管道机泵在线状态监测和故障诊断系统的应用与实践

特约撰稿人：管道储运有限公司天津输油处 张静辉 姜增刚

天津输油处是中石化管道储运有限公司下属机构，地处天津市滨海新区，是华北地区重要的原油输转中心，现管辖津京冀地区600公里管线和1千万方的原油储罐。沿线设天津输油站、廊坊输油站、燕山输油站、汉沽输油站、塘沽油库、天津商储库、实华商储库等7个站库和1个A类抢维修队。塘沽油库是本项目试点单位，库内有78万方储罐、7套输油泵机组，属于管道储运有限公司大型站库。抢维修队是全处设备管理部门和维修单位，设5个专业分队，其中机修分队是本项目主要实施团队，整个项目由抢维修队牵头协调组织。

项目背景

随着国内外输油管道在物联网、大数据、智能制造等政策牵引与技术发展下，为设备管理工作也带来了挑战并提出新的要求。根据中石化智能化管线管理系统的建设目标和思路，天津处在塘沽油库7台输油泵机组引入机泵状态监测与故障诊断系统，用信息技术手段实现输油泵机组管理的可视化、智能化、数字化，实践设备维修从计划维修、故障维修逐步过渡到预知性维修和“设备全寿命周期”管理。

1.研究目标

通过引入机泵状态监测与故障诊断系统，进一步完善输油泵站数据感知建设，实现设备故障智能预警、故障智能评估、故障智能诊断为一体的设备域系统平台，最终建立以状态监测与故障诊断技术为基础的设备预知性维护维修管理体系。

2.系统开发应用的必要性和可行性

目前站库借助SCADA生产控制系统判断设备工状，完成输油调度操作，由于对振动和温度参数分析挖掘得不够，不能完全解析参数内涵，形成设备安全隐患。因为设备故障在报警之前就有征兆，只是我们没有发现。如何查找设备故障源与避免故障进一步恶化，仅依靠目前的设备管理模式和手段是难于做到的。基层生产单位迫切需要我们创新管理方式，用信息化手段再造设备管理流程，实现设备预知性维护维修管理。

机泵设备是管道输油的关键环节，实现机泵设备智能化管理与控制是建设智能管线的重要基础内容，它可以为管道输油安全与高效运行提供保障，同时为管道输油设备创新管理提供抓手，因此，在塘沽油库试点机泵状态监测与故障诊断系统，得到天津处和塘沽油库相关部门和领导的大力支持。天津处是天津市设备管理协会常务理事单位，近几年一直推行TnPM管理，实践“设备全寿命周期管理”，因此状态监测项目在天津处有推行管理和技术的基础；抢维修队是公司实行“管维一体”运作模式的维修单位，在项目实施上抢维修队有对应机构及人员支撑，这些条件为本项目的开发与应用提供了良好的外部环境。

成果现状及内涵

进入互联网时代，中石化在炼化企业逐步建立总公司、公司、厂三级的状态监测机构，全面开展状态监测与故障诊断工作。以九江石化为代表的智能工厂，全面引入状态监测与故障诊断系统，发展以状态监测为基础的预知性维修体制的管理理念深入设备管理核心，并已获得可观的经济效益。

状态监测与故障诊断技术以现代科学中的系统论、控制论、可靠性理论、失效理论、信息论为理论基础，结合监测对象的特殊性，有针对性地对设备运行参数进行连续监测，对设备运行状态做出实时评估，对可能发生的故障进行分析、预报，对已经或正在发生的故障进行分析、判断，以确定故障的性质、类别、程度、部位及趋势，对设备正常运行和合理检修提供准确的依据。

平台搭建与系统开发

根据天津处设备管理的需求和存在的问题，进行现场调研、无线网络信号测试和技术沟通，于2016年8月由项目组提交可行性研究报告与施工方案，着手进行平台搭建和系统的开发部署。

1.平台搭建

为了不对正常输油生产造成影响，抢维修队、油库和厂家技术人员多次到现场沟通，对测试位置和硬件的安装位置进行严格把控，既满足监测条件，又要保证输油安全运行。下图是安装区域。

7台泵均为双支撑离心泵，设备结构简图及新增测点类型、数量和安装位置如下图所示，其中振动测量采用IEPE 压电式加速度传感器，轴承表面温度测量采用三线制PT100 温度传感器。

实施过程由抢维修队直接操作，油库技术人员现场监护。传输通道通过Mesh 无线网接入公司局域网。服务器安装在塘沽油库信息机房指定位置，最后组成系统网络结构见下图。

2.系统开发

由于我们管道输油通常采用机泵冷备方式，在线状态监测在长输管道输送技术上的应用尚属先例，因此，试点工作参照炼化企业的大机组状态监测与故障诊断系统，针对管道输油特点来设计软件界面。系统架构如下：

诊断案例

1.联轴器不对中故障

诊断分析：2016年11月6日外输4#泵启动后，振动较2016年10月22日停机前有明显增大，主要能量变化表现为1X、2X、3X频，且主要能量集中在2X、3X频，如图1、2所示。

图1 外输4#泵故障电机振动趋势图

图2 外输4#泵电机故障驱动端波形频谱图

诊断结果：电机驱动端存在联轴器不对中故障，建议在合适机会（目前设备在用）停机，进行现场对中调整。联轴器不对中会导致轴承、密封件、轴和联轴器的过早损坏以及高能源损耗的问题。

故障处理过程及结果：2016年11月8日抢维修队到现场进行对中处理后，电机驱动端振动由检修前的2．4mm/s下降至0．6mm/s，能量变化以1X 频及其谐波为主；从振动能量的变化可见，联轴器的对中故障得到解决，如图3、4所示。

图3 外输4#泵处理后电机驱动端运行趋势图

图4 外输4#泵处理后电机驱动端波形频谱图

2.止推轴承跑圈故障

诊断分析：2016年11月6日的诊断分析报告中，指出外输4#泵自由端轴承振动中出现明显谐波，包络中地脚能量明显抬高，振动烈度及峰值有所波动并上升，但数值总体较小，从速度谱及包络谱上看，振动的主要频率成分为248．8Hz及其谐波，此频率刚好和轴承外环故障频率与叶片通过频率5P接近，因此判断自由端轴承的润滑不良，见图5。

图5 外输4#泵自由端加速度包络波形频谱图（2016年11月6日）

2017年4月8日的诊断分析报告中，进一步明确自由端轴承可能存在内、外圈松动和轴承间隙过大等故障，见图6。

图6 外输4#泵加速度包络波形频谱图（2017年4月5日）

故障处理过程及结果：2017年4月13日抢维修队到现场检修，检查发现泵自由端止推轴承有跑圈故障，更换轴承后，于4月17日开机，轴承外圈特征故障频率值明显减少，见图7。

图7 外输4#泵更换轴承后加速度包络波形频谱图

3.轴承杂物进入故障

诊断分析：2017年4月13日外输3#泵启动后，泵自由端的振动较高，最高振动为5．07mm/s，超过高报的4．5mm/s，频谱能量以0．2X左右低频信号为主，见图8、9。

图8 外输3#泵自由端振动烈度趋势图

图9 外输3#泵自由端振动速度波形频谱图

故障结论：诊断认为，存在轴承润滑不良、杂物进入等故障。轴承有杂质进入的故障如不及时清洗，则会影响润滑脂的性质，进一步加剧轴承磨损，导致轴承表面的金属剥落，问题严重时则要更换轴承，建议清洗或更换轴承。

故障处理过程及结果：抢维修队对该轴承进行了清洗并于2017年5月7日开机启泵。开机后振动在4．5 mm/s左右，并逐渐降低至3．5 mm/s左右波动，与检修前相比，频谱中0．2X左右的低频能量消失，轴承状态比检修前有明显改善，见图10、11。

图10 外输3#泵自由端检修后振动烈度趋势图

图11 外输3#泵自由端检修后波形频谱图

4.叶片通过频率普遍偏高

诊断分析：2016年10月～ 2017年5月初多次诊断分析过程中，发现给油1#泵、给油2#泵、外输3#泵、外输4#泵自由端和驱动端的振动烈度均在报警值的范围内波动，可能振动波动与输油介质的变化有关，但在波形频谱图中有占总振能量值较大比例的5X、6X及其倍频的叶片通过频率，诊断结果为叶片通过频率有偏高的现象。

图12 给油1#泵自由端波形频谱图

图13 给油2#泵自由端波形频谱图

图14 外输3#泵自由端波形频谱图

图15 外输4#泵自由端波形频谱图

诊断结论：叶片通过频率变化受介质压力、流量等参数变化的影响较大，产生原因有叶片偏心、转子相对于蜗壳的位置不当、叶片与蜗壳的设计选型不当等。该问题的长期存在将使叶轮产生较大的偏心力，从而引起轴承的偏载，该偏载将加大轴承的磨损与轴承温度的升高，进而造成轴承的非正常摩擦、疲劳脱落、游隙变大、内外圈跑圈等故障。

问题处置措施：基于该问题的普遍存在且较为复杂，但不影响机泵正常运行，建议进一步观察积累包括振动、压力、流量等健康数据，以作为后续机泵改进的依据。

5.外输2#泵机组检修结果评估

诊断分析及结论：塘沽油库外输2#泵机组为提高扬程进行更换叶轮，于2017年4月29日开始启动工作，通过趋势图诊断4月29日～ 5月2日，泵和电机自由端和驱动端轴承的振动烈度在0．58～3．12mm/s之间，振动相对平稳，未出现较大波动见图16。通过包络频谱图诊断，除存在与其它泵共性的叶片通过频率5X较高，需进一步现场反馈确认外，其它未出现的故障频率见图17，另外通过现场也对诊断结果和外输2#泵的运行情况作进一步确认，印证了外输2#泵机组检修后处于良好状态。

图16 外输2#泵振动烈度趋势图

图17 外输2#泵包络波形频谱图

6.外输4#泵机组的振动烈度误报

诊断分析及结论：2016年11月8日11:30，生产控制SCADA系统显示，外输4#泵驱动端振动烈度值达到20mm/s，超出停机报警值，因现场情况不明确，为保证安全生产、避免出现事故，采取紧急停机的措施，处理检查驱动端振动烈度突然增大的原因。通过关键机泵状态监测与故障诊断系统，调出外输4#泵机组11月3 ～ 9日数据，振动烈度均在正常范围内，且振动整体较为平稳，未出现较大波动，经过现场进一步确认，最后给出处理建议为SCADA系统显示外输4#泵驱动端振动烈度突然增大，是该系统误报导致，与设备本身并无关联，外输4#泵机组可以启机运行。

图18 外输4#泵11月3～9日振动趋势图

由于在短时间内排查到故障原因，避免长时间停机对生产的影响，因此挽回了损失。

7.健康状态评估

健康诊断及建议：自2016年10月平台搭建完成并上线应用以来，所提供的健康评估周报及月报显示，给油1#泵、2#泵、3#泵一直健康运行，尽管2#给油泵运行时间已达到规定的大修时间，但根据实际运行数据观察，建议延迟计划维修。

取得管理效果

天津处在塘沽油库输油泵机组开展状态监测与故障诊断系统的应用与实践以来，从输油泵机组的故障诊断水平和管理方式方面都带来显著变化，并取得实际应用效果，做到精确诊断、精准维修、及时验证，同时创新设备管理体系并促进设备域一体化管理平台的建立。

1.提高故障诊断水平、完善诊断管理机制

塘沽油库员工借助机泵在线状态监测技术手段，很大程度上促进了设备管理方式的转变。设备技术员在现场日常设备定期巡检时，如遇到设备异常状况，可以随时借助平台完成输油泵机组现场诊断，塘沽油库将异常输油泵机组和现场初步诊断报告天津处抢维修队，抢维修队根据现场初步判断进一步核实异常状态严重程度，再通过厂家远程诊断确认异常状况。依据诊断结果来确定输油泵机组运行维修方案，是在线调理，还是停机维修或是继续运行。从而形成塘沽油库现场诊断、抢维修队实施维修、供应商技术支持，三级设备诊断管理模式，实现了精确诊断、精准维修，有效避免设备问题由小变大，故障由轻变重等问题。

2.建立预知性维修方式、促进设备域一体化管理

天津处通过状态监测与故障诊断平台的应用与实践，初步建立状态监测、异常预警、故障诊断、故障反馈、现场确认、定制维修方案、检维修效果评估、设备运行建议等一系列设备管理措施，设备维修从计划维修、事后维修逐步过渡到预知性维修方式上来。由于机泵在线状态监测和故障诊断系统搭建时，考虑与相关设备管理系统的融合与接口，在完善设备管理系统的基础上，通过建立标准数据格式，实现SCADA系统、EAM系统、TnPM系统和状态监测与故障诊断系统集成，打破数据孤岛，整合各业务系统数据，因此为设备域一体化管理平台也提供数据支撑，并逐步向机泵设备“全寿命周期”完整性管理深层迈进。

3.提高设备安全系数、增加企业经济效益

塘沽油库自系统平台搭建应用以来，我们已掌握塘沽油库在用的6套机组的运行状态数据，累计提交输油泵机组诊断评估报告21次、突发或临时诊断评估报告6次，试点期间效果显著，避免了机械密封、轴承、泵轴等的损坏，维修成本消耗大幅减少。4#外输泵的运行时间远高于其它外输泵机组；3台给油泵运行时间不均衡等健康诊断提示：在优化输油运行和均衡生产方面还有改进和增效的空间。由于提前预知故障所在，避免隐患扩大化，减少设备安全事故。

结语

当前中石化总部把工业化和信息化的“两化”深度融合，当作未来发展的重要抓手和推动力，并写入年度工作报告，其宗旨就是以信息化提升管理和经营的水平。机泵状态监测与故障诊断系统的应用与实践，正是在这个大环境应运而生，其更深层的技术含义是深度挖掘设备的历史数据，进行关联分析和差异化分析，这就为今后智能化管道系统通过工业大数据分析、为优化输油运行奠定基础。项目组下一步的工作重点是进一步完善故障智能诊断功能，建立标准故障诊断数据库，使系统更趋完善，管理更加高效，并逐步在各站库推广应用。