孟 劍

(中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東青島 266500)

石化工業(yè)設(shè)備檢修經(jīng)歷了事后維修、預(yù)防性維修階段，目前正在向著預(yù)知性維修階段發(fā)展，基于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提出檢維修策略是最重要的預(yù)知性維修技術(shù)之一。煉化裝置機(jī)泵分布廣、數(shù)量多、作用大，機(jī)泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行是煉化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的重要基礎(chǔ)[1]。采用無(wú)線傳感器來(lái)組建自動(dòng)化的機(jī)泵物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以彌補(bǔ)人工巡檢的不足，同時(shí)降低設(shè)備檢查成本、提高巡檢效率與質(zhì)量[2]，且可以做到早期識(shí)別、早期預(yù)報(bào)設(shè)備故障，從而達(dá)到預(yù)知性維修，保證裝置安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行[3]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

機(jī)泵無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是通過(guò)無(wú)線傳感器對(duì)機(jī)泵的振動(dòng)與溫度狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)傳輸存儲(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)采集后，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件，不僅可以使用豐富的診斷工具分析設(shè)備狀態(tài)，而且借助于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)置的特征頻譜，以及內(nèi)置于傳感器內(nèi)部的邊緣計(jì)算算法，還可以觸發(fā)自動(dòng)報(bào)警，起到使設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)被相關(guān)人員所知悉，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，進(jìn)行事前預(yù)防，保障設(shè)備的安全、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行。

整個(gè)系統(tǒng)由下而上分為3個(gè)層次，分別為無(wú)線傳感器、無(wú)線通訊站(也稱(chēng)為無(wú)線網(wǎng)關(guān))和智能監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。無(wú)線傳感器采集設(shè)備運(yùn)行中的振動(dòng)與溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線的鏈路傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)需敷線，降低了設(shè)備的監(jiān)測(cè)成本。無(wú)線傳感器采集到有效的振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)2.4 GHz頻段的Zigbee協(xié)議傳輸所采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的頻率可以靈活調(diào)控，一般1～2 h采集一次波形數(shù)據(jù)、5 min采集一次振動(dòng)總值與溫度數(shù)據(jù)；如果振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，采集波形數(shù)據(jù)的頻次可自動(dòng)更改為10 min 1次。無(wú)線通訊站相當(dāng)于是整個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)站，主要負(fù)責(zé)傳感器與機(jī)泵監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。一方面，接收無(wú)線傳感器傳來(lái)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器；另外，也從智能監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)接收指令并下達(dá)給無(wú)線傳感器。智能監(jiān)測(cè)分析診斷系統(tǒng)(IMAS)是基于B/S架構(gòu)、使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，可以對(duì)設(shè)備異常狀態(tài)觸發(fā)報(bào)警提示，同時(shí)也可以對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行趨勢(shì)監(jiān)控與及時(shí)診斷。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 測(cè)點(diǎn)配置

設(shè)備監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)部位的選擇和采集參數(shù)的設(shè)置對(duì)無(wú)線監(jiān)測(cè)的效果至關(guān)重要，需要對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)有深入的了解，常規(guī)的測(cè)點(diǎn)配置分為2種：①測(cè)點(diǎn)2個(gè)，機(jī)泵軸承箱安裝2個(gè)：水平(H)和垂直(V)各1個(gè)；②測(cè)點(diǎn)5個(gè)，主要安裝在兩端支撐的機(jī)泵，前軸承箱(與電機(jī)非聯(lián)端)3個(gè):水平(H)、垂直(V)及軸向(A)各1個(gè)，后軸承箱(與電機(jī)聯(lián)端)2個(gè)：水平(H)和垂直(V)各1個(gè)。測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 傳感器安裝位置

2.2 傳感器安裝

考慮到振動(dòng)的傳遞性，所有傳感器均需安裝在軸承座或齒輪箱最貼近軸承、且剛性最好的位置。另外，為了不對(duì)設(shè)備本體造成破壞，所有傳感器均采用強(qiáng)磁吸附，并用金屬膠水粘接，這樣不僅可以保證振動(dòng)與溫度的正常傳遞與傳導(dǎo)，而且對(duì)于安裝在高處的設(shè)備，強(qiáng)磁吸附的安裝方式，也可以避免高處墜落造成的人身傷害。

3 監(jiān)測(cè)報(bào)警分類(lèi)統(tǒng)計(jì)

2020年度1月至11月，機(jī)泵智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共計(jì)報(bào)警286次，其中3級(jí)報(bào)警229次、4級(jí)報(bào)警57次。排除單臺(tái)設(shè)備多測(cè)點(diǎn)、多指標(biāo)的報(bào)警，納入統(tǒng)計(jì)的實(shí)際報(bào)警臺(tái)次為203臺(tái)次，具體分類(lèi)見(jiàn)圖2。

圖2 報(bào)警分類(lèi)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)設(shè)備常見(jiàn)的故障類(lèi)別，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均可發(fā)現(xiàn)，排除掉傳感器自身因素導(dǎo)致的8次報(bào)警，報(bào)警有效率可達(dá)到96.06%，其中與設(shè)備運(yùn)行安全密切相關(guān)的核心分類(lèi)：軸承齒輪、聯(lián)軸器、密封、潤(rùn)滑不良以及工頻類(lèi)(不對(duì)中、不平衡、松動(dòng))的故障，在有效報(bào)警中的占比為70.77%，排除掉啟停機(jī)與工藝調(diào)整導(dǎo)致的流量波動(dòng)影響因素，這個(gè)比例可上升到90.2%。

4 應(yīng)用案例

4.1 除氧水泵軸承故障

催化裂化裝置除氧水泵，位號(hào)1103-P-101A,為懸臂離心泵,潤(rùn)滑方式為油霧潤(rùn)滑，其特征參數(shù)見(jiàn)表1。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置為：機(jī)泵聯(lián)軸器端軸承箱水平方向3H、機(jī)泵聯(lián)軸器端軸承箱垂直方向3V。

表1 除氧水泵軸承型號(hào)及特征參數(shù) Hz

4.1.1故障過(guò)程描述

2020年2月1日14時(shí)13分，1103-P-101A設(shè)備3H點(diǎn)出現(xiàn)溫度報(bào)警，分析數(shù)據(jù)為泵端軸承滾動(dòng)體及保持架存在損傷，以軸承保持架損傷最為顯著，存在斷裂的可能，且軸承存在走圈可能?，F(xiàn)場(chǎng)拆檢發(fā)現(xiàn)泵端軸承保持架斷裂變形，滾動(dòng)體和內(nèi)圈滾道磨損嚴(yán)重，深溝球軸承保持架單側(cè)磨損。

4.1.2數(shù)據(jù)分析

如圖3所示，機(jī)組2月1日10∶00左右啟機(jī)運(yùn)行，其中泵端水平向3H測(cè)點(diǎn)加速度振動(dòng)總值達(dá)24.7 m/s2左右，較前期上升約1.5倍左右，并于12∶45左右振動(dòng)值明顯下降，而3V測(cè)點(diǎn)加速度振動(dòng)總值未見(jiàn)明顯變化。如圖4泵端3H測(cè)點(diǎn)溫度值于12∶45左右呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)，溫度值于60 ℃上升至112 ℃左右，溫度值上升速度較快，且溫度較高。

圖3 溫度趨勢(shì)示意

圖4 加速度趨勢(shì)示意

如圖5所示，對(duì)3H測(cè)點(diǎn)加速度頻譜進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)分析，包絡(luò)譜中可見(jiàn)9.37 Hz的軸承保持架故障頻率及其倍頻特征，為軸承保持架受力損傷特征，保持架損傷程度較明顯。

圖5 1103-P-101A_3H_16k加速度波形包絡(luò)解調(diào)示意

如圖6所示，3H測(cè)點(diǎn)此時(shí)速度頻譜中以轉(zhuǎn)頻諧波特征為主，轉(zhuǎn)頻諧波數(shù)量和能量較前期明顯上升，為旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)特征，且振動(dòng)值波動(dòng)幅度較大，推測(cè)與軸承配合間隙偏大有關(guān)，存在走圈可能。

圖6 1103-P-101A_3H_8k速度波形頻譜圖

綜上所述，泵端測(cè)點(diǎn)溫度值持續(xù)上升，推測(cè)與軸承損傷異常有關(guān)，軸承滾動(dòng)體及保持架存在損傷，損傷程度較為明顯，以軸承保持架損傷最為顯著，存在斷裂的可能，且軸承存在走圈可能。

4.1.3檢修驗(yàn)證

拆檢發(fā)現(xiàn)泵端軸承保持架斷裂變形，滾動(dòng)體和內(nèi)圈滾道磨損嚴(yán)重，深溝球軸承保持架單側(cè)磨損。

4.2 重沸爐泵軸承故障

連續(xù)重整裝置汽提塔重沸爐泵，位號(hào)1110-P-103A,設(shè)備為雙支撐結(jié)構(gòu)，潤(rùn)滑方式為油霧潤(rùn)滑。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置為：泵聯(lián)軸器端軸承箱水平向3H、泵聯(lián)軸器端軸承箱垂直向3V、泵自由端軸承箱水平向4H、泵自由端軸承箱垂直向4V和泵自由端軸承箱軸向4A，軸承型號(hào)及特征參數(shù)如表2所示。

表2 重沸爐泵軸承型號(hào)及特征參數(shù)表 Hz

4.2.1故障過(guò)程描述

2019年8月16日8時(shí)15分，泵驅(qū)動(dòng)端3H加速度發(fā)生四級(jí)報(bào)警，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析后，判斷現(xiàn)場(chǎng)泵驅(qū)動(dòng)端軸承早中期損傷、保持架卡澀磨損，并對(duì)泵驅(qū)動(dòng)端軸承異響及溫度變化做了加強(qiáng)關(guān)注。次日，由于異響加劇便停機(jī)檢修，檢修后發(fā)現(xiàn)泵驅(qū)動(dòng)端軸承內(nèi)圈存在明顯剝落。

4.2.2數(shù)據(jù)分析

機(jī)組于2019年8月15日啟機(jī)，啟機(jī)后泵兩端各測(cè)點(diǎn)加速度總值相對(duì)平穩(wěn)，泵驅(qū)動(dòng)端加速度總值稍大,泵端速度總值趨勢(shì)平穩(wěn)，但泵驅(qū)動(dòng)端速度總值偏大，可達(dá)到7 mm/s。泵端3H測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)域波形中存在沖擊，長(zhǎng)波形包絡(luò)解調(diào)頻譜中可見(jiàn)軸承保持架特征頻率及諧波(如圖7所示)。3H、3V測(cè)點(diǎn)速度頻譜中主要葉片通過(guò)頻率能量為主，頻譜中低頻段非轉(zhuǎn)頻成分能量較顯著。

圖7 1110-P-103A_3H_128K長(zhǎng)時(shí)域波形包絡(luò)解調(diào)頻譜

綜上所述,泵驅(qū)動(dòng)端軸承早中期損傷，保持架卡澀磨損，且運(yùn)行狀況不穩(wěn)定。

4.2.3檢修驗(yàn)證

2019年08月20日,現(xiàn)場(chǎng)切換停泵檢修，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈存在顯著剝落，與以上分析相吻合，證明了預(yù)知檢修的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠及時(shí)準(zhǔn)確且有效地采集并評(píng)估出機(jī)泵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，能夠依據(jù)異常狀態(tài)給出報(bào)警提示和維護(hù)建議。自系統(tǒng)上線以來(lái)，對(duì)比人工巡檢，事后維修占比由原來(lái)的41%降到了15%，預(yù)知與預(yù)測(cè)性維修由原來(lái)的不足10%升到了近50%，這不僅大幅減少了非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，同時(shí)也避免了設(shè)備事故的發(fā)生，達(dá)到了預(yù)期的、依據(jù)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢修的效果，減輕了員工工作量，為裝置“五年一修”提供了有力保障。