基于状态监测技术的天然气净化厂动设备故障频谱研究

王得胜，侯开红，周军，郑民，杨廷加，陈立军

（中国石油天然气股份有限公司西南油气分公司天然气净化总厂，重庆 400000）

1 引言

西南油气田天然气净化总厂忠县分厂是“西气东输”大战略的重要组成部分，是“川气东输”的咽喉工程。净化厂的机泵类设备包括离心泵、往复泵、送风机、空压机等设备，数量多、类型丰富、检维修任务繁重，常存在由于对设备故障原因判断不准导致的返修、过度维修等问题，检维修和备品备件费用居高不下。为提高机泵设备的运行可靠性，忠县净化厂为重要机泵设备安装了在线状态监测系统。该系统以振动监测及相关谱图分析工具为主要手段，同时融合温度、流量、压力等多种工艺量参数监测，并引入专业的第三方进行状态监测和故障诊断工作，经过2 年多的运行，实现了对厂内机泵设备状态的实时掌控、故障的精准判断，保证了设备和装置的平稳运行，取得了良好效果。

2 机泵状态监测系统

机泵状态监测系统由软件系统和硬件系统2 部分组成。以下予以分别介绍。

2.1 机泵在线监测系统硬件结构

硬件部分由传感器、数据采集处理器、数据应用管理器、工业电源、路由器等构成（如图1），通过TCP/IP 协议实现装置级监测站与公司级监测中心的数据传递、共享。

图1 机泵在线监测系统网络拓扑图

图2 机泵在线监测系统界面

图3 转子不平衡的特征图谱

图4 不对中的特征图谱

图5 转子类松动的特征图谱

图6 结构松动的特征图谱

图7 轴承缺陷的特征图谱

数据采集器负责采集传感器原始信号或变送器的输出信号，将数据编码处理后实时传送至数据应用管理器。

数据应用管理器负责将一个或多个装置的数据采集器进行统一管理，实时接收、存储。

监测中心服务器用于提供系统数据存储空间，并将所存储的数据利用客户端实现网上共享。

2.2 机泵在线监测系统软件结构

软件系统由数据采集软件和客户端2 部分组成。客户端包括机组概貌图、趋势分析、冲击诊断、转子类故障诊断、倒谱图等模块，主要以振动速度和加速度为分析对象，能够对机泵常见故障进行精确分析、诊断。

状态监测系统可以通过OPC、modbus 等接口实现DCS上工艺参数（如压力、流量、温度等）与动态振动信号的统一记录、监测、同步分析，有助于更加全面地分析机组状态，确定故障原因。

3 净化厂机泵设备的主要故障类型

净化厂机泵设备的很多故障机理和振动特点具有共性，而不同类型设备又具有其特有的故障类型。以下予以分类说明。

3.1 不平衡故障

转子不平衡是指转子受多种因素影响，其质量中心和旋转中心线间存在一定的偏心距，工作时形成周期性的离心力干扰，在轴承上产生动载荷，从而引起机器振动的现象。

当设备发生不平衡故障时，振动特征为：

（1）振动以1×倍频为主，波形图为典型的正弦波；

（2）水平和垂直方向的1×倍频相位差为90°；

（3）振幅随转速变化，在到达临界转速之前转速越高，振幅越大。

3.2 不对中故障

不对中是指机器在运行状态下，转子间的连接对中超出正常范围，或转子轴颈在轴承中的相对位置不良，不能形成良好的油膜和适当的轴承负荷，造成机械振动或联轴节、轴承损坏的现象。不对中可分为平行不对中、角度不对中以及综合不对中。

当设备出现不对中故障时，振动特征为：

（1）会产生明显的2×倍频振动频率成分；

（2）振动幅值随转子负荷的增大而升高；

（3）最大振动一般体现在靠近联轴节两端的轴承上；

（4）一定条件下可能产生高次谐波。

3.3 松动故障

机械松动一般分为2 种，一种是转子类松动，即转子叶轮、轴套、轴承等旋转体的配合面的间隙过大、过盈量不足发生松动；一种是转子支撑部件的结合面存在间隙或连接刚度不足，造成的机械阻尼偏低、振动过大的故障，也称为结构松动。

轴承座的轴承松动、过大的轴承内部游隙、轴承座的轴承衬套松动、叶轮松动、轴承跑圈等，都会导致转子类松动，其振动存在以下特征：

（1）时域波形中出现次谐波叠加的现象；

（2）频谱中出现很高的亚异步成分、次谐频成分；

（3）通常出现转子类松动时，相位会不稳定，但当振动出现高方向性时，水平和垂直方向相位差会接近0°或180°。

设备地脚、基板和混凝土基础的结构刚度松动或强度不足，灌浆恶化或破碎，框架或底部变形，地脚紧固螺栓松动等，都会导致出现结构松动，其振动存在以下特征：

（1）频率通常以较高的转频的1×倍频为主要成分；

（2）通常径向振动较大，尤其是垂直方向振动较大，轴向振动较小或正常；

（3）振动具有方向性，水平和垂直相位差接近0°或180°。

3.4 滚动轴承缺陷故障

滚动轴承在运转过程中会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、水分和异物侵入、腐蚀和过载等，故障不同阶段的振动在高频、低频均有不同的频率特征。一般通过尖峰能量法（gIE）对轴承缺陷进行早期诊断。

4 机泵设备故障频谱分析步骤

振动监测和故障诊断查明故障采用演绎推理的方法，以故障为基础，用振动特征进行比较、分析，或采用逐个排除的方法，对振动性质、故障原因和具体部件做出判断。演绎推理有反向推理和正向推理2 种形式，这2种推理方式在目前的振动故障诊断中都有使用，下面予以介绍。

4.1 反向推理诊断分析

反向推理也称目标直接推理，是依据振动特征反推出振动故障原因，在推理过程中只与单一的目标有关，当振动特征与故障特征符合时，即可做出诊断。

反向推理诊断在判断简单故障时快捷有效，但应对高参数、结构复杂的设备时往往也有弊端。比如，角度不对中、不平衡、松动等故障都会导致转频的1×倍频振动增大，也就是故障和特征之间不是一一对应关系，而是多重交叉关系，因此会影响故障诊断的准确率。

4.2 正向推理诊断分析

正向推理诊断故障相对于反向推理有更高的严密性和准确率，具体方法是在能够引起设备振动的全部原因中，与实际设备存在的振动特征、故障历史进行搜索、比较、分析，采取逐个排除的方法，剩下不能排除的故障即为诊断结果。

5 现场应用典型案例

2022 年8 月16 日，通过机泵在线监测系统发现净化厂主风机K-1401IB 机组各测点垂直振动速度呈升高趋势，特别是在8 月19 日后升高趋势明显加快。该风机为卧式离心风机，结构及测点概貌图见图8 所示。其中风机后轴承垂直方向速度从8 月14 日的4mm/s 左右升高至8 月20 日的最高10.02mm/s。从频谱图中可以看到频率成分以1X 倍频为主。同时各测点的水平方向振动速度值均无明显变化。

图8 机组结构及测点概貌图

图9 机组垂直方向振动波形、频谱图

频谱图中均以1X 倍频为主要成分，可能存在的故障有转子平衡状态变差、联轴器对中劣化、基础支撑刚度变差以及共振等。然而振动仅在垂直方向上具有明显的增大趋势，可以排除转子平衡状态变差、联轴器对中精度劣化的可能性，从该风机的检修历史可知，风机基础框架的隔震垫经常容易由于老化而出现松动问题，因此基础刚度变差的可能性最大，而共振的可能性较小。8 月28 日，工程师组织检修，更换隔震垫，再次运行后风机各测点最大振动降低至4.1mm/s，验证了诊断分析结论。

6 结语

西南油气田天然气净化总厂忠县净化自投用机泵在线监测系统，2 年来共计发现各类故障、隐患问题58 台次。该系统的应用大幅降低了现场人员的巡检强度，结合专业诊断服务和现场设备工程师的科学决策，提高了检维修的针对性，避免了过度维修，降低了维护成本和故障损失成本，大幅提高了设备可靠性，为机泵设备的长周期稳定运行提供了有效保障，值得在油气田净化厂机泵设备中加以推广。