化工机械设备状态的诊断与分析

刘光虎(宁波卓安石化技术服务有限公司，浙江 宁波 315207)

1 化工机械设备概述

相比于其他机械设备，化工机械设备必须能够适应化工产品生产环境，比如：高温、低温、低压、爆炸和腐蚀等环境，不仅要能够满足连续运转的机械强度，同时机械自身要具有良好的抗腐蚀性能。化工设备工作中通常涉及到各种能量的转化，比如：热能、机械能、电磁能等能量的转换，需要的机械设备种类很多。

化工机械设备根据设备使用情况可分为静设备、动设备以及带运动的静设备三类。静设备包括反应器、换热器以及塔器；动设备包含了各种泵、压缩机以及离心机；另一类为带搅拌的反应釜。根据设备使用压力可分为常压设备、负压设备、承压设备(压力容器)。根据设备的原理及作用又可以分为：(1)化学反应类设备，比如：反应釜、不锈钢反应罐，搪玻璃开始反应罐等；(2)换热设备，比如：各种加热器、冷却器、蒸发器、干燥设备以及结晶设备；(3)比如翅片式换热器、盘式干燥机；(4)还有分离设备，如：离心机、压滤机、膜分离以及过滤器等。

2 化工机械设备状态诊断与分析的意义

2.1 进行安全隐患排查

由于化工生产产品的特殊性，一旦发生泄漏及爆炸事故，将会对社会及经济造成较大的影响。在实际生产中会出现许多不安全因素，造成机器部件失效，影响整个系统正常运转，还会导致其他事故发生引发人员伤亡和财产损失。另外，由于操作不当或者检修时未及时发现问题也引起严重后果。对于企业来说，最直接有效方法就是加强自身管理水平提高工作效率，必须重视机械设备状态监测与维修维护的重要性。通过故障诊断技术快速准确地找出导致化工机械设备性能下降甚至停机的主要因素，及时发现并解决隐患问题，以确保整个系统安全可靠运行[1]。

2.2 掌握机械设备的运作状态

有些化工机械设备在生产中虽然表面状态看似正常，但有可能内部零件有所损坏，这就需要通过实时监测设备状态及时了解机械部件、零件以及生产工艺流程等状况变化。维修人员通过观察记录仪、示波器等工具检测到机械运转过程中存在哪些问题，快速找到潜在危险点和可能导致严重后果的区域，并对这些区域做出判断分析。利用计算机网络技术对企业生产过程中的设备状态进行实时监测，并通过分析结果来确定影响产品质量和性能因素，找出事故隐患发展趋势。设备状态的诊断分析与日常维护、保养等工作紧密联系，在检修期间可以根据设备运行情况，及时更换及调整零部件，在检查中发现异常现象应立即进行处理。

2.3 机械设备故障原因

通过化工机械设备的诊断与分析工作，能够诊断故障类型、故障性质，确定化工机械设备发生故障的原因，对发生故障的设备零件详细诊断，总结经验教训为日后运维提供重要参考，避免故障再次发生。机械设备使用寿命是一个重要的指标，设备性能、工作工况及维修保养决定了设备使用寿命。使用过程中由于磨损、老化等原因会造成设备内部严重的损伤，按照诊断标准确定维修周期，根据特征判断出设备当前所处状态，提出改进措施，以提高机械产品质量水平。

3 化工机械设备状态诊断和分析的方法

3.1 简易诊断技术

简易诊断技术是指使用一些简单的仪器仪表进行辅助诊断，根据设备运行的具体情况和监测仪器对设备进行分析判断故障状态。在实际中应用很普遍，它主要包括两种情况：一是直接观察和间接测试；二是通过对设备内部结构特征信息的分析来确定故障点位置以及可能发生概率与严重程度等。其优点在于简单易行，适用范围广，费用较少。简易诊断法来确定故障部位和位置、分析原因并采取相应措施，方便检修人员判断。但是这种方法也存在着一定缺点，基本是通过经验判断，很可能出现诊断错误或者结果不稳定的情况发生，需要借助专家系统或其他技术手段才能解决这些难题。简易诊断方法有听诊法、触测法等[2]。

3.1.1 听诊法

听诊法主要是指利用人体的听觉系统来获取设备运行状态信息并进行分析。化工机械设备在正常良好的运行下发出的声响是有一定的规律、平稳、无杂音，如果出现故障可能会出现一些杂音、怪音、重音或者其他异响。通常能够根据异响位置定位故障点，从而及时发现并清除故障。实际工作中听诊法还可以借助辅助工具—电子听诊器，它包括声音采集、数据处理和诊断等部分。在设备状态监测中使用到的声音传感器采集到一些特定波长或者频率信号，这些信号可以用于检测设备内部是否存在异常或故障。

3.1.2 触测法

触测法指利用人体的触觉，对设备运行中状态进行诊断和分析的方法，比如设备的外壳温度，干湿度、震动、位置之间的变化等，简单和直观就能进行初步诊断。实际工作中还可以借助辅助工具，比如触摸式测量方式，利用压力传感器或者温度传感器对被检测对象的表面进行分析，能够准确地采集并记录所要测试样本量、分析数据等信息，精度与可靠性较高，广泛应用于化工机械生产现场的测量，比如采用贴片热电偶传感器，能够准确测量元件温度。测振仪测量到状态信号，判断机械设备是否存在异常[3]。

3.2 精密诊断技术

精密设备状态诊断和分析是一种非常重要的方法，是指对设备的状态量、参数进行测量，并根据所得到的数据判断设备是否达到了预期目标，能够诊断故障类型、故障性质以及故障产生的原因等，通常具有故障预警功能。精密诊断仪器或装置比较专业和复杂，需要一定经验和专业的技术人员来操作，融合了多学科知识。随着电子技术、计算机技术等方面不断发展与进步，现代化工机械设备不断向自动化以及智能化方向发展，对设备的检测精度以及检测速度就有了更高要求，高灵敏度和精确度来保证系统正常运行及维护人员操作的可靠性。比如，基于微机检测与控制的数字信号处理技术完成对机器或仪器部件进行实时诊断、人工智能与诊断专家系统等，都属于精密诊断[4]。精密诊断技术包括油液分析技术、红外测温技术、无损检测技术、声振测试及分析技术等。

3.2.1 油液分析技术

油液分析适用于不便于振动监测的设备，比如往复机械设备。油液的流动特性主要受到两个因素影响：一是由重力作用引起液体密度差；二是在高压下产生气体与固体之间相互吸引而发生的碰撞。油液分析常用的方法有光谱分析、铁谱分析以及颗粒计数分析。铁谱分析从最初的发动机分析扩展到液压系统，齿轮涡轮传动箱以及轴承等零部件，广泛应用于在化工行业。比如大型天然气压缩机组，运行时间较长，故障率较高，通过对曲轴箱内润滑油进行取样编号之后分析金属元素浓度值，来诊断内部存在的磨损。油液分析能够对大型机械设备的零部件进行逐个诊断，比如对生锈、磨损、老化以及腐蚀情况，通过油液分析技术，相关技术人员可以根据得到的结果判断零件的使用状态，从而可以确定零件是否需要更换或者更换最佳时间。

3.2.2 红外测温技术

红外测温利用热敏元件的辐射效应，通过测量物体表面温度，将物体的红外线辐射能转化为电脑可以识别的电信号，根据温度分布图像，快速检测设备隐藏温差，从而判断设备运行情况的诊断技术。其具有操作简单、响应速度快，可实现远距测试，节省人力成本。在化工机械设备使用过程中，通常采取红外在线测量，对设备进行扫描，不同的温度代表不同的设备工况，确定化工机械设备运作的状态，并且将结果以电型号的形式展示在监控屏，这样运行人员能够快速直观地掌握化工机械设备具体的情况。

3.2.3 无损检测技术

无损检测技术就是对物体进行缺陷分析，是化工设备诊断分析常用技术，利用物质的声光磁等性质，比如：超声检测、射线探伤，光学成像法、磁粉检测、渗透检测、涡流检测等识别材料成分或设备缺陷。这种检测不会损害化工机械设备内外部结构，对被检对象进行非接触式、非接触性或电学性能等特性参数分析与评定，具有全面性及可靠性。X射线探针属于电磁感应探测手段中应用最广泛之一，具有较高的灵敏度及抗干扰能力。超声波法主要利用了超声回波信号来进行判断和判定物体是否发生位移或移动等情况，对测距具有较高的精度。红外成像法通过使用不同颜色对光强度、温度、密度值以及形状尺寸大小，检测与判别化工机械设备状态，并将所得出结果反馈给计算机处理，在化工机械设备状态诊断中应用越来越多[5]。

3.2.4 声、振测试及其分析技术

声、振速和噪声是相互联系的，声音是由振动产生，振动时也被称为声波。在化工机械设备运行中，声音和振动都与其运行工况息息相关。声源分成两个部分进行分析：一是通过波束向周围环境传递信息，声音在不同介质中传播时产生能量衰减而引起振动频率变化；二是其他物质对其反射或者震动形成了一种特殊波束形式接收其传递能量信息，在外界环境中对被测物体产生影响的作用力和振动方向加以控制而发出声音信号，这样便构成了一个完整的系统。可以通过测量声波与被测物体之间的振动，来判断设备性能产生的影响，进而诊断是否存在设备缺陷或者需要修复。声、振测试及其分析技术在诊断和评定化工机械设备的动态性能方面，以及维修质量方面具有一定的权威性，应用效果得到认可。

3.2.5 功率谱分析技术

功率谱是一种无源的分析方法，用于检测设备状态。当机器发生故障时，会产生大量能量消耗和损耗。这些耗损包括机械部件、电学元件以及电气系统中所使用到的材料等造成了磨损，而其中某些零部件也可能因为某种原因导致损坏或老化问题出现从而引起不必要损失增加。功率谱由山状谱、线状谱和随机谱三种频结构组成。在实际工作过程当中，由于各种外界因素影响下的情况比较复杂，例如：天气变化、温度高低不均等会对设备状态诊断带来一定程度上不利因素。通常情况下故障类型为非正常工作、无异常工况和有异常部件三个部分，而在这三种情形中只有少数会出现不稳定或波动性较大以及是由于设备本身缺陷等因素造成。

4 设备状态在线监测诊断系统

化工机械设备状态在线监测诊断主要是由硬件设备平台和软件体系架构两部分组成，前者包括了传感器、射频识别器、通信接口等，后者包括监控中心服务器。利用现代计算机的网络通讯、智能传感、数字化测量等设备完成数据收集并转换成可识别的信息，保证了故障诊断结果可靠性和准确性。对企业生产工艺环节中的重要环节进行实时监测，通过信息化手段将监测值传递到数据中台进行实时分析，对某项监测指标存在异常时系统发送告警提醒，及时通知相关作业人员巡检处理。另外，还可以与其他智能互联设备进行联动，及时控制上下游设备运转状态，满足企业对生产环节中的监测以及控制需求，实现自动化数据分析和监控，增加企业生产效益。

系统总体构架主要由四个模块组成，分别是数据采集、设备状态检测、故障预警以及历史记录。其中，数据采集包括传感器的信号处理以及显示装置的数字化。仪器状态监测分为三个方面：声光报警器故障诊断电路、时钟闪烁模拟电路以及电源开关等功能进行监控管理与维护操作。软件部分首先进行界面设计，需要考虑输入输出格式、数据类型以及输入值等信息是否符合要求，其次要对数据库中存储的文件及属性信息进行定义。化工机械设备状态在线监测诊断不仅能够准确地获取相关数据指标参数值，还可以有效避免人为因素干扰和影响安全监测系统正常运行。

5 结语

化工机械设备的状态诊断与分析是为了判断出生产过程中可能存在的故障，然后采取针对性的改善措施，以达到安全、可靠和经济运行，维护机器产品正常工作。化工机械设备的诊断与分析是一项综合性工作，相比于其他机械，涉及到更多的能量转换形式，工况也较为复杂，在实际生产过程中需要加强状态诊断与监测并及时采取有效措施，从而保证生产的安全稳定。