诊断已显得捉襟见肘。2.1多倍频特征频谱研究2.1.1滚动轴承跑圈产生转频冲击的机理分析一般的正常轴承，都是内圈和轴过盈配合，和轴一起旋转；外圈和轴承座过盈配合，不旋转。滚动体和内外圈接触，类似行星轮一样同时自转和公转，和内外圈之间只有相对滚动，没有滑动。但实际情况会更复杂，有负载区和非负载区，轴承负载过轻会打滑摩擦。正常情况下，各部件之间（包括滚动体和内外圈之间）没有松动，就没有间隙，可以认为相互都是刚性连接的，只有受压变形。如图4所示，当轴承松动时，A、B是间隙的两个面，A是轴承座内侧或内圈内侧，B是外圈外P1P2MIM2M1-电机非驱动端M2-电机驱动端P1-泵驱动端P2-泵非驱动端图3现场振动监测点设置2023年第3期31小原枝术离心力重力图4轴承跑圈示意图侧或轴表面。把轴承和与它正常刚性连接的部件一起看作一个整体，小圈是离心力旋转到各个角度的示意图。B本身产生两个力：重力，方向始终向下；不平衡产生的离心力，方向是36 0 不断旋转。假设转子顺时针旋转，在旋转的过程中：离心力向下时，B在最下边与A接触；离心力向左时，B向左向上偏，与A保持接触；离心力向上时，由于它比重力小很多，B接触不到A顶部，还是在左侧某个角度的位置；离心力开始向右偏以后，就会把B往右侧拉开，脱离A，并在右侧某个位置落下，重新与A接触并产生一次撞击，然后在右侧保持接触，转到下边。轴承每转一圈重复一次上述过程，并产生一次冲击，亦即转频冲击。具体的撞击角度，与转速、不平衡量与转子重量的关系、摩擦力等有关。综上所述，转频冲击的频谱就是转频的谐波，这些谐波会在部件的固有频率附近被放大。现场情况经常是转频的三倍频、四倍频或更大，说明常见设备部件（轴承座、外环、内环等）固有频率和设备转速的关系正好符合了这个比例。观察更多不同转速、不同型号的设备，这个幅值较大的谐波出现在其他倍频也是有可能的 2 。所以，诊断轴承是否出现了跑圈，主要是看转频谐波随倍频升高逐渐变大、大于某个倍频以后又变小，就可以怀疑是出现了跑圈。在加速度波形中找到转频冲击频谱就可以确定是跑圈。2.1.2流体动力激振特性的研究离心泵叶轮对流体做功，产生水力学力。流体动力激振所产生的叶片通过频率（即叶片频率）通常用下列方程式计算：BPF（叶片频率）=叶片数转速(1)叶片每通过扩压器叶片或蜗壳附近，叶片受力就产生一次承载或卸载的压力变化或脉动。比如，一个人站在空间某固定点，观察五枚叶片的泵叶轮，叶轮每转一圈，他将感觉到5个扰动力脉冲。如图5所示，如果叶轮中心与壳体中心不同心，则会产生叶片频率及其谐波频率的明显振动。比如，叶轮与扩压器间隙不均匀，一边间隙1.4mm，另一边0.6 mm，则将产生完整叶片频率提供的振动，且占主导。因此，在维修输油泵时，要关注此处间隙是否超差。在设计阶段，确保叶频或叶频谐波频率不应与转子或支承结构的自振频率相重合。否则，可能产生较大共振；如果扩压器的焊接叶片存在质量缺陷，存在结构薄弱点，其相对于叶轮稍有移位，叶片频率的振动将会大大增加 32.2滚动轴承故障特征频谱研究目前，判断滚动轴承故障有温度法、油样分析法、振动（噪声)法和频谱分析法等 4，这些方法均有其局限性，准确率较低。普通振动分析时域波形中无明显冲击信号，频谱中无明显滚动轴承故障频率。振动法关注振动总量各频率特征信息，而轴承早期故障特征频率被淹没在大量的总量频谱中，振动监视对轴承晚期故障不敏感。滚动轴承早期故障主要有疲劳裂纹、局部疲劳剥落、磨损、压痕、腐蚀等，当轴承的工作面存在这些局部缺陷时，就会以一定的通过频率产生一系列的宽频带冲击，准确捕捉和分析这些冲击信号对精确诊断滚动轴承早期缺陷具有重要意义。当出现金属对金属的撞击时，会产生应力波（见图6）。应力波和水的波纹非常相似，只是载体叶片通过频率BPF=叶片数转速2BPFBPF1X转速边带X图5流体激振原理图6应力波的产生2023年第3期32小原楼术换成了金属 5应力波有以下特点：不属于常规振动信号；持续时间短：几微秒到几毫秒；频率高（1 kHz15kHz）；应力波频率决定于质量、尺寸、接触表面等；频率越高，衰减越快（与频率平方根成正比）；物体交界处会出现较大衰减。滚动轴承内部出现疲劳剥落、磨损、划痕和裂纹等都会产生冲击应力波。应力波法就是采集和监测这些短暂的应力波，获得其峰值及出现的周期，并转换频谱进行分析。应力波法采集的波形能够反映轴承故障的严重程度，采集的频谱能够反映轴承故障的原因（见图7），相较普通振动分析能更直观地显示冲击应力波的强度和故障特征频率。因此，应力波法比普通振动分析更容易判断轴承等故障。应力波信号处理过程如下文所述。2.2.1高通滤波在通常采集到的频谱图中，高频冲击所产生的小幅值信号会淹没在由不对中、不平衡、松动和叶片通过频率等产生的幅值较高的低频信号中，这部分被淹没的信息是判断设备早期故障的重要依据。为此根据设备的不同转速以及被测试设备的不同类型选取不同频宽的滤波器，可以将高频时域波形信号拿出来单独处理。应力波是短时的瞬态事件，特点是分布频带宽。加速度传感器获得的冲击信号要进行高通滤波（1 kHz以上），把冲击引起的特征振动与诱发的常规振动信号分离开 6 ，如图8 所示。图：特征振动信号从常规振动信号中分离2.2.2包络检波处理将通过带通滤波器的时域波形信号通过包络检波器，提取周期性信号。图9 中解释了包络检波对时域波形的处理过程，通过包络检波后周期性的高频小幅值冲击信号被提取出来，这些信号通常是由轴承早期故障、转子摩擦和轴承润滑不良等原因造成的。2.2.3高速采样处理，得到峰值波形对峰值波形采样并进行傅里叶变换处理，得到冲击应力波的波形和频谱。形成时域波形和频谱后，首先判断冲击脉冲幅值是否超标，若超标，则需计算轴承各部件的故障特征频率，然后与冲击脉冲频率进行比对，可精确定位轴承的故障部位。图9包络检波对时域波形的处理过程0.80.7ROUTESPECTRUM15-APR-9907:58:170.6(PK/ue-HP1000Hz)0.5OVRALL=2.17A-DGPK=2.150.4LOAD=100.00.3RPM=869.0.2RPS=14.490.1SKF6.308F=BSF:29.5202004006008001000Frequencyin Hz16ROUTEWAVEFORM15-APR-9907:58:17(PKV/ue-HP1000Hz)10PK=2.658PK(+)-17.036PK(-)=1.74CRESTF=9.102Freq:60.630100200300400500600700800Ordr:4.185Time inmSeasSpec:.527图7冲击脉冲频率和冲击脉冲值2023年第3期33小原枝术相比其他检测分析方法，冲击脉冲应力波法具有以下优点和特点：直接感知金属冲击造成的冲击脉冲（峰值）7 ，采集冲击值大小；有针对性地测试应力波信号，例如疲劳裂缝、摩擦、磨损或故障早期的冲击，运用冲击脉冲应力波法可测量频率并同时获得准确的幅值；故障严重程度也可以进行量化，从而可设定报警值；提供早期精确的检测和诊断，有利于检修和更换轴承的计划性，降低输油泵故障率，提升输油泵机组安全可靠性。3案例分析3.1某油站P-0401泵振动超标故障P-0401泵两端轴承振动烈度均偏高，非驱动端达到4.2 mm/s，驱动端达到5.1 mm/s。进一步分析图谱，振动烈度有转频成分，最终由四倍频主导（见图1 0），加速度图谱中有明显的转频成分（见图1 1），跑圈可能性大。将此泵解体检查，发现驱动端径向轴承跑内圈，导致轴径磨损，磨损量达到0.5mm，由于轴摆动导致动静部分局部碰磨，从而验证了诊断是准确的。3.2某泵站1#泵扩压器损坏故障站控显示1#泵非驱动端振动值在4.2 4.5mm/s之间波动，监测结果与上位机基本一致，非驱动端轴承箱整体振动较高，运行声音不良。此时进站压2020/1/1317:31:424.8路径四倍频5.596 V-DGRMS=5.4583.6载荷=1 0 0.0 0转速=2 9 8 0.0(49.67 Hz)2.4转频1.20900180027003600频率/Hz频率：1 9 9.6 9阶次：4.0 2 1幅值：4.6 2 4图1 0驱动端振动频谱力为1.49 MPa，排量为2 2 0 0 m/h，出站压力为6.93MPa，在高效区。对1#泵进行离线监测，发现非驱动端轴承三个方向均超标（见图1 2、图1 3），最高至1 6.1 mm/s，0.612020/1/1317:31:42路径5.596V-DG0.5RMS=0.683载荷=1 0 0.0 00.4转速=2 9 8 0.0(49.67 Hz)0.3加速度转频成分0.20.10900180027003600频率/Hz频率：51.0 3阶次：1.0 2 7幅值：0.0 7 0 1图1 1驱动端振动加速度频谱XJSYQFGS.rmb/05/原油泵B-Y05401(大叶轮）/P2V-泵OutboardVertical2021/3/1717:46:45161路径15.31 V-DGRMS=16.1012载荷=1 0 0.0 0转速=2 9 8 0.0(49.67 Hz)840900180027003600频率/Hz频率：2 48.50阶次：5.0 0 3幅值：1 5.59图1 2P2V方向频谱XJSYQFGS.rmb/05/原油泵B-Y05401(大叶轮)/P2A-泵OutboardAxial1212021/3/1717:46:53路径12.37V-DGRMS=12.369载荷=1 0 0.0 0转速=2 9 8 0.0(49.67 Hz)630900180027003600频率/Hz频率：2 48.50阶次：5.0 0 3幅值：1 1.7 5图1 3P2A方向频谱2023年第3期34小原技术属于不合格状态。泵站前期刚更换了轴承，可排除轴承原因。从图谱来看，由五倍频主导，无一倍频成分，可排除转子不平衡和轴弯曲的原因。五倍频是叶频，怀疑扩压器可能损伤，建议开盖检查转子和扩压器。对此泵进行开盖检查过程中，发现扩压器一个叶片焊缝开裂导致撕裂缺失（见图1 4）。更换新扩压器后，启机测试，振动值恢复正常。3.3某泵站4#成品油泵异响故障4#成品油泵非驱动端轴承部位长期异响，站控显示轴承温度和振动值（0.7 mm/s）均正常，期间因异响原因切泵2 次。此泵于2 0 1 9 年8 月大修完成，至2 0 2 0 年4月累计运行2 2 8 1 小时，大修过程中更换了所有滚动轴承和滑动轴承，推力轴承由背靠背的两套7 31 5BECBM进口原装轴承组成。大修试运行期间无异响，各参数均正常。为了确认振动值，使用监测仪器测试非驱端轴承振动值（见图1 5），图谱显示振动速度1.6 6 mm/s，图1 4扩压器叶片损伤JOSYQFGS.rmb/09/成品油泵B-C09404/P2H-泵OutboardHorizontal2020/4/118:49:460.351路径1.609 V-DGRMS=1.6610.28载荷=1 0 0.0 0(s/uwj转速=2 58 0.0(43.00Hz)0.210.140.0700900180027003600频率/Hz图1 5振动频谱属于优秀状态。测取非驱动端轴承冲击脉冲值（见图1 6），图中显示冲击脉冲峰值已至2 5.6 6 gs，证明轴承内部发生严重缺陷。进一步定位轴承故障，使用轴承故障特征频率与冲击脉冲频谱进行比对，BSF代表轴承滚动体故障频率，故障频率指向轴承滚动体故障（见图1 7），立即停泵检查更换非驱动端推力轴承 8 。更换轴承过程中发现润滑油发黑，油箱底部有金属屑沉积，旧轴承滚动体表面疲劳损伤严重。更换轴承和调整轴窜后，启机测试，异音消除，运行2 小时后，推力轴承温度稳定在55左右，振动烈度值为0.9 1 1 mm/s，冲击脉冲峰值为0.619gs，数据恢复正常。3.4某泵站4#成品油泵振动故障4#成品油泵转速至2 38 0 r/min时，振动跳变JQSYQFCS.rmb/09/成品油泵B-C09404/P2P-泵OutboardHorzPeakvue2020/4/118:49:46261路径Peakvue高通2 kHz转速=2 58 0.0(43.00Hz)19.5载荷=1 0 0.0 0RMS=4.591Pk(+)=25.661.609V-DCCrest=5.588136.5000.082 0.1640.2460.328 0.41 0.4920.574 0.656 0.738 0.82频率/Hz图1 6冲击脉冲时域波形JQSYQFGS.rmb/09/成品油泵B-C09404/P2P-泵OutboardHorzPeakvue2020/4/118:49:461.251路径Peakvue高通2 kHz12.783A-DGRMS=2.7830.75载荷=1 0 0.0 0转速=2 58 0.0(43.00Hz)0.512*14*23ASKF7315BECBD-BSF0.2590.71 Hz00500100015002000频率/Hz频率：1 2 1 2.5阶次：2 8.2 0幅值：0.0 2 8 4图1 7冲击脉冲频谱及轴承部件故障频率比对2023年第3期35小原枝术频繁，驱动端和非驱动端振动同时变化，非驱动端值最高为5.4mm/s，驱动端最高为2.7 mm/s，现场声音异常，且振动大；泵转速为2 8 50 r/min左右时，振动值恢复正常，多次升降后，异音和振动无规律的出现。距上次更换轴承仅1 0 0 0 小时。离线监测4#成品油泵两端轴承振动烈度，振动烈度值均正常，与现场异音和振动无对应关系。监测非驱动端推力轴承冲击脉冲值，发现冲击脉冲值一直居高位（见图1 8），现场有异音时冲击值明显增大，且有对应关系，可断定是轴承故障。通过与滚动轴承各部件故障频率比对（见图19），可确定是轴承保持环损伤（FTF是7 31 5BECBJ轴承保持架故障频率）。更换非驱动端推力轴承，在更换过程中发现轴承箱底部有黑色磨屑，解体故障轴承，发现轴承型号为7 31 5BECBJ，其保持架（碳钢制）明显变形，导XJSYQFGS.rmb/05/成品油泵B-C05404/P2P-泵OuthoardHorzPeakvue2020/11/2511:46:2410.51无异音路径有异音，有明显的振动增大Preakyute高通2 kHz9转速=2 550.0(44.33Hz）载荷=1 0 0.0 0RMS=1.99207.5Pk(+)=10.45Cream=.5.247u64.531.5000.082 0.164 0.248 0.328 0.41 0.402 0.574 0.656 0.738 0.82时间:0.0 555t/s幅值：0.2 8 1图1 8非驱动端冲击脉冲时域XJSYQFGS.rmb/05/成品油泵B-C05404/P2P-泵OutboardHorzPeakvue0.35cccccc2020/11/2511:41:44路径Peakvue高通2 kHz0.932A-DG0.28RMS=0.932载荷=1 0 0.0 0转速=2 9 8 0.0(49.67Hz）121423A0.21SKF7315BECBJC-FTF20.46Hz0.140.070500100015002000频率/Hz频率：8 1.2 5阶次：1.6 36幅值：0.338图1 9冲击脉冲频谱及轴承部件故障频率比对致滚动体和保持架孔摩擦增大，产生了冲击和非正常磨损。更换的保持架为铜制，型号为7 31 5BECBM的新轴承。机组测试过程中，异音、振动值偏高和波动的现象均消失，振动烈度和轴承冲击脉冲值均降至正常值。4结论使用冲击脉冲应力波法可以定位或排除滚动轴承故障，而且可进一步精准定位是滚动轴承故障部位；使用频谱中的多倍频是否与叶频关联，可以精准确定或排除安装故障还是扩压器本体故障；通过分析三、四倍频共振倍增，可以将排查方向转向轴承跑圈的分析排查。精确判断和定位振动类故障，往往需要多种诊断方法综合运用。对于输油泵机组疑难故障的诊断方法，一般无标准化的操作规程或作业指导文件，往往会出现多种故障机理同时指向一种故障表象，无法确定根本原因，这就需要通过专用设备提供更加优质的分析图谱，从而确定更加明确的排查方向。多种诊断技术综合应用，再辅以丰富的旋转设备故障诊断经验，诊断的准确率将会增大，对输油泵机组预知维修和视情维修具有重大的现实意义。参考文献1肖光宇BH550诊断仪在独山子石化旋转设备故障诊断中的应用研究 D石河子：石河子大学，2 0 1 9.2李博基于振动频谱分析的电机在线监测技术 J山西冶金，2 0 1 5(2)：54-56，8 8.3段伦峰值法（PeakVue）诊断齿轮泵早期故障 J机床与液压，2 0 1 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