狀態監測與故障診斷系統在輸油泵機組中的應用

田 壘，劉軍輝，孫向東，吳玉國

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油管道公司管道工程第一項目經理部，河北 廊坊 065001；3. 中國石油天然氣管道局國際事業部坦桑尼亞項目部 河北 廊坊 065000）

狀態監測與故障診斷系統在輸油泵機組中的應用

田 壘1，劉軍輝2，孫向東3，吳玉國1

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油管道公司管道工程第一項目經理部，河北 廊坊 065001；3. 中國石油天然氣管道局國際事業部坦桑尼亞項目部 河北 廊坊 065000）

針對輸油泵機組日常運行管理依舊靠人工巡檢的情況，介紹一種輸油泵實時狀態監測與故障診斷系統，闡述了該系統的主要構成及工作流程。對輸油泵主要故障形式、輸油泵主要監測對象與測點布置及輸油泵主要故障診斷方法進行介紹并加以舉例分析，為石油企業安全輸油提供一定的科學依據。

輸油泵；狀態監測；故障診斷

輸油泵機組是輸油管道系統的關鍵設備，這些設備能否安全運行直接關系到管道系統能否安全運行。長期以來，定期計劃維修體制在泵機組設備正常運行中發揮了重要作用，它至今仍是世界各國的重要設備維修體制。隨著經濟的快速發展，設備體積越來越大，功能性越來越強，其安全性和經濟性日顯重要，對機組的檢修、維護、運行、管理提出了更高層次的要求。不能單純的對設備進行定期檢修，要具有針對性的監測和故障分析。

目前，國內很多泵站缺乏現代化的監測手段，以致電機和泵軸損壞、軸承過熱燒損和泵體振動過大等故障時有發生，這對成品油在輸油管道的安全運行埋下重大的安全隱患，嚴重影響了正常生產[1]。因此做好對泵機組的狀態監測和故障診斷技術的研究對整個石油企業的安全生產是很有必要的。

1 狀態監測與故障診斷系統的作用

（1）狀態監測與故障診斷系統能實時監測輸油泵機組的易故障部位，一旦采集的數據信息發生異常，維修人員可以在第一時間鎖定故障零部件，通過分析查找到相關原因，短時間內排除故障，防止泵因故障停機造成生產損失。據資料統計顯示，50%左右的泵機組故障是由不正確的對中校準所導致，具有不對中故障的轉子系統在其運轉過程中將產生一系列有害于設備的動態效應，如引起聯軸偏轉、軸承早期損壞、油膜失穩、軸彎曲變形，導致機器發生異常振動，危害很大。目前，國內外一些大型的石油、石化企業已裝有專門針對輸油泵機組的狀態監測與故障診斷系統并取得了顯著的經濟效益。

（2） 大大改善輸油泵機組的維修性，為企業節省人力、財力。大型輸油泵機組機構復雜，點檢工作量巨大，對檢測的質量要求很高，一般情況下很難單純的依靠人為經驗和感官把故障檢查出來?，F在大部分泵站仍然依靠定期維修和事后維修的模式對泵機組管理。事后維修檢修周期長，因事故在時間上發生的預知性和隨機性，故障難以預料，因此往往造成機組設備的嚴重損害，額外的增加維修費用；定期維修雖然依靠泵機組設備日常維修記錄、故障率的統計規律或老技術員的經驗而定，但是人為因素較大，而且有些機組運行狀況可靠。此前普遍認為隨著泵機組運行時間的增加相應的故障發生頻率也會增高，但根據相關調研結果表明，此說法缺乏科學性。如圖1所示：89%的設備故障與運行時間無關。A線為典型的“浴盤曲線”，設備從投入使用到報廢故障變化呈現一定的規律；B線，故障率恒定或者到末期略增，有明顯的磨損期；C線，故障率增加，但沒有明顯的壽命期；D線，當設備是新的時候故障率增加，然后穩定；E線，故障隨機發生，故障率恒定不變；F線，設備早期故障率較高，然后慢慢下降到一個穩定水平。從新的故障模式曲線來看，顯然這兩種維修方式有不可避免的缺陷，而狀態監測與故障診斷技術的應用極大的縮短了泵機組維修的過程，縮短了維修時間，延長零部件的使用壽命。同時故障診斷系統又能準確的指出故障發生的部位、故障類型甚至故障程度，從而降低對維修人員的技術要求[2]。

（3）提高輸油泵機組的出勤率。在油品輸送時，一旦泵停機，不光造成重大的安全隱患，同時還給企業造成大額經濟損失。狀態監測和故障診斷技術能減少輸油泵機組維修停機時間。

圖1 設備故障率與運行時間關系Fig.1 The relationship between equipment failure rate and running time

2 輸油泵機組主要監測對象和監測點的布置

由前述輸油泵機組發生故障情況可以看出，動態部位是泵機組故障高發位置，如表1所示，它包括滑動軸承、葉輪、轉軸等。若能實時監測這些動態部件的運轉情況并及時的判斷出出現故障的位置并分析出故障類型可大大提升輸油泵的工作效率、減少事故的發生。

鐵嶺某泵站引進的一套狀態監測與故障診斷系統，通過工程師的改進對泵進行在線監測。監測點布置如下圖2。數字代表測點順序號，字母V代表垂直方向，H代表水平方向，T代表溫度，P代表壓力，A代表軸向。主要監測泵軸承、泵體震動速率，轉子、軸承溫度及泵出口壓力[3]。據統計運用這套系統以來維修故障率減少50%，維修費用降低25%～45%。

表1 輸油泵機組主要部位的故障類型Table 1 Failure types of main parts of oil pump unit

圖2 測點布置圖Fig.2 Arrangement of measuring points

3 泵機組狀態監測與故障診斷主要流程

振動信號在線監測診斷技術是設備在線狀態監測與故障診斷的重要手段，該診斷監測系統的基本構成見圖3。通過傳感器采集輸油泵的振動信息，把振動信號轉換成電信號后，通過A/D轉換成數字信號進入計算機進行分析處理，再通過一系列的分析、運算處理得到反映故障狀態的信息譜圖[4]。

圖3 在線監測與故障診斷系統的基本構成Fig.3 The basic composition of on-line monitoring and fault diagnosis system

4 泵機組故障診斷方法

目前對輸油泵機組的故障診斷方法已有很多種，每個輸油泵機組都有其運行特點，所以技術人員通常使用以下方法對輸油泵進行分析診斷：

（1）頻譜分析法

輸油泵的每個零部件在不同的工況下，會反映出其特有的特征頻率。頻譜分析根據其特征頻率將輸油泵的特征頻率加以區分，從而定位出發生故障的部位并加以分析診斷。

頻譜分析的核心原理為：

（2）時域分析法

時域分析通常包括波形分析、軸心軌跡分析和軸心位置分析等方法。時域分析法通過時域的參數指標，如均值、方差、偏斜度、分布密度、峰值、峭度、波形指標、裕度指標、脈沖指標等，對輸油泵機組進行總體振級大小的定量分析，時域分析是一種最基本的分析方法，主要用于對故障的初步判定，這種方法簡便，直觀，便于理解。

（3）包絡解調分析法

輸油泵在發生故障時會產生周期性的沖撞振動，振動的時間取決于沖撞力、質量、物理的減振特性和其他參數。因為沖擊力使泵軸承結構產生共鳴，會產生與軸承共振頻率有關的正弦波。包絡解調分析法可有效識別某些沖擊振動，從而定位出沖擊振動的振源[5]。包絡解調法對輸油泵軸承早期的診斷尤為有效，其核心為希爾伯特變換。

（4）小波分析法

小波分析是為適應信號處理的實際需要而發展起來的一種時頻分析方法，與傳統的信號處理方法相比，小波變換在時域和頻域同時具有良好的局部化特征，可用于突變信號和非平穩信號的分析，這在泵的狀態監測以及早期故障診斷中具有重要的意義。目前，小波分析方法已經在泵的故障特征提取中得到了研究和應用。如有人利用小波分析對輸油泵的振動信號進行了消噪，實驗結果表明，使用該方法能夠有效地抑制信號中的噪聲，提高故障診斷精度。小波變換來源于傅里葉變換和短時傅里葉變換，核心公式為：

5 狀態監測與故障診斷技術在輸油泵機組中應用實例

山東某油庫輸油泵前端振動異常，瞬時振動位移達到120μm，超過系統設定的報警上限，而油泵其余部位的震動都正常，系統初步分析判定為軸承不對中。調出數據庫存儲的數據，分別進行時域和頻譜分析。從系統給出的時域波形圖和時域參數列表可知泵前端的振動明顯高與其他部位，波形圖紊亂。但單純的通過時域參數和波形圖仍無法判定故障原因，故進一步進行頻譜分析。具體頻譜分析結果見圖4，從圖可以明顯看出出現倍頻，2倍頻，3倍頻，由此判斷故障原因為轉子對中不良，經拆機維修后，振動明顯下降[6]。

圖4 運行泵的頻譜圖Fig.4 The frequency spectrum of the running pump

6 結束語

對泵機組進行狀態監測與故障診斷能實時掌握機組的運行狀態，準確判定故障，及時進行維修。通過在線監測、實時診斷，可大幅提高泵機組的出勤率和設備完好率，延長輸油泵使用壽命，保證安全輸油生產。

輸油泵機組狀態監測與故障診斷技術在我國起步較晚，雖然近些年來發展迅猛，但與發達國家相比仍有許多不足之處。有時候泵可能同時出現好幾種故障，單純依靠一種診斷方法很難判定故障根源。所以結合大型輸油泵結構特點及典型故障，充分利用現代計算機技術、信號分析處理技術、振動監測理論和設備故障診斷技術，結合虛擬技術，構建輸油泵狀態監測和故障診斷系統，對泵機組智能監測診斷，提高企業生產效率。

［1］ 王本漢，李保國.輸油泵機組故障診斷專家系統的研究與應用[J].油氣儲運，2003 ,22(10):34-39.

［2］ 董澤亮.淺談狀態監測與故障診斷系統在直升機旋翼中的應用[J].科技論壇，2010,20(1):165-166 .

［3］ 祖楠.離心輸油泵在線監測與故障診斷系統[J].油氣田地面工程，2010,29(10):66-67.

［4］ 游天明，徐荃.輸油泵機組在線檢測與故障診斷[J].流體機械，2010,38(11):46-48.

［5］ 蔣先堯，王維斌. 輸油泵機組在線監測系統研究[J].機電信息，2011(27):179-181.

［6］ 孫偉，張軍博，謝孝宏. 大型旋轉設備實時監測及故障診斷系統[J].油氣儲運，2008,27(3):50-52.

Application of the State Monitoring and Fault Diagnosis System in Pump Units

TIAN Lei1,LIU Jun-hui2,SUN Xiang-dong3,WU Yu-guo1

（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China; 2.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation No.1 Project Manager Department, Hebei Langfang 065001, China; 3. Tanzania project department of International Service Department, China Petroleum Pipeline Bureau, Hebei Langfang 065000, China）

A fuel pump real-time status monitoring and fault diagnosis system was introduced; the main components and work flow of the system were described. Main faults of pump, main monitoring objects and measuring point’s layout and the main pump fault diagnosis methods were discussed and analyzed, which could provide a scientific basis for safe oil transmission.

Pump; Condition monitoring; Failure diagnostics

TE 832

A

1671-0460（2015）03-0567-03

2014-09-22

壘田 （1990-），男，河南南陽人，遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業在讀碩士研究生，研究方向：輸油泵狀態監測與故障診斷技術。E-mail：619772817@qq.com。

吳玉國（1977-），男，副教授，博士，研究方向：長距離輸油管道優化運行。E-mail：wyg0413@126.com。