特約撰稿人：管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司天津輸油處 張靜輝 姜增剛

天津輸油處是中石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司下屬機(jī)構(gòu)，地處天津市濱海新區(qū)，是華北地區(qū)重要的原油輸轉(zhuǎn)中心，現(xiàn)管轄津京冀地區(qū)600公里管線和1千萬(wàn)方的原油儲(chǔ)罐。沿線設(shè)天津輸油站、廊坊輸油站、燕山輸油站、漢沽輸油站、塘沽油庫(kù)、天津商儲(chǔ)庫(kù)、實(shí)華商儲(chǔ)庫(kù)等7個(gè)站庫(kù)和1個(gè)A類搶維修隊(duì)。塘沽油庫(kù)是本項(xiàng)目試點(diǎn)單位，庫(kù)內(nèi)有78萬(wàn)方儲(chǔ)罐、7套輸油泵機(jī)組，屬于管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司大型站庫(kù)。搶維修隊(duì)是全處設(shè)備管理部門和維修單位，設(shè)5個(gè)專業(yè)分隊(duì)，其中機(jī)修分隊(duì)是本項(xiàng)目主要實(shí)施團(tuán)隊(duì)，整個(gè)項(xiàng)目由搶維修隊(duì)牽頭協(xié)調(diào)組織。

項(xiàng)目背景

隨著國(guó)內(nèi)外輸油管道在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能制造等政策牽引與技術(shù)發(fā)展下，為設(shè)備管理工作也帶來(lái)了挑戰(zhàn)并提出新的要求。根據(jù)中石化智能化管線管理系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)和思路，天津處在塘沽油庫(kù)7臺(tái)輸油泵機(jī)組引入機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，用信息技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)輸油泵機(jī)組管理的可視化、智能化、數(shù)字化，實(shí)踐設(shè)備維修從計(jì)劃維修、故障維修逐步過(guò)渡到預(yù)知性維修和“設(shè)備全壽命周期”管理。

1.研究目標(biāo)

通過(guò)引入機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，進(jìn)一步完善輸油泵站數(shù)據(jù)感知建設(shè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障智能預(yù)警、故障智能評(píng)估、故障智能診斷為一體的設(shè)備域系統(tǒng)平臺(tái)，最終建立以狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)為基礎(chǔ)的設(shè)備預(yù)知性維護(hù)維修管理體系。

2.系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用的必要性和可行性

目前站庫(kù)借助SCADA生產(chǎn)控制系統(tǒng)判斷設(shè)備工狀，完成輸油調(diào)度操作，由于對(duì)振動(dòng)和溫度參數(shù)分析挖掘得不夠，不能完全解析參數(shù)內(nèi)涵，形成設(shè)備安全隱患。因?yàn)樵O(shè)備故障在報(bào)警之前就有征兆，只是我們沒有發(fā)現(xiàn)。如何查找設(shè)備故障源與避免故障進(jìn)一步惡化，僅依靠目前的設(shè)備管理模式和手段是難于做到的?；鶎由a(chǎn)單位迫切需要我們創(chuàng)新管理方式，用信息化手段再造設(shè)備管理流程，實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)知性維護(hù)維修管理。

機(jī)泵設(shè)備是管道輸油的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)泵設(shè)備智能化管理與控制是建設(shè)智能管線的重要基礎(chǔ)內(nèi)容，它可以為管道輸油安全與高效運(yùn)行提供保障，同時(shí)為管道輸油設(shè)備創(chuàng)新管理提供抓手，因此，在塘沽油庫(kù)試點(diǎn)機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，得到天津處和塘沽油庫(kù)相關(guān)部門和領(lǐng)導(dǎo)的大力支持。天津處是天津市設(shè)備管理協(xié)會(huì)常務(wù)理事單位，近幾年一直推行TnPM管理，實(shí)踐“設(shè)備全壽命周期管理”，因此狀態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在天津處有推行管理和技術(shù)的基礎(chǔ)；搶維修隊(duì)是公司實(shí)行“管維一體”運(yùn)作模式的維修單位，在項(xiàng)目實(shí)施上搶維修隊(duì)有對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)及人員支撐，這些條件為本項(xiàng)目的開發(fā)與應(yīng)用提供了良好的外部環(huán)境。

成果現(xiàn)狀及內(nèi)涵

進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，中石化在煉化企業(yè)逐步建立總公司、公司、廠三級(jí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，全面開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作。以九江石化為代表的智能工廠，全面引入狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，發(fā)展以狀態(tài)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的預(yù)知性維修體制的管理理念深入設(shè)備管理核心，并已獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)以現(xiàn)代科學(xué)中的系統(tǒng)論、控制論、可靠性理論、失效理論、信息論為理論基礎(chǔ)，結(jié)合監(jiān)測(cè)對(duì)象的特殊性，有針對(duì)性地對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)做出實(shí)時(shí)評(píng)估，對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行分析、預(yù)報(bào)，對(duì)已經(jīng)或正在發(fā)生的故障進(jìn)行分析、判斷，以確定故障的性質(zhì)、類別、程度、部位及趨勢(shì)，對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行和合理檢修提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

平臺(tái)搭建與系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)天津處設(shè)備管理的需求和存在的問題，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)測(cè)試和技術(shù)溝通，于2016年8月由項(xiàng)目組提交可行性研究報(bào)告與施工方案，著手進(jìn)行平臺(tái)搭建和系統(tǒng)的開發(fā)部署。

1.平臺(tái)搭建

為了不對(duì)正常輸油生產(chǎn)造成影響，搶維修隊(duì)、油庫(kù)和廠家技術(shù)人員多次到現(xiàn)場(chǎng)溝通，對(duì)測(cè)試位置和硬件的安裝位置進(jìn)行嚴(yán)格把控，既滿足監(jiān)測(cè)條件，又要保證輸油安全運(yùn)行。下圖是安裝區(qū)域。

7臺(tái)泵均為雙支撐離心泵，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及新增測(cè)點(diǎn)類型、數(shù)量和安裝位置如下圖所示，其中振動(dòng)測(cè)量采用IEPE 壓電式加速度傳感器，軸承表面溫度測(cè)量采用三線制PT100 溫度傳感器。

實(shí)施過(guò)程由搶維修隊(duì)直接操作，油庫(kù)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)。傳輸通道通過(guò)Mesh 無(wú)線網(wǎng)接入公司局域網(wǎng)。服務(wù)器安裝在塘沽油庫(kù)信息機(jī)房指定位置，最后組成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見下圖。

2.系統(tǒng)開發(fā)

由于我們管道輸油通常采用機(jī)泵冷備方式，在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)在長(zhǎng)輸管道輸送技術(shù)上的應(yīng)用尚屬先例，因此，試點(diǎn)工作參照煉化企業(yè)的大機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，針對(duì)管道輸油特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)軟件界面。系統(tǒng)架構(gòu)如下：

診斷案例

1.聯(lián)軸器不對(duì)中故障

診斷分析：2016年11月6日外輸4#泵啟動(dòng)后，振動(dòng)較2016年10月22日停機(jī)前有明顯增大，主要能量變化表現(xiàn)為1X、2X、3X頻，且主要能量集中在2X、3X頻，如圖1、2所示。

圖1 外輸4#泵故障電機(jī)振動(dòng)趨勢(shì)圖

圖2 外輸4#泵電機(jī)故障驅(qū)動(dòng)端波形頻譜圖

診斷結(jié)果：電機(jī)驅(qū)動(dòng)端存在聯(lián)軸器不對(duì)中故障，建議在合適機(jī)會(huì)（目前設(shè)備在用）停機(jī)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)中調(diào)整。聯(lián)軸器不對(duì)中會(huì)導(dǎo)致軸承、密封件、軸和聯(lián)軸器的過(guò)早損壞以及高能源損耗的問題。

故障處理過(guò)程及結(jié)果：2016年11月8日搶維修隊(duì)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)中處理后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)由檢修前的2．4mm/s下降至0．6mm/s，能量變化以1X 頻及其諧波為主；從振動(dòng)能量的變化可見，聯(lián)軸器的對(duì)中故障得到解決，如圖3、4所示。

圖3 外輸4#泵處理后電機(jī)驅(qū)動(dòng)端運(yùn)行趨勢(shì)圖

圖4 外輸4#泵處理后電機(jī)驅(qū)動(dòng)端波形頻譜圖

2.止推軸承跑圈故障

診斷分析：2016年11月6日的診斷分析報(bào)告中，指出外輸4#泵自由端軸承振動(dòng)中出現(xiàn)明顯諧波，包絡(luò)中地腳能量明顯抬高，振動(dòng)烈度及峰值有所波動(dòng)并上升，但數(shù)值總體較小，從速度譜及包絡(luò)譜上看，振動(dòng)的主要頻率成分為248．8Hz及其諧波，此頻率剛好和軸承外環(huán)故障頻率與葉片通過(guò)頻率5P接近，因此判斷自由端軸承的潤(rùn)滑不良，見圖5。

圖5 外輸4#泵自由端加速度包絡(luò)波形頻譜圖（2016年11月6日）

2017年4月8日的診斷分析報(bào)告中，進(jìn)一步明確自由端軸承可能存在內(nèi)、外圈松動(dòng)和軸承間隙過(guò)大等故障，見圖6。

圖6 外輸4#泵加速度包絡(luò)波形頻譜圖（2017年4月5日）

故障處理過(guò)程及結(jié)果：2017年4月13日搶維修隊(duì)到現(xiàn)場(chǎng)檢修，檢查發(fā)現(xiàn)泵自由端止推軸承有跑圈故障，更換軸承后，于4月17日開機(jī)，軸承外圈特征故障頻率值明顯減少，見圖7。

圖7 外輸4#泵更換軸承后加速度包絡(luò)波形頻譜圖

3.軸承雜物進(jìn)入故障

診斷分析：2017年4月13日外輸3#泵啟動(dòng)后，泵自由端的振動(dòng)較高，最高振動(dòng)為5．07mm/s，超過(guò)高報(bào)的4．5mm/s，頻譜能量以0．2X左右低頻信號(hào)為主，見圖8、9。

圖8 外輸3#泵自由端振動(dòng)烈度趨勢(shì)圖

圖9 外輸3#泵自由端振動(dòng)速度波形頻譜圖

故障結(jié)論：診斷認(rèn)為，存在軸承潤(rùn)滑不良、雜物進(jìn)入等故障。軸承有雜質(zhì)進(jìn)入的故障如不及時(shí)清洗，則會(huì)影響潤(rùn)滑脂的性質(zhì)，進(jìn)一步加劇軸承磨損，導(dǎo)致軸承表面的金屬剝落，問題嚴(yán)重時(shí)則要更換軸承，建議清洗或更換軸承。

故障處理過(guò)程及結(jié)果：搶維修隊(duì)對(duì)該軸承進(jìn)行了清洗并于2017年5月7日開機(jī)啟泵。開機(jī)后振動(dòng)在4．5 mm/s左右，并逐漸降低至3．5 mm/s左右波動(dòng)，與檢修前相比，頻譜中0．2X左右的低頻能量消失，軸承狀態(tài)比檢修前有明顯改善，見圖10、11。

圖10 外輸3#泵自由端檢修后振動(dòng)烈度趨勢(shì)圖

圖11 外輸3#泵自由端檢修后波形頻譜圖

4.葉片通過(guò)頻率普遍偏高

診斷分析：2016年10月～ 2017年5月初多次診斷分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)給油1#泵、給油2#泵、外輸3#泵、外輸4#泵自由端和驅(qū)動(dòng)端的振動(dòng)烈度均在報(bào)警值的范圍內(nèi)波動(dòng)，可能振動(dòng)波動(dòng)與輸油介質(zhì)的變化有關(guān)，但在波形頻譜圖中有占總振能量值較大比例的5X、6X及其倍頻的葉片通過(guò)頻率，診斷結(jié)果為葉片通過(guò)頻率有偏高的現(xiàn)象。

圖12 給油1#泵自由端波形頻譜圖

圖13 給油2#泵自由端波形頻譜圖

圖14 外輸3#泵自由端波形頻譜圖

圖15 外輸4#泵自由端波形頻譜圖

診斷結(jié)論：葉片通過(guò)頻率變化受介質(zhì)壓力、流量等參數(shù)變化的影響較大，產(chǎn)生原因有葉片偏心、轉(zhuǎn)子相對(duì)于蝸殼的位置不當(dāng)、葉片與蝸殼的設(shè)計(jì)選型不當(dāng)?shù)?。該問題的長(zhǎng)期存在將使葉輪產(chǎn)生較大的偏心力，從而引起軸承的偏載，該偏載將加大軸承的磨損與軸承溫度的升高，進(jìn)而造成軸承的非正常摩擦、疲勞脫落、游隙變大、內(nèi)外圈跑圈等故障。

問題處置措施：基于該問題的普遍存在且較為復(fù)雜，但不影響機(jī)泵正常運(yùn)行，建議進(jìn)一步觀察積累包括振動(dòng)、壓力、流量等健康數(shù)據(jù)，以作為后續(xù)機(jī)泵改進(jìn)的依據(jù)。

5.外輸2#泵機(jī)組檢修結(jié)果評(píng)估

診斷分析及結(jié)論：塘沽油庫(kù)外輸2#泵機(jī)組為提高揚(yáng)程進(jìn)行更換葉輪，于2017年4月29日開始啟動(dòng)工作，通過(guò)趨勢(shì)圖診斷4月29日～ 5月2日，泵和電機(jī)自由端和驅(qū)動(dòng)端軸承的振動(dòng)烈度在0．58～3．12mm/s之間，振動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大波動(dòng)見圖16。通過(guò)包絡(luò)頻譜圖診斷，除存在與其它泵共性的葉片通過(guò)頻率5X較高，需進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)反饋確認(rèn)外，其它未出現(xiàn)的故障頻率見圖17，另外通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)也對(duì)診斷結(jié)果和外輸2#泵的運(yùn)行情況作進(jìn)一步確認(rèn)，印證了外輸2#泵機(jī)組檢修后處于良好狀態(tài)。

圖16 外輸2#泵振動(dòng)烈度趨勢(shì)圖

圖17 外輸2#泵包絡(luò)波形頻譜圖

6.外輸4#泵機(jī)組的振動(dòng)烈度誤報(bào)

診斷分析及結(jié)論：2016年11月8日11:30，生產(chǎn)控制SCADA系統(tǒng)顯示，外輸4#泵驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)烈度值達(dá)到20mm/s，超出停機(jī)報(bào)警值，因現(xiàn)場(chǎng)情況不明確，為保證安全生產(chǎn)、避免出現(xiàn)事故，采取緊急停機(jī)的措施，處理檢查驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)烈度突然增大的原因。通過(guò)關(guān)鍵機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，調(diào)出外輸4#泵機(jī)組11月3 ～ 9日數(shù)據(jù)，振動(dòng)烈度均在正常范圍內(nèi)，且振動(dòng)整體較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大波動(dòng)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步確認(rèn)，最后給出處理建議為SCADA系統(tǒng)顯示外輸4#泵驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)烈度突然增大，是該系統(tǒng)誤報(bào)導(dǎo)致，與設(shè)備本身并無(wú)關(guān)聯(lián)，外輸4#泵機(jī)組可以啟機(jī)運(yùn)行。

圖18 外輸4#泵11月3～9日振動(dòng)趨勢(shì)圖

由于在短時(shí)間內(nèi)排查到故障原因，避免長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)對(duì)生產(chǎn)的影響，因此挽回了損失。

7.健康狀態(tài)評(píng)估

健康診斷及建議：自2016年10月平臺(tái)搭建完成并上線應(yīng)用以來(lái)，所提供的健康評(píng)估周報(bào)及月報(bào)顯示，給油1#泵、2#泵、3#泵一直健康運(yùn)行，盡管2#給油泵運(yùn)行時(shí)間已達(dá)到規(guī)定的大修時(shí)間，但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)觀察，建議延遲計(jì)劃維修。

取得管理效果

天津處在塘沽油庫(kù)輸油泵機(jī)組開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)踐以來(lái)，從輸油泵機(jī)組的故障診斷水平和管理方式方面都帶來(lái)顯著變化，并取得實(shí)際應(yīng)用效果，做到精確診斷、精準(zhǔn)維修、及時(shí)驗(yàn)證，同時(shí)創(chuàng)新設(shè)備管理體系并促進(jìn)設(shè)備域一體化管理平臺(tái)的建立。

1.提高故障診斷水平、完善診斷管理機(jī)制

塘沽油庫(kù)員工借助機(jī)泵在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，很大程度上促進(jìn)了設(shè)備管理方式的轉(zhuǎn)變。設(shè)備技術(shù)員在現(xiàn)場(chǎng)日常設(shè)備定期巡檢時(shí)，如遇到設(shè)備異常狀況，可以隨時(shí)借助平臺(tái)完成輸油泵機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)診斷，塘沽油庫(kù)將異常輸油泵機(jī)組和現(xiàn)場(chǎng)初步診斷報(bào)告天津處搶維修隊(duì)，搶維修隊(duì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)初步判斷進(jìn)一步核實(shí)異常狀態(tài)嚴(yán)重程度，再通過(guò)廠家遠(yuǎn)程診斷確認(rèn)異常狀況。依據(jù)診斷結(jié)果來(lái)確定輸油泵機(jī)組運(yùn)行維修方案，是在線調(diào)理，還是停機(jī)維修或是繼續(xù)運(yùn)行。從而形成塘沽油庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)診斷、搶維修隊(duì)實(shí)施維修、供應(yīng)商技術(shù)支持，三級(jí)設(shè)備診斷管理模式，實(shí)現(xiàn)了精確診斷、精準(zhǔn)維修，有效避免設(shè)備問題由小變大，故障由輕變重等問題。

2.建立預(yù)知性維修方式、促進(jìn)設(shè)備域一體化管理

天津處通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷平臺(tái)的應(yīng)用與實(shí)踐，初步建立狀態(tài)監(jiān)測(cè)、異常預(yù)警、故障診斷、故障反饋、現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)、定制維修方案、檢維修效果評(píng)估、設(shè)備運(yùn)行建議等一系列設(shè)備管理措施，設(shè)備維修從計(jì)劃維修、事后維修逐步過(guò)渡到預(yù)知性維修方式上來(lái)。由于機(jī)泵在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)搭建時(shí)，考慮與相關(guān)設(shè)備管理系統(tǒng)的融合與接口，在完善設(shè)備管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)、EAM系統(tǒng)、TnPM系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)集成，打破數(shù)據(jù)孤島，整合各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，因此為設(shè)備域一體化管理平臺(tái)也提供數(shù)據(jù)支撐，并逐步向機(jī)泵設(shè)備“全壽命周期”完整性管理深層邁進(jìn)。

3.提高設(shè)備安全系數(shù)、增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益

塘沽油庫(kù)自系統(tǒng)平臺(tái)搭建應(yīng)用以來(lái)，我們已掌握塘沽油庫(kù)在用的6套機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，累計(jì)提交輸油泵機(jī)組診斷評(píng)估報(bào)告21次、突發(fā)或臨時(shí)診斷評(píng)估報(bào)告6次，試點(diǎn)期間效果顯著，避免了機(jī)械密封、軸承、泵軸等的損壞，維修成本消耗大幅減少。4#外輸泵的運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)高于其它外輸泵機(jī)組；3臺(tái)給油泵運(yùn)行時(shí)間不均衡等健康診斷提示：在優(yōu)化輸油運(yùn)行和均衡生產(chǎn)方面還有改進(jìn)和增效的空間。由于提前預(yù)知故障所在，避免隱患擴(kuò)大化，減少設(shè)備安全事故。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前中石化總部把工業(yè)化和信息化的“兩化”深度融合，當(dāng)作未來(lái)發(fā)展的重要抓手和推動(dòng)力，并寫入年度工作報(bào)告，其宗旨就是以信息化提升管理和經(jīng)營(yíng)的水平。機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)踐，正是在這個(gè)大環(huán)境應(yīng)運(yùn)而生，其更深層的技術(shù)含義是深度挖掘設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析和差異化分析，這就為今后智能化管道系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、為優(yōu)化輸油運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。項(xiàng)目組下一步的工作重點(diǎn)是進(jìn)一步完善故障智能診斷功能，建立標(biāo)準(zhǔn)故障診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，使系統(tǒng)更趨完善，管理更加高效，并逐步在各站庫(kù)推廣應(yīng)用。