振動檢測分析技術(shù)在海洋石油平臺上的應(yīng)用

宮忠才，孫佳祥，劉 陽

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津300457)

0 引 言

機械設(shè)備在海洋石油平臺生產(chǎn)過程中應(yīng)用廣泛，具有推動生產(chǎn)的重要作用，一旦其出現(xiàn)故障就會造成經(jīng)濟(jì)損失，并且可能造成環(huán)境破壞，甚至威脅生產(chǎn)者人身安全。由于海洋石油平臺所處環(huán)境的特殊性，如果備品備件不充足，機械設(shè)備一旦出現(xiàn)故障導(dǎo)致停機，往往不能及時進(jìn)行維修，將會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。機械設(shè)備故障時，一般會出現(xiàn)異常的聲音、溫度或振動等現(xiàn)象，其中振動可以直接體現(xiàn)出機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。通過振動檢測，可以持續(xù)地對機械設(shè)備實施檢測與故障診斷，在設(shè)備故障初期進(jìn)行有針對性的維修[1]，從而有效地降低設(shè)備故障停機率，提高設(shè)備的完好性，為企業(yè)提升裝備管理水平打下牢固的基礎(chǔ)。

振動是指物體在某一中心位置附近做往復(fù)運動的過程。機械設(shè)備產(chǎn)生異常振動的原因一般包括轉(zhuǎn)子不平衡、軸心偏移、軸承磨損、連接件松動等問題，因此振動信號能夠直接反映出設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。對于振動信號，可以通過在時域與頻域進(jìn)行處理分析。

1 常用的振動信號分析方法

通常，振動信號的分析會從時域與頻域進(jìn)行，時域是描述信號在時間方面特性時用到的一種坐標(biāo)系，簡單的振動信號分析可通過其在時域的特征進(jìn)行判斷[2]。時域分析方法包括均值、方差、偏斜度、峭度、峰值等[3]。除時域分析外，也在頻域?qū)π盘栠M(jìn)行分析，一般通過信號的頻譜、能量譜、功率譜、小波分析等對信號處理分析。最常用的方法是將信號通過傅里葉變換后進(jìn)行頻譜分析。此外，經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解也是常用的信號處理方法之一。

1.1 均值

機械設(shè)備振動信號均值也被稱為直流分量，用于判斷機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)是否穩(wěn)定，是采樣周期內(nèi)信號幅值的平均數(shù)。

式中：n為采樣時間窗口大小；ai為時間窗口內(nèi)第i個數(shù)據(jù)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)差

標(biāo)準(zhǔn)差是采樣時間窗口內(nèi)數(shù)據(jù)與均值差平方的算術(shù)平均數(shù)的平方根，用于判斷機械設(shè)備運轉(zhuǎn)信號對比均值的離散程度。

式中：n為采樣時間窗口大小；ai為時間窗口內(nèi)第i個數(shù)據(jù)，mean為信號均值。

1.3 傅里葉變換

傅里葉變換是頻域分析最經(jīng)典的分析方法之一，也是將信號從時域變換到頻域的重要工具之一，序列X(n)的傅里葉變換公式如下所示。

1.4 經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解

經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解也是應(yīng)用較為廣泛的一種信號時頻處理方法，它是將信號自身的時間尺度特征分解成有限個本征模函數(shù)(IMF)[4]，包括原信號不同時間尺度的局部特征信號，通常用于非線性、非平穩(wěn)信號的分析處理。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解后的信號可以表達(dá)為有限個本征模函數(shù)與剩余部分的線性疊加。

2 振動檢測在海洋石油平臺應(yīng)用

本文以采油服務(wù)公司運營的大型海上石油生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備為例進(jìn)行分析。在目前生產(chǎn)過程中，海上石油生產(chǎn)設(shè)備主要采用振動傳感器對泵體、泵軸等位置進(jìn)行檢測，通過實時收集的峰值來初步判斷設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并結(jié)合專業(yè)公司年度設(shè)備狀態(tài)檢測故障診斷方法實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的管理。海上生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備按照ISO10816-3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評判，可以按照振動水平區(qū)域界限值(mm/s RMS)分為A、B、C、D 4大類，其中A類(＜2.8)定義為新交付使用的機器，B類(2.8～4.5)定義為可以無限長時間安全運行，C類(4.5～7.1)定義為不適宜長時間連續(xù)運行，考慮在適合的機會進(jìn)行維修，D類(＞7.1)定義為振動強度足以使機器破壞[5]。

以原油泵 P-9501為例進(jìn)行分析，該泵電機軸承為 7324B/6330C3，離心泵軸承為 RMS36/RMS36，信號測量取點如圖1所示，測量結(jié)果如表1所示。

表1 P-9501測試結(jié)果Tab.1 P-9501 test results

按照 ISO 10816-3標(biāo)準(zhǔn)評判該泵機組為振動超標(biāo)，并對振動信號進(jìn)行頻譜分析。通過分析可以得到圖2，原油泵M1A測點軸向方向出現(xiàn)7324軸承滾動體故障頻率及諧波，并伴有保持架故障頻率邊帶，說明軸承存在早期故障。圖 2表明泵驅(qū)動端垂直方向(P4V)存在 3.112倍轉(zhuǎn)速頻率分量，接近 RMS36軸承的外環(huán)故障頻率，可能軸承早期故障；泵非驅(qū)動端水平方向(P5H)的轉(zhuǎn)速 6倍頻率分量幅值突出，低頻區(qū)存在隨機譜，說明流體激振明顯。

圖1 原油泵P-9501示意圖及測點位置Fig.1 Schematic view of pump P-9501 and test point location

圖2 電機自由端軸向方向測點gSE頻譜Fig.2 gSE spectrum of axial direction measurement point of free end of motor

綜合分析得到該泵的測試結(jié)論：電機測點 M1H的主要頻率分量為電機轉(zhuǎn)速，說明在此方向上的支承變差，可能與支承剛性或螺栓緊固有關(guān)。泵測點中以葉片通過頻率分量為主，并存在大量低頻隨機譜，說明泵內(nèi)流體激振明顯。電機軸承滾動體/保持架、泵軸承外環(huán)早期故障。因此最終建議：定期檢查進(jìn)出口濾網(wǎng)和壓力，以及葉輪、流道的磨損情況等，及時進(jìn)行調(diào)整；檢查電機螺栓緊固情況，跟蹤電機軸承故障發(fā)展情況。

3 未來發(fā)展趨勢

大規(guī)模推行在線振動檢測技術(shù)對于實現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字化裝備管理具有非常關(guān)鍵的意義。目前，采油公司運營裝備的振動檢測仍然處于初級階段，十分依賴具有設(shè)備診斷經(jīng)驗的人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且不具備實現(xiàn)長時間連續(xù)監(jiān)控的功能，下一步需要對海上設(shè)施的重要設(shè)備實施連續(xù)在線監(jiān)控。如今，人工智能發(fā)展迅速，可以通過構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立深層次、多維度的數(shù)據(jù)模型，并不斷補充故障信號特征的訓(xùn)練樣本，豐富振動數(shù)據(jù)模型，高效自主判斷設(shè)備檢測數(shù)據(jù)中的特征信息[6]，從而減少在信號處理中對分析人員經(jīng)驗的依賴。

4 結(jié) 語

本文通過闡述常用的振動檢測技術(shù)方法，結(jié)合海洋石油平臺對振動檢測技術(shù)的實際應(yīng)用，說明振動檢測技術(shù)對設(shè)備預(yù)防性維修以及預(yù)測性維修具有實際參考作用，并推斷出振動檢測技術(shù)的發(fā)展方向，通過建立豐富的數(shù)據(jù)庫模型替代人員經(jīng)驗診斷，為實現(xiàn)智能化、數(shù)字化的裝備管理帶來契機。■