無線泵監(jiān)測技術(shù)

艾默生過程控制有限公司

無線泵監(jiān)測技術(shù)

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泵對于工業(yè)企業(yè)的日常運行至關(guān)重要，需要時時維護(hù)，以確保工廠正常運作。隨著使用年限的不斷增加，泵的性能也會逐漸下降，若其發(fā)生故障可能會導(dǎo)致工廠停機、重大經(jīng)濟損失以及人員傷害和公司聲譽受損。因此，對于工業(yè)企業(yè)用戶來說泵的可靠性至關(guān)重要。

1　小監(jiān)測，大效益

以一家煉油廠為例，一般工廠里會有10%的泵是特別重要的，因此工廠通常會對其進(jìn)行實時在線監(jiān)測，以避免發(fā)生災(zāi)難性的事故。而其余90%的泵都需要依靠人工巡檢來獲取狀態(tài)信息，然而人工巡檢有時無法準(zhǔn)確識別設(shè)備的性能是否衰減以及設(shè)備是否處于低效運行狀態(tài)。

據(jù)統(tǒng)計，泵的維護(hù)費用占到整個工廠維護(hù)成本的7%，而工廠的生產(chǎn)損失有0.2%歸結(jié)于泵故障，如果對泵進(jìn)行在線監(jiān)測，這些損失是完全可以避免的。

過去，使用在線監(jiān)測系統(tǒng)和安裝有線設(shè)備投資成本高，或者線槽已滿難以增加新的設(shè)備，這些都是阻礙工廠增加泵監(jiān)測點的因素，而如今，無線技術(shù)讓一切迎刃而解。安裝簡單、無需基礎(chǔ)設(shè)施改造，用戶可以輕松地增加額外的測量點，從而對泵進(jìn)行在線監(jiān)測和可靠性維護(hù)。通過以下三種創(chuàng)新方式，用戶即可對泵進(jìn)行實時監(jiān)測，確保其安全、可靠運行。

1.1泵的密封監(jiān)測/封液罐監(jiān)測

雙機械密封通常應(yīng)用于對密封要求較高的地方，其表面經(jīng)過精細(xì)機械加工，一面安裝于密封壓蓋內(nèi)，一面安裝于主軸上，密封件之間用密封液填充以起到潤滑和降溫作用。表面雜質(zhì)和結(jié)焦會縮短密封壽命，但是正確地沖洗可以使其持續(xù)工作數(shù)千小時。

輔助密封沖洗系統(tǒng)可以是加壓或是無壓的。無壓密封沖洗系統(tǒng)是讓工藝流體流入密封液，充當(dāng)緩沖劑，這種方式可能使工藝流體通過外側(cè)密封泄漏到空氣中。帶加壓密封沖洗系統(tǒng)的雙機械密封可以有效防止泄漏的發(fā)生。

圖1　API 沖洗方案52 無壓輔助密封沖洗系統(tǒng)用于在線測量

圖1顯示了API沖洗方案52適用于危險品，它提供潔凈的外部緩沖液以保護(hù)環(huán)境。壓力升高表示泵送工藝流體在大氣壓力下產(chǎn)生汽化并泄漏到緩沖液；同樣，如果泵送流體在大氣壓下依然保持液態(tài)，那么液位升高也可表明泄漏發(fā)生；液位緩慢降低屬于正?，F(xiàn)象，但如果是突然大幅升高則表示緩沖液正通過外側(cè)密封泄漏出來。

可用指針式無線壓力變送器替代本地壓力指示計，提供連續(xù)在線監(jiān)測，以便更早地發(fā)現(xiàn)泄漏隱患。也可以通過控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，或是由在線預(yù)測性設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)來解讀壓力升高的現(xiàn)象，并提供可執(zhí)行的信息。

封液罐需要定期注滿，一般通過人工巡檢來完成，但是如果一旦密封液干掉，就會導(dǎo)致高昂的維修費用，以及人身傷害和環(huán)境風(fēng)險，因此密封罐都會設(shè)置低液位報警。根據(jù)最新的API標(biāo)準(zhǔn)682（第四版）規(guī)定靜液面技術(shù)將取代開關(guān)量來進(jìn)行連續(xù)液位測量，提供低液位報警。使用液相測量管時，參考管中的液體數(shù)量的不同會影響液位測量的準(zhǔn)確度。模擬量液位指示，可顯示液位的變化率，當(dāng)液位發(fā)生異常的迅速下降，可發(fā)出報警，從而為操作人員換泵送修爭取更多時間。

有時，污染物或是工藝流體與密封沖洗液混合，會改變罐裝沖洗液的密度，在這種情況下無線導(dǎo)波雷達(dá)變送器能夠提供比靜液面更為精確的封液罐液位測量，精度高達(dá)+/- 0.2" (5mm)，而且不會因為液相測量管內(nèi)液體流失而產(chǎn)生測量錯誤，導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器的優(yōu)勢還在于其可安裝在罐頂，不占用儲罐原有的空間，可提供比API682標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定更為寬泛的量程。除此之外，也可以把設(shè)備安裝在儲罐外腔一側(cè)。

1.2汽蝕監(jiān)測

離心泵使液體速度加快，在泵入口處產(chǎn)生靜壓下降，如果水的絕對壓強低于該溫度下水的飽和蒸汽壓，就會產(chǎn)生氣泡，隨著壓力升高，氣泡破裂，對葉輪和泵殼表面造成機械損傷。這種現(xiàn)象叫汽蝕現(xiàn)象，會損傷泵部件、使流量不穩(wěn)定、加速軸承磨損并使密封失效。

圖2　泵出口壓力監(jiān)測用于汽蝕現(xiàn)象報警

當(dāng)泵運行超出設(shè)計量程，常常會產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，泵的間歇性抽吸也會產(chǎn)生汽蝕。故障可能在人工巡檢之前已經(jīng)發(fā)生，但是通過泵出口壓力的監(jiān)測可以更早發(fā)現(xiàn)問題，如圖3所示。

有些先進(jìn)的泵監(jiān)測方案可監(jiān)測出口壓力波動情況，預(yù)報可能發(fā)生的汽蝕現(xiàn)象。當(dāng)壓力波動的增加與沖擊力測量峰值正相關(guān)（將在下一個“振動”章節(jié)進(jìn)行討論），這表明泵出現(xiàn)了汽蝕現(xiàn)象。結(jié)合壓力和振動監(jiān)測數(shù)據(jù)來判斷汽蝕現(xiàn)象是通過過程和設(shè)備測量更完整了解泵健康狀況的最好例子。

對于高壓多級泵來說短暫的汽蝕現(xiàn)象也會造成損害，因此在泵的監(jiān)測體系中應(yīng)該還要包括吸液裝置的液位、泵吸入濾器以及所有安裝在泵出入口的自動隔離閥的差壓，這些地方很容易移動或堵塞造成汽蝕。

1.3振動監(jiān)測

泵發(fā)生劇烈振動代表有故障， 振動變送器可以測量振動狀況，解讀和分析振動的起因。

混凝土底座或金屬框損壞、軸未對準(zhǔn)、葉輪損壞、泵或電機軸承磨損、偶合磨損、汽蝕現(xiàn)象都會引起電機和泵的劇烈振動，從而使密封失效，并可能造成嚴(yán)重后果，包括高昂的維修費用、過程停機、產(chǎn)量下降、危害物質(zhì)泄漏罰款、可燃物質(zhì)泄漏引發(fā)的火災(zāi)等。

在線振動監(jiān)測能夠及時發(fā)現(xiàn)泵性能下降的起因，但是傳統(tǒng)的全面振動測量還存在很大的局限性，并不能提供足夠早的預(yù)警信息來防止故障發(fā)生。例如，一個全新的軸承和一個還有10%甚至1%使用壽命的軸承所顯示的振動數(shù)據(jù)是一樣的。

圖3　傳統(tǒng)的振動測量

對于高頻機械沖擊產(chǎn)生的故障已經(jīng)有了新的測量技術(shù)，例如金屬之間互相摩擦的外殼，新的測量技術(shù)可提供旋轉(zhuǎn)部件磨損故障的早期預(yù)警，也就是在設(shè)備還有10%以上的使用壽命時發(fā)現(xiàn)問題，以便及時采取防預(yù)措施。

圖4　振動及沖擊壓力峰值測量

2　故障預(yù)測

表1匯總了經(jīng)常發(fā)生的泵故障及如何通過測量獲得故障預(yù)警。密封液液位和壓力、泵出口壓力和沖擊壓力峰值等信息組成了預(yù)警系統(tǒng)。振動和溫度測量數(shù)據(jù)均可指示故障的發(fā)生，并可用于分析根本起因。現(xiàn)代化的泵健康狀態(tài)監(jiān)測方案通過壓力及機械測量數(shù)據(jù)等關(guān)鍵預(yù)測維護(hù)信息全面掌握泵的情況。

表1　用于預(yù)測泵故障的在線測量數(shù)據(jù)

預(yù)測維護(hù)的必要性包括：

· 維護(hù)成本降低50%；

· 意外故障減少55%；

· 檢修和停機時間減少60%；

· 備件庫存降低30%；

· 平均故障間隔時間延長30%；

· 正常運行時間延長30%。

把諸如流出及吸入壓力、濾網(wǎng)差壓、密封油壓力和液位等過程數(shù)據(jù)與完整的振動數(shù)據(jù)、沖擊數(shù)據(jù)、泵軸承溫度、泵速度以及運行/停止信息相結(jié)合，可針對早期汽蝕現(xiàn)象發(fā)出簡單易懂的預(yù)警信息，無需專門的機械專家對數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀。市場上某些先進(jìn)的泵健康狀態(tài)監(jiān)測方案甚至還能通過預(yù)制的運算法則提供依據(jù)過程和設(shè)備數(shù)據(jù)生成的設(shè)備健康狀況報告。

泵的監(jiān)測方案可以根據(jù)特定的工藝環(huán)境和泵的設(shè)計來制定，它規(guī)?？勺儯蓮暮唵蔚幕跔顟B(tài)的單個變量振動監(jiān)測擴展到全面的泵狀態(tài)和運行狀況報警。

狀態(tài)監(jiān)測的挑戰(zhàn)在于要同時滿足運行人員與可靠性團(tuán)隊對于數(shù)據(jù)的不同需求，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的信息。運行人員需要獲得密封泄漏或汽蝕等嚴(yán)重情況的報警，以預(yù)防即將發(fā)生或嚴(yán)重的泵故障，而可靠性團(tuán)隊則需要更多的信息來進(jìn)行長期規(guī)劃，包括訂購備件，既要降低備件庫存又要能夠及時滿足維護(hù)需求。因此預(yù)測性維護(hù)對于實現(xiàn)精益可靠性計劃是至關(guān)重要的。

圖5　采用無線變送器監(jiān)測泵的健康狀況

3　無線技術(shù)提供了新的可能

上述測量方案可以通過有線或無線方式來實現(xiàn)，只不過采用有線4～20mA或基金會現(xiàn)場總線方案相對無線方案而言會更為復(fù)雜，安裝更麻煩，成本更高。

有些泵位于危險或是難以到達(dá)的區(qū)域，采用有線測量方案的成本較高或是無法實現(xiàn)，這時無線方案則是一種很好的選擇，它適用于各種嚴(yán)酷工況，能夠以經(jīng)濟的方式在工廠范圍內(nèi)擴展在線測點，最重要的是無線系統(tǒng)可以方便高效地在任何地點安裝，做到即裝即用。

無線變送器采用電池供電（電池可用于危險區(qū)域），無需線纜、開放的I/O點或本地電源，因此可以在遠(yuǎn)離過程裝置有線信號的地方使用，安裝、組態(tài)、調(diào)試往往只需幾個小時，非常方便，而有線設(shè)備一般則需要幾周。

4　泵監(jiān)測的經(jīng)濟收益

如圖5所示采用完整的泵健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以在數(shù)月后即看到收益。以一家日產(chǎn)250,000桶的煉油廠為例，有80臺泵安裝了監(jiān)測系統(tǒng)，每年節(jié)省可達(dá)120萬美元，其中維護(hù)成本節(jié)省36萬美元，由于泵故障引發(fā)的過程停機減少，節(jié)省91.2萬美元。

5　總結(jié)

由泵故障引發(fā)的事故往往會造成巨大的經(jīng)濟損失，這完全是可以避免的，困難在于如何在適當(dāng)?shù)臅r間采用適當(dāng)?shù)木S護(hù)策略以防止危險品泄漏、火災(zāi)、昂貴的維修、過程停機， 同時避免一切不必要的維護(hù)。通過預(yù)防性維護(hù)和人工巡檢是無法實現(xiàn)的，因此基于狀態(tài)的在線監(jiān)測變得必不可少，以前在大部分工廠內(nèi)這種監(jiān)測僅限于關(guān)鍵的泵設(shè)備，而帶有無線技術(shù)的預(yù)測性維護(hù)方案使任何一臺泵都可以獲得在線監(jiān)測。

預(yù)測維護(hù)采用在線狀態(tài)監(jiān)測，能有效降低維護(hù)費用，減少因人工巡檢不及時而造成的災(zāi)難性事故，也可以省去不必要的預(yù)防性維護(hù)工作、節(jié)省人工。選擇什么樣的應(yīng)用程序來分析測量數(shù)據(jù)并及時提供可執(zhí)行的信息是高效泵監(jiān)測計劃的重要部分。