机泵无线监测系统在轴承故障诊断中的应用

张 哮

（中国石油大庆炼化公司检维修中心，黑龙江大庆 163000）

0 引言

炼油化工企业在日常巡检中对机泵故障判断的方法主要有设备测振和红外测温，但这两种方法很难准确地预测和分析机泵的潜在故障，存在很大的安全隐患。为了加强对企业机泵的监督管理，提高机泵运行状态和安全水平，并满足日常的生产需要，各企业应实现机泵监测全覆盖，及时发现机泵故障，实现高质量预知维修。

机泵无线监测系统是基于振动、温度、包络、加速度等相关参数，以及振动频谱分析和超标振动趋势报警等各功能的监测系统。该系统每隔5 min 采集一次现场实时温度和电源电压，30 min 采集一次现场振动值，8 h 采集一次设备频谱，实现机泵监测全覆盖的要求，在关键机泵监测的覆盖、监测及时性、预知诊断等方面发挥着关键作用。

1 机泵监测系统的优点

每日由各生产部点检工程师、状态监测人员通过包络值、加速度、频谱等分析手段，实时了解设备运行情况，及时发现设备异常的运行状态，针对各设备轴承实现快速诊断，提高设备可靠性，减少非计划停机。并且设备劣化分析和趋势预测，也从另一方面降低了关键设备的运行风险，建立设备全生命周期管理。监测系统通过设备智能预警手段不仅降低员工工作强度，优化备品配件管理，还能减少资金占用，提升设备运维效率并为维修方案的制定提供依据。未来还将不断完善设备故障自动化判断功能，减少设备维修判断和处理时间，提升设备维修效率和使用寿命，为设备维修节约成本。

2 智能预警架构

2.1 阈值预警

阈值预警的基本含义就是对设备振动设定不同层级的预警线（通用是两级），第一级是预警线（即高报阈值），第二级是报警线（即高高报阈值），当设备振动超过报警阈值即触发相应层级的报警。设备振动阈值有两种来源：一是源于国际/国家标准或企业级标准，如ISO 10816—2014 或GB/T 29531—2013《泵的振动测量与评价方法》；二是通过数据驱动计算所得，如积累大量的设备振动历史数据，经必要的数据清洗和预处理后获取可表征设备不同运行状态的振动值作为报警阈值。

2.2 趋势预警

旋转机械设备一旦发生故障，相应的振动特征值会比正常状态有一定变化，其变化程度取决于故障的严重程度。趋势增幅预警含义就是把设备正常状态下的振动值作为基准振动量，将采集到的设备实时振动与基准振动值进行对比并计算增长幅度，当增长幅度超过算法预设的报警阈值则触发增幅报警。

增幅报警结果同样具有两个层级，第一层级是增幅高报，对应趋势增长幅度较大；第二层级是增幅高高报，对应趋势增长幅度非常大。趋势增幅报警通过实时特征值与正常基准之间的增长幅度反映设备是否出现异常或故障，相较于传统阈值预警方法的优势在于，可以弥补由于工况影响或阈值设置不合理造成的漏报警和误报警，避免误报警导致的不良后果及漏报警造成的损失。

2.3 多级预警

单纯依靠设备振动值的绝对大小并不能准确地评价设备运行状态，通过设备振动绝对大小与振动趋势相对变化融合的方式，可以有效评价设备状态。智能预警提供了一种以综合的多级预警结果作为判断依据，准确评估设备实时运行状态。该智能预警架构从两大维度评价设备状态，一是设备振动绝对大小，表示设备状态的“结果”特性；二是设备振动相对趋势大小，表示设备状态的“变化”特性。

多级预警逻辑为：基于“结果”特性为主、“变化过程”特性为辅的原则，综合考虑阈值报警结果和趋势增幅和趋势增速报警结果，得出设备多级预警并进行等级划分（表1）。

表1 预警等级划分及内容

3 应用案例

3.1 给水泵轴承损伤

动力装置有锅炉6 台，额定流量为1128 m3/h；外供低压给水泵3 台，设计流量255 m3/h。本次故障给水泵机泵设备型号为SMC80（II）×（13-3），额定流量85 m3/h，2016 年10 月投产；驱动机透平机型号为B72L，额定转速2950 r/min，额定流量9.1 t/h。

2021 年3 月14 日，工作人员通过机泵监测系统发现，给水泵非驱动端加速度包络峰值增幅报警（高高报限值为200 m/s2），并且非驱动端振动值到达9.3 mm/s。联系装置设备管理人员及机械维修人员，达到现场组织切换设备并解体检查。通过监测系统发现泵非驱动端频谱以工频为主导并伴有谐波，分析该测点轴承有明显松动现象，结合包络振动频谱，发现有轴承（型号为7310BDB）的滚动体缺陷频率。在泵非驱动端加速度峰值3 月14 日凌晨有一次异常波动，3 月15 日该测点的包络峰值迅速上升至590 m/s2。

由此分析可知，透平驱动设备转速不稳定，导致轴向力变化频繁，因此给水泵长期承受来自入口侧的轴向力，泵非驱动端轴承可能已经损坏。因此建议停机检查轴承损坏情况。

3 月15 日13：40，维修人员拆卸给水泵高压端轴承后检查发现，12 个外侧轴承中有10 个滚动体出现表皮剥落现象（图1）。本次振动的主要原因为工艺调整频繁，导致出口压力高、轴向力作用持续居高不下，使轴承强度下降。建议在设备管理中加强日常维护工作，尽量稳定设备运行工况，并为工况波动提供及时、准确的切换方案。

图1 损坏的滚动体和内圈

3.2 燃料油泵磨损

燃料油泵2013 年4 月投用，为DS50-215/7（B）型多极离心泵，主要为锅炉提供燃料油供应。其输送的介质为油浆（＜100 ℃），最大扬程380 m（液柱），设计排量为25 m3/h，正常转速2950 r/min，额定功率75 kW，驱动端轴承形式为NU309。

2021 年10 月26 日巡检机泵无线监测系统时发现，机泵驱动端瞬时振动速度值达到2.803 mm/s，振动处于C 区运行。机泵的包络值和加速度振动趋势同步上涨，频谱以1×主导并且包络频谱有轴承缺陷频率。对设备解体检查后发现，轴承滚动体表面有细微沟痕，且轴承内圈表面有滚动体接触摩擦痕迹（图2）。

图2 轴承磨损情况

对本次故障原因进行分析，首先润滑油内含有细小的颗粒杂质，造成轴承滚动体的摩擦。该泵的润滑油更换周期应为半年，但实际更换较为频繁。其次，现场实际情况是，每次换油均因轴承箱润滑油颜色加深，所以增加了换油频次，同时存在轴承箱边角处的杂质冲洗不彻底的情况，进而影响设备平稳运行。最后，输送介质由于内粉尘的变化，黏度也在发生了阶段性变化，进而影响机泵运行工况，造成间歇性振动。

制定如下改进措施：①更换为合格的轴承配件；②加强设备润滑管理，要求操作人员从底部放油并手动盘车，以增加轴承内润滑油的扰动，使更换润滑油工作更彻底；③加强巡检监测，确保设备安全。

3.3 脱丙烷塔顶回流泵轴承损坏

2004 年投用的35 万吨/年气体分馏装置脱丙烷塔顶回流泵，介质为丙烯、丙烷，属于高危机泵。设备额定功率为45 kW，采用双端面机械密封，驱动机额定转速2950 r/min，联轴器端轴承型号为7311×2，非联轴器端轴承型号为6212。

查看机泵振动速度波形频谱图，发现该泵波形图呈现拍振特征，频谱以机泵的2×主导。综合分析后认为，频谱峰值较高、波动大，底脚噪声明显异常。建议机泵解体，检查联轴器侧支撑轴承是否有损伤，尤其是保持架损伤。同时怀疑联轴器对中存在问题，应检查其是否有损伤、复查是否对中。

8 月19 日解体检查，发现机泵联轴器侧轴承保持架有1 处损伤，机泵甩油环内侧磨损，机泵联轴器膜片有3 片断裂。更换损坏配件维修后，于下午15：30 切换运行，复测机泵联轴器侧水平振动为2.3 mm/s（维修前为3.8 mm/s），轴承运行无杂音、包络峰值显示为8.411 m/s2（维修前为103.5 m/s2）。因此，本次的分析诊断和维修均达到良好效果。

4 结束语

无线机泵监测系统在传感器方面采用无线+有线组合，平台软件采用微服务架构，实现灵活便捷的部署运维。并且基于机理和数据驱动模型，实现智能预警+智能诊断，系统使用门槛低，智能化水平高的特点。在可视化方面采用Web 应用+移动应用，实现用户多触点访问，平台软件具备API 标准接口，同时具有多种现场数据接入协议，实现开放的数据接入集成能力。功能方面主要以设备管理服务为支撑，采用设备集群形式集中展示设备最新运行状态，对异常设备进行智能预警。智能诊断与故障处理以智能预警、故障诊断服务为支撑，通过故障计算模型准确评估设备故障部位，匹配相应处理措施与维修建议。同时支持多设备故障概览、异常设备诊断及设备故障处理。运行效能计算与分析以能效分析和数据统计服务为支撑，深度挖掘设备运行大数据，直观呈现设备运行效能。设备健康与全生命周期管理以设备管理、故障诊断服务为支撑，以设备大事记为展现形式，提供设备全生命周期健康管理。

应用机泵状态监测系统后，带来的益处主要有以下4 个：（1）及时报警提前采取措施，消除故障隐患，减少非计划停机及机泵恶性事故发生率，为检维修提供科学依据。

（2）使检修有的放矢，提升巡检人员和设备生产效率，最大限度减少过维修和欠维修现象，避免事后抢修，降低检维修费用。

（3）通过大数据智能分析和人工分析，可以提前1～3 个月发现故障，杜绝设备安全隐患，保障机泵长周期、稳定运行，增强企业市场竞争力。

（4）精准判断设备当前和未来运行状态和故障部位，选择在合适的时间对设备进行维修保养，尽量减少作业人员暴露在生产场所。