劉瑞奇

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300457）

0 引言

海上油田根據(jù)設(shè)備設(shè)施的重要性進行分級管理，以提高設(shè)備精細化管理水平，確保油田安全穩(wěn)定生產(chǎn)。根據(jù)設(shè)備的重要性和對生產(chǎn)系統(tǒng)的影響，將設(shè)備分為：關(guān)鍵設(shè)備、重要設(shè)備、一般設(shè)備。對于關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施，油田采用在線檢測為主、離線檢測為輔，實時監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)；同時利用油液監(jiān)測技術(shù)，定期對設(shè)備滑油進行理化分析，保證油田關(guān)鍵設(shè)備的正常運行。振動監(jiān)測技術(shù)是借助設(shè)備檢測振動參數(shù)和特征，系統(tǒng)檢測設(shè)備的運行狀態(tài)，是一種現(xiàn)代化的檢測技術(shù)。當設(shè)備振動信號對其運行狀態(tài)與信息加以顯示的過程中，也是反應(yīng)故障設(shè)備特征的主要承載，能夠?qū)τ吞餀C械設(shè)備加以全面化監(jiān)測[1]。

原油外輸泵屬于油田關(guān)鍵設(shè)備，作用是將采油平臺上生產(chǎn)的原油通過海底管道輸送到陸地終端或其他采油平臺上。一旦外輸泵發(fā)生故障，將直接影響整個原油外輸作業(yè)，進而影響整個油田的原油生產(chǎn)[2]。原油外輸泵屬于海上平臺的關(guān)鍵設(shè)備，基于設(shè)備設(shè)施完整性管理要求，對該類設(shè)備安裝了振動在線監(jiān)測系統(tǒng)，以期實現(xiàn)對原油外輸泵的實時監(jiān)測，達到設(shè)備預(yù)知性維修的目的，從而降低外輸泵故障率。

1 原油外輸泵的故障診斷分析方法

海上平臺因所處的環(huán)境較為惡劣，由于受到高鹽霧、高濕度、海浪和剛性結(jié)構(gòu)易變形等多種因素的影響，導致海上設(shè)備的故障率較高[3]。由于海洋平臺獨特的地理位置，往往距離陸地較遠，設(shè)備檢修的物料、人員不能及時到達。原油外輸泵屬于平臺核心設(shè)備，該設(shè)備的狀態(tài)檢測方式采用在線監(jiān)測為主，離線監(jiān)測為輔，以實現(xiàn)精準掌握設(shè)備發(fā)生故障的時間、類型和程度，從而制定合理的設(shè)備倒運計劃和預(yù)知性維修計劃，保障設(shè)備安全平穩(wěn)地運行，同時降低設(shè)備的維修成本。

原油外輸泵采用振動監(jiān)測分析法進行故障診斷，其優(yōu)點是應(yīng)用范圍廣、效益好，故障診斷覆蓋面全。在線振動監(jiān)測分析常用的故障診斷分析方法包含時域分析、頻域分析、加速度包絡(luò)分析、趨勢分析、瀑布圖分析、倒頻譜分析等[4]。通過振動監(jiān)測分析的手段，能實現(xiàn)設(shè)備故障的提前預(yù)知和定位，如基礎(chǔ)軟腳、對中不良、軸承故障、電氣故障、不平衡、氣蝕等。

2 原油外輸泵的各項參數(shù)和振動測點的布置

以某海上采油平臺外輸泵為例，泵組采用的連接形式是“電機—聯(lián)軸器—多級離心泵”。

（1）電機：型號，YBX3 400-2H；功率，560 kW；轉(zhuǎn)速，2980 r/min；軸承型號，6319/NU317。

（2）聯(lián)軸器：膜片聯(lián)軸器。

（3）泵：型號，KHP120-105X8；排量，110 m3/h；揚程，733 m；軸承型號，驅(qū)動端6215C3，非驅(qū)動端7312BECBMx2；潤滑方式，飛濺潤滑；多級離心泵級數(shù)，8 級；潤滑油型號，長城卓立L-HM-46 抗磨液壓油。

該泵于2021 年2 月15 日為配合新油田投產(chǎn)更換的新泵，泵組自帶4 個振動傳感器（測量速度值）和4 個溫度傳感器，用于測量電機和泵的4 組軸承運行狀態(tài)，振動速度報警值為7.5 mm/s，關(guān)斷值為8 mm/s。

設(shè)備不同方向的振動數(shù)據(jù)，同一故障往往表現(xiàn)的程度不同，不同的故障又在不同的特征值上有所體現(xiàn)。在線監(jiān)測一般選取從電機非驅(qū)動端到泵非驅(qū)動端4 個測點的數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場的實際需求，機組的在線監(jiān)測布置測點如圖1 所示：1#位置傳感器用于測量電機非驅(qū)動端軸承振動數(shù)據(jù)，2#位置傳感器用于測量電機驅(qū)動端軸承振動數(shù)據(jù)，3#位置傳感器用于測量泵組非驅(qū)動端軸承振動數(shù)據(jù)，4#位置傳感器用于測量泵非驅(qū)動端軸承振動數(shù)據(jù)。

圖1 外輸泵振動傳感器測點布置

原油外輸泵在線監(jiān)測采用的傳感器是壓電式傳感器，通過焊接方式固定在對應(yīng)軸承的設(shè)備外殼上。傳感器的頻響范圍為0.3 Hz～10 kHz，有效量程為-50～50 g，測量的參數(shù)包括加速度、速度、位移和加速度包絡(luò)等。傳感器為本質(zhì)安全防爆型，防護等級為IP67。

3 泵非驅(qū)動端振動分析

油田維修專業(yè)發(fā)現(xiàn)在線振動檢測系統(tǒng)中提醒外輸泵非驅(qū)動端加速度高，調(diào)取曲線發(fā)現(xiàn)2021 年8 月25 日20：08 泵非驅(qū)動端4H 加速度值突然升高，后加速度值持續(xù)升高，其最高值可達44.16 m/s2，但泵驅(qū)動端和非驅(qū)動端振動速度值并未發(fā)生明顯變化，均為2 mm/s 和3 mm/s 左右。

現(xiàn)場維修人員檢查該外輸泵的滑油油位正常，油品目視正常，該泵自上次滑油更換后僅運行266 h。現(xiàn)場檢修人員對比使用手持式振動檢測儀和BH550 離線狀態(tài)監(jiān)測儀，測量該泵非驅(qū)動端水平方向和豎直方向的振動值分別為3.2 mm/s 和3.5 mm/s，振動加速度值分別為40.20 m/s2和41.58 m/s2，與在線振動檢測系統(tǒng)中的測量值幾乎一致。隨后使用軸承聽診器對非驅(qū)動軸承進行聽診，發(fā)現(xiàn)有微弱的時有時無的異音，現(xiàn)場依據(jù)維修經(jīng)驗初步判定泵非驅(qū)動端軸承故障。調(diào)取該泵非驅(qū)動端軸承的溫度曲線，發(fā)現(xiàn)該軸承溫度在緩慢上漲。

在振動在線檢測系統(tǒng)中，調(diào)取振動加速度高的泵的非驅(qū)動端加速度包絡(luò)和加速度進行頻譜分析，如圖2、圖3 所示。由圖2可知，泵非驅(qū)動端加速度頻譜中存在豐富的高頻信號，并伴隨有較高的地腳能量，加速度時域波形中存在明顯高幅值的異常沖擊信號。由圖3 分析可知，泵非驅(qū)動端加速度包絡(luò)頻譜中存在軸承缺陷頻率（354.69 Hz）及其諧波，由此可以判斷該泵非驅(qū)動端4H 的加速度值較高的原因為軸承故障。

圖2 泵非驅(qū)動端趨勢、時域、頻譜

圖3 泵非驅(qū)動端加速度包絡(luò)頻譜

根據(jù)軸承型號7312BECBM、轉(zhuǎn)速2980 r/min 計算，軸承內(nèi)圈的故障頻率計算公式：

經(jīng)計算可得，該軸承內(nèi)圈故障頻率f=353.13 Hz，與在線監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測的軸承缺陷頻率354.69 Hz 幾乎重合，因此泵非驅(qū)動端加速度包絡(luò)頻譜中出現(xiàn)的頻率為軸承內(nèi)圈故障頻率，綜合判斷可以得出，該泵的非驅(qū)動端軸承7312BECBM 內(nèi)圈發(fā)生故障，引起該軸承的振動加速度偏高。

通過在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)分析，將該泵的非驅(qū)動端軸承故障基本鎖定在滾動軸承內(nèi)圈。由于該軸承的潤滑方式為飛濺潤滑，需先檢查泵非驅(qū)動端軸承室滑油，現(xiàn)場檢查滑油液位正常，泄放滑油目視清亮未變質(zhì)，但軸承箱底部存在少量鐵屑，說明存在磨損。根據(jù)設(shè)備設(shè)施完整性要求，油田維修專業(yè)對外輸泵非驅(qū)動端軸承進行預(yù)防性更換，在拆卸過程中發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈存在坑蝕剝落，與在線檢測系統(tǒng)判斷一致，剝落情況如圖4 所示。

圖4 泵非驅(qū)動端剝落情況

4 結(jié)論

通過振動在線檢測系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)了外輸泵非驅(qū)動端軸承前期故障征兆，并指導進行設(shè)備的預(yù)知性維修，避免了設(shè)備關(guān)斷，有力保障了油田正常穩(wěn)定生產(chǎn)。目前在線監(jiān)測診斷已經(jīng)成為設(shè)備預(yù)防性維修閉環(huán)管理中不可或缺的一環(huán)，能夠為設(shè)備檢修提供明確方向，有效降低設(shè)備運維成本?；谠O(shè)備的在線監(jiān)測，運用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備故障智能診斷，完成設(shè)備維護方式從預(yù)防性維修向預(yù)知性轉(zhuǎn)變，優(yōu)化設(shè)備管理模式，對建設(shè)海洋石油數(shù)字化油田及智能化平臺具有重要意義[5]。