基于振動(dòng)分析的注水泵共振故障診斷

李文生

（長慶油田分公司第三采油廠，陜西延安 717600）

0 引言

長慶油田采用上海華陽檢測儀器有限公司產(chǎn)品對部分污水泵、注水泵、清水泵裝置進(jìn)行了連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)2臺(tái)注水泵電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)，對振動(dòng)根源進(jìn)行分析。

1 柱塞泵結(jié)構(gòu)概況

作為油田的重要設(shè)備，往復(fù)式柱塞泵運(yùn)行狀態(tài)是設(shè)備管理的重點(diǎn)。5DSB系列柱塞泵裝置主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、皮帶輪、柱塞泵、基座組成，其中柱塞泵分為動(dòng)力端與液力端2部分[3]。柱塞泵型號5DSB-41.9/20，輸送介質(zhì)為含油污水，介質(zhì)溫度≤75℃，理論排量 43.07 m3/h，進(jìn)口壓力（0.1～1）MPa，出口壓力 20 MPa，柱塞直徑75 mm，往復(fù)次數(shù)260次/min，裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速1480 r/min，電機(jī)功率280 kW皮帶輪減速比5.7，裝置總重量710 kg。振動(dòng)傳感器安裝位置：電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承垂直方向2V-v；泵前軸承垂直方向3V-v；泵后軸承垂直方向：4V-v。

2 電機(jī)振動(dòng)異常分析

2.1 1#注水泵振動(dòng)分析

1#注水泵 3 個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)（2V-v，3V-v，4V-v） 的振動(dòng)速度分別為 10.447 mm/s，3.4 mm/s，2.5 mm/s。泵前軸承和后軸承測點(diǎn)按ISO 10816-3—2009標(biāo)準(zhǔn)評定為A區(qū)，屬于振動(dòng)良好，可長期安全運(yùn)行。電機(jī)輸出端軸承座徑向振動(dòng)通頻幅值達(dá)10.447 mm/s，按ISO 10816-3—2009標(biāo)準(zhǔn)評定為C區(qū)[5]，屬于振動(dòng)報(bào)警區(qū)。對比其他電機(jī)，該測點(diǎn)溫度偏高，應(yīng)盡快安排維修。

從電機(jī)驅(qū)動(dòng)端異常振動(dòng)的波形和頻譜中，16.25 Hz峰值非常突出，該頻率對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖1為該泵振動(dòng)烈度的趨勢圖。從2018年4月4日至2018年4月26日，振動(dòng)波動(dòng)很大，反復(fù)在6 mm/s以下和8 mm/s之間跳動(dòng)，無明顯規(guī)律。

圖2為正常狀態(tài)時(shí)振動(dòng)信號的頻譜圖，與異常時(shí)頻譜中只有轉(zhuǎn)頻不同，電機(jī)振速正常時(shí)信號主要表現(xiàn)為低于16.25 Hz的2個(gè)峰值頻率。

圖3為異常時(shí)泵前軸承的振動(dòng)頻譜圖。其中能明顯發(fā)現(xiàn)16.25 Hz的頻率分量，但強(qiáng)度顯著低于電機(jī)驅(qū)動(dòng)端，說明該頻率應(yīng)該是從電機(jī)驅(qū)動(dòng)端傳過來的。

2.2 2#注水泵振動(dòng)分析

2#注水泵的電機(jī)端振動(dòng)更為劇烈，但泵前、泵后軸承振動(dòng)均較低。各測點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度見表1。

圖4為電機(jī)端振動(dòng)信號的時(shí)域波形及頻譜。振動(dòng)速度超標(biāo)原因主要在于1×轉(zhuǎn)頻18.75 Hz幅值過大。可以看出，信號還經(jīng)過幅值調(diào)制，以中心頻率18.77 Hz，邊帶16.27/21.27 Hz為表現(xiàn)形式，并且在2×頻處復(fù)現(xiàn)[6]。

觀察測點(diǎn)振動(dòng)趨勢圖如圖5所示。該泵電機(jī)端振動(dòng)仍然是在劇烈異常振動(dòng)和正常狀態(tài)間反復(fù)變化。正常時(shí)其頻譜中主要是3個(gè)峰值16.25 Hz，18.75 Hz，21.25 Hz，強(qiáng)度相似（圖 6）。

圖7是異常時(shí)泵前軸承的振動(dòng)頻譜圖。其中幅度最高的也是18.75 Hz的頻率分量，但強(qiáng)度明顯低于電機(jī)驅(qū)動(dòng)端。

可以看出，該測點(diǎn)的振動(dòng)信號形態(tài)和1#注水泵基本類似，但峰值振動(dòng)頻率從16.25 Hz上升到18.75 Hz。這可能是2個(gè)泵結(jié)構(gòu)（皮帶張緊力、電機(jī)軟腳程度等）差異所致。故障原因和1#注水泵類似。

圖1 1#注水泵電機(jī)測點(diǎn)振動(dòng)趨勢

圖2 1#注水泵電機(jī)測點(diǎn)正常信號頻譜圖

圖3 1#注水泵泵前軸承振動(dòng)信號頻譜圖

圖4 2#注水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)端異常振動(dòng)波形和頻譜

圖5 2#注水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)趨勢

圖6 2#注水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)端正常振動(dòng)頻譜

圖7 2#注水泵泵前軸承異常振動(dòng)速度頻譜

表1 2#注水泵各測點(diǎn)振動(dòng)值

2.3 診斷結(jié)論

2.3.1 電機(jī)振動(dòng)速度信號的3個(gè)特征。

（1）振動(dòng)烈度時(shí)高時(shí)低，故障狀態(tài)并非一直持續(xù)，而是反復(fù)在正常/異常之間變化，說明不是零部件的永久性損傷。

（2）正常時(shí)轉(zhuǎn)頻附近有間隔很小的頻率峰值，而異常頻譜中只有1個(gè)突出的頻率峰值。即2個(gè)頻率合成了1個(gè)頻率，并產(chǎn)生了更大的振動(dòng)。

（3）泵前軸承也受到該峰值頻率的影響，但振動(dòng)強(qiáng)度較弱。

2.3.2 故障誘因可能是共振所致

（1）皮帶在特定轉(zhuǎn)速下發(fā)生共振的主要原因是皮帶張緊力與轉(zhuǎn)速不匹配。皮帶為彈性結(jié)構(gòu)，共振頻率很低，容易與某些轉(zhuǎn)速發(fā)生共振，共振時(shí)皮帶對2個(gè)帶輪的作用力顯著上升。電機(jī)端皮帶輪小，同樣的張力下會(huì)產(chǎn)生更劇烈的振動(dòng)。

（2）電機(jī)共振的根源主要是其地腳連接偏軟，形成彈性支撐，在特定轉(zhuǎn)速下易造成共振。建議先檢查地腳狀況，如果問題不能解決再檢查皮帶、調(diào)整皮帶松緊程度。

根據(jù)上述診斷，檢查電機(jī)地腳連接狀況，發(fā)現(xiàn)電機(jī)通過螺栓固定于方形鋼管底座，而鋼管壁薄、支撐剛度不足。在方管和基座之間楔入墊片，提高支撐剛性，2個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)大幅降低（圖8）。

3 結(jié)論

在注水泵上開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測工作，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)異常現(xiàn)象。分析2臺(tái)注水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)信號，診斷其為共振故障。通過提高電機(jī)支撐剛度，降低了振動(dòng)，解決了問題，保證注水泵的可靠運(yùn)行。這一方法故障原因分析準(zhǔn)確，方案處置簡單、有效，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備早期故障隱患，對類似故障診斷及處理有一定參考價(jià)值。