浅谈应力波检测技术在聚烯烃造粒机组故障诊断中的应用研究

张燕

（大庆石化公司塑料厂，黑龙江 大庆 163714）

大型造粒机组是某聚烯烃装置的核心设备，为进口日本制钢生产的大型设备，设备功率为2500kW，以往多次出现故障导致生产装置长期停车，造成较大经济损失。因此，在机组的设备管理维护中，急需有效的现代化设备状态监测手段，提前发现设备故障隐患。应力波是一种超声波能量脉冲，当应力波传感器适当固定在实心物体上时，只对通过其底部传递到压电晶体的高频内部激波敏感，频率范围窄，频率响应好。设备内部金属体发生周期性和随机性摩擦及冲击时，引发的早期故障的特征信号大多集中在36000～40000Hz频率范围内，故应力波传感器非常适合机械部件表面的微小缺陷的检测，适合机械部件的早期故障诊断。本文主要描述了应力波状态监测系统在某聚烯烃大型造粒机组故障诊断中的应用实践，详述了应力波状态监测系统的构成及现场安装调试过程、应用分析方法和应用效果验证。

1 应力波状态监测系统的组成及原理

应力波状态监测系统的组成主要由应力波传感器、数据采集箱、服务器及分析软件四部分组成。应力波传感器部署在现场设备上，感知设备内部的应力波变化。数据采集箱部署于现场设备表面，用于汇集和处理现场各应力波传感器的数据信息。分析软件部署在中心控制室或者技术人员办公室，用于诊断分析和处理多个数据采集箱汇聚的设备状态监测信息（如图1）。

图1 应力波监测系统原理图

2 安装及调试

2.1 现场安装及调试步骤

（1）根据设备结构选定应力波传感器安装位置，并进行安装；（2）安装数据采集箱，并将采集传感器数据通过MODBUS TCP协议经以太网和外部的控制系统实现信息通信引入服务器；（3）在服务器中安装分析软件系统，服务器和数据采集箱各分配静态的IP地址，通过TCP/IP协议基于以太网网络实现与现场设备通讯；（4）在分析系统软件中，对报警参数、刷新时间、多通道监测等进行配置，完成基于SSH的系统配置管理的远程用户分配工作。

2.2 设备故障频率分析表

根据所监测的设备各部件的参数，计算出该设备在正常运行转数条件下，齿轮及轴承各部位的故障频率分析表（如表1），在设备状态频谱分析中，可以对特定频率表现进行判断，能够准确查找故障部位。

表1 750rpm状态下设备部件故障频率分析表

3 应用诊断案例

2020年11月24日，造粒机组应力波状态监测系统发出报警，技术人员立即对监测系统数据进行分析。在分析软件中应力波分析方法主要有应力波能量分析、振幅直方图分析以及FFT频谱分析等。

3.1 应力波能量分析

打开应力波能量图趋势，发现机组输入轴监测点应力波能量出现明显上涨趋势，并且超过报警线，触发应力波能量报警（如图2），提示设备输入轴部分有故障隐患。

图2 应力波能量图

3.2 振幅直方图分析

在如下振幅直方图（图3）中的横坐标为设备运行中每个摩擦撞击事件产生脉冲能量的峰值，纵坐标为设备运行中摩擦撞击事件发生的数量。在机械设备出现故障产生异常摩擦和撞击问题时，会有较多的高振幅摩擦撞击事件发生，因此，在图3上就会表现出一个更宽泛的分布情形，具体形态上表现为非对称图形。而在设备处于较好工况时，图像分布表现为较窄的正态分布曲线，并且这个曲线位于左侧电压低值部分。在此次机组监测的直方图中，明显看到右侧出现不对称情况，有明显问题存在。

图3 应力波振幅直方图

3.3 FFT频谱分析

在FFT频谱分析图（图4）上看到有77.5HZ的异常频率，与表1中各部件故障频率进行对比，恰好与机组输入轴上型号为22348的轴承外环故障频率相吻合，由此判断为输入轴轴承外环大概率存在故障问题。

图4 FFT频谱分析图

3.4 设备解体验证

根据应力波监测系统数据分析情况，组织对此设备进行了拆检，在拆检中发现，机组主减速器输入轴型号为22348的支撑轴承外环内表面出现直径8mm的剥落坑（如图5），损坏较为严重。

图5 轴承外环内表面损坏情况

上述解体验证的结果与应力波状态监测分析的结论完全一致，表明应力波状态系统对于此设备故障特征识别的有效性。

由于发现及时未造成设备其他严重损坏事故，短时间内完成了轴承更换作业并恢复了生产。

4 结语

应力波监测系统在聚烯烃装置造粒机组已经稳定运行一年，期间触发2次监控报警，经拆检确认设备均有早期故障，并得到了及时处理，避免了大机组严重故障造成的装置长期停车事故，保证了装置的平稳生产，创造了巨大的经济效益，同时，也为同类装置在设备状态监测技术应用实践提供了参考。