宮忠才，孫佳祥，劉 陽(yáng)

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津300457)

0 引 言

機(jī)械設(shè)備在海洋石油平臺(tái)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用廣泛，具有推動(dòng)生產(chǎn)的重要作用，一旦其出現(xiàn)故障就會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，并且可能造成環(huán)境破壞，甚至威脅生產(chǎn)者人身安全。由于海洋石油平臺(tái)所處環(huán)境的特殊性，如果備品備件不充足，機(jī)械設(shè)備一旦出現(xiàn)故障導(dǎo)致停機(jī)，往往不能及時(shí)進(jìn)行維修，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。機(jī)械設(shè)備故障時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)異常的聲音、溫度或振動(dòng)等現(xiàn)象，其中振動(dòng)可以直接體現(xiàn)出機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。通過(guò)振動(dòng)檢測(cè)，可以持續(xù)地對(duì)機(jī)械設(shè)備實(shí)施檢測(cè)與故障診斷，在設(shè)備故障初期進(jìn)行有針對(duì)性的維修[1]，從而有效地降低設(shè)備故障停機(jī)率，提高設(shè)備的完好性，為企業(yè)提升裝備管理水平打下牢固的基礎(chǔ)。

振動(dòng)是指物體在某一中心位置附近做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生異常振動(dòng)的原因一般包括轉(zhuǎn)子不平衡、軸心偏移、軸承磨損、連接件松動(dòng)等問(wèn)題，因此振動(dòng)信號(hào)能夠直接反映出設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。對(duì)于振動(dòng)信號(hào)，可以通過(guò)在時(shí)域與頻域進(jìn)行處理分析。

1 常用的振動(dòng)信號(hào)分析方法

通常，振動(dòng)信號(hào)的分析會(huì)從時(shí)域與頻域進(jìn)行，時(shí)域是描述信號(hào)在時(shí)間方面特性時(shí)用到的一種坐標(biāo)系，簡(jiǎn)單的振動(dòng)信號(hào)分析可通過(guò)其在時(shí)域的特征進(jìn)行判斷[2]。時(shí)域分析方法包括均值、方差、偏斜度、峭度、峰值等[3]。除時(shí)域分析外，也在頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析，一般通過(guò)信號(hào)的頻譜、能量譜、功率譜、小波分析等對(duì)信號(hào)處理分析。最常用的方法是將信號(hào)通過(guò)傅里葉變換后進(jìn)行頻譜分析。此外，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解也是常用的信號(hào)處理方法之一。

1.1 均值

機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)均值也被稱為直流分量，用于判斷機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)是否穩(wěn)定，是采樣周期內(nèi)信號(hào)幅值的平均數(shù)。

式中：n為采樣時(shí)間窗口大??；ai為時(shí)間窗口內(nèi)第i個(gè)數(shù)據(jù)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)差

標(biāo)準(zhǔn)差是采樣時(shí)間窗口內(nèi)數(shù)據(jù)與均值差平方的算術(shù)平均數(shù)的平方根，用于判斷機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)對(duì)比均值的離散程度。

式中：n為采樣時(shí)間窗口大??；ai為時(shí)間窗口內(nèi)第i個(gè)數(shù)據(jù)，mean為信號(hào)均值。

1.3 傅里葉變換

傅里葉變換是頻域分析最經(jīng)典的分析方法之一，也是將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域的重要工具之一，序列X(n)的傅里葉變換公式如下所示。

1.4 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解也是應(yīng)用較為廣泛的一種信號(hào)時(shí)頻處理方法，它是將信號(hào)自身的時(shí)間尺度特征分解成有限個(gè)本征模函數(shù)(IMF)[4]，包括原信號(hào)不同時(shí)間尺度的局部特征信號(hào)，通常用于非線性、非平穩(wěn)信號(hào)的分析處理。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解后的信號(hào)可以表達(dá)為有限個(gè)本征模函數(shù)與剩余部分的線性疊加。

2 振動(dòng)檢測(cè)在海洋石油平臺(tái)應(yīng)用

本文以采油服務(wù)公司運(yùn)營(yíng)的大型海上石油生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備為例進(jìn)行分析。在目前生產(chǎn)過(guò)程中，海上石油生產(chǎn)設(shè)備主要采用振動(dòng)傳感器對(duì)泵體、泵軸等位置進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)實(shí)時(shí)收集的峰值來(lái)初步判斷設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并結(jié)合專業(yè)公司年度設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)故障診斷方法實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的管理。海上生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備按照ISO10816-3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判，可以按照振動(dòng)水平區(qū)域界限值(mm/s RMS)分為A、B、C、D 4大類，其中A類(＜2.8)定義為新交付使用的機(jī)器，B類(2.8～4.5)定義為可以無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)行，C類(4.5～7.1)定義為不適宜長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，考慮在適合的機(jī)會(huì)進(jìn)行維修，D類(＞7.1)定義為振動(dòng)強(qiáng)度足以使機(jī)器破壞[5]。

以原油泵 P-9501為例進(jìn)行分析，該泵電機(jī)軸承為 7324B/6330C3，離心泵軸承為 RMS36/RMS36，信號(hào)測(cè)量取點(diǎn)如圖1所示，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 P-9501測(cè)試結(jié)果Tab.1 P-9501 test results

按照 ISO 10816-3標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判該泵機(jī)組為振動(dòng)超標(biāo)，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。通過(guò)分析可以得到圖2，原油泵M1A測(cè)點(diǎn)軸向方向出現(xiàn)7324軸承滾動(dòng)體故障頻率及諧波，并伴有保持架故障頻率邊帶，說(shuō)明軸承存在早期故障。圖 2表明泵驅(qū)動(dòng)端垂直方向(P4V)存在 3.112倍轉(zhuǎn)速頻率分量，接近 RMS36軸承的外環(huán)故障頻率，可能軸承早期故障；泵非驅(qū)動(dòng)端水平方向(P5H)的轉(zhuǎn)速 6倍頻率分量幅值突出，低頻區(qū)存在隨機(jī)譜，說(shuō)明流體激振明顯。

圖1 原油泵P-9501示意圖及測(cè)點(diǎn)位置Fig.1 Schematic view of pump P-9501 and test point location

圖2 電機(jī)自由端軸向方向測(cè)點(diǎn)gSE頻譜Fig.2 gSE spectrum of axial direction measurement point of free end of motor

綜合分析得到該泵的測(cè)試結(jié)論：電機(jī)測(cè)點(diǎn) M1H的主要頻率分量為電機(jī)轉(zhuǎn)速，說(shuō)明在此方向上的支承變差，可能與支承剛性或螺栓緊固有關(guān)。泵測(cè)點(diǎn)中以葉片通過(guò)頻率分量為主，并存在大量低頻隨機(jī)譜，說(shuō)明泵內(nèi)流體激振明顯。電機(jī)軸承滾動(dòng)體/保持架、泵軸承外環(huán)早期故障。因此最終建議：定期檢查進(jìn)出口濾網(wǎng)和壓力，以及葉輪、流道的磨損情況等，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整；檢查電機(jī)螺栓緊固情況，跟蹤電機(jī)軸承故障發(fā)展情況。

3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

大規(guī)模推行在線振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字化裝備管理具有非常關(guān)鍵的意義。目前，采油公司運(yùn)營(yíng)裝備的振動(dòng)檢測(cè)仍然處于初級(jí)階段，十分依賴具有設(shè)備診斷經(jīng)驗(yàn)的人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且不具備實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)控的功能，下一步需要對(duì)海上設(shè)施的重要設(shè)備實(shí)施連續(xù)在線監(jiān)控。如今，人工智能發(fā)展迅速，可以通過(guò)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立深層次、多維度的數(shù)據(jù)模型，并不斷補(bǔ)充故障信號(hào)特征的訓(xùn)練樣本，豐富振動(dòng)數(shù)據(jù)模型，高效自主判斷設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)中的特征信息[6]，從而減少在信號(hào)處理中對(duì)分析人員經(jīng)驗(yàn)的依賴。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)闡述常用的振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)方法，結(jié)合海洋石油平臺(tái)對(duì)振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，說(shuō)明振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)設(shè)備預(yù)防性維修以及預(yù)測(cè)性維修具有實(shí)際參考作用，并推斷出振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向，通過(guò)建立豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)模型替代人員經(jīng)驗(yàn)診斷，為實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化的裝備管理帶來(lái)契機(jī)?！?/p>