頻譜分析技術在海洋石油機泵設備常見故障診斷中的應用

李 政

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300450）

0 引言

機泵類設備在海上平臺和浮式儲油輪FPSO等工業生產中有廣泛的應用。海上油田主要常見的機泵有單級離心泵和多級離心泵、螺桿泵等。

機泵類設備在海上動設備中故障率相對較高，且機泵類設備在使用過程中會出現不平衡、不對中、軸承磨損、松動等常見故障，占整個故障類型的90%左右。如果不能及時發現這些故障，會造成相應的機泵停機甚至停產，從而給油田生產帶來重大經濟損失。

頻譜分析技術是隨著現代電子信息和計算機技術及數字信號處理技術發展起來的，是動設備狀態監測技術的一種有效的重要手段。通過對動設備現場布置振動傳感器，采集設備運行時振動信號，然后對采集的振動信號經過數采器的硬件部分和計算機中安裝的振動信號分析軟件進行傅里葉等處理手段，從而得到動設備振動信號的頻譜圖。通過分析設備振動信號中幅值較大的頻率成分，即表征設備故障信息，達到對動設備故障診斷分析。設備出現故障時，設備故障頻率會表征在頻譜中，通過對設備振動頻譜的分析，可以找到設備部件對應的故障原因和類型，從而提前預知動設備損壞的具體部位，有針對性地指導設備維護維修，保障動設備本質安全和可靠運行。

1 機泵類設備常見故障形式及對應案例頻譜分析

1.1 轉子不平衡

不平衡一般在機泵上主要是因為轉子制造質量偏心，或使用過程中轉子磨損、積灰等，導致轉子出現缺陷和損傷，造成轉子不平衡故障。

轉子不平衡故障的頻譜特點：

1）頻譜中主要為工頻幅值振動，即最大峰值為工頻，振動方向以垂直或徑向為主。若轉子為懸臂支承形式，則將有軸向分量。

2）在一階臨界轉速下，工頻振動幅值隨轉子轉速升高而增大。

3）頻譜圖中一般很少出現工頻的高次諧波分量。

4）振動信號原始時域波形近似為正弦波。

5）軸心軌跡為橢圓。

6）相位穩定。

某平臺注水泵機組，電機振動幅值較高，最高值為19.15 mm/s，在1H、1V、2H、2V等測點測量的振動的頻譜圖中主要為工頻幅值振動，無高次諧波分量，振動信號原始時域波形近似為正弦波。電機測點具體的頻譜圖和時域波形圖如圖1、圖2所示。

圖1 不平衡故障頻譜圖Fig.1 Spectrum of unbalance fault

圖2 不平衡故障時域波形圖Fig.2 Time domain waveform of unbalanced fault

根據實際測量頻譜綜合判斷，符合不平衡故障的典型頻譜特征，因此診斷為電機轉子動不平衡。對電機轉子做動平衡后，電機振動恢復為正常水平。

1.2 機組不對中

不對中主要指驅動設備轉子與被驅動設備轉子之間的連接對中，具體表現在聯軸器兩端轉子的對中程度上。

不對中類型主要分為平行不對中和角度不對中，及平行和角度不對中疊加在一起的混合不對中。通常人們普遍認為機械振動主要是不平衡故障所導致，但就機泵類設備而言，75%左右的振動是由不對中引起的，這點尤其在海洋石油生產動設備故障中非常常見。

不對中故障的頻譜特點：

1）較小幅值的轉子工頻，轉子2倍工頻峰值較大即2X工頻峰值較高。

2）對中程度逐漸偏差和增加，軸向振動分量也會逐漸增加。

3）振動信號的原始時域波形呈畸變的正弦波。

4）聯軸器兩邊振動相位呈180°反向。

5）如果2X工頻幅值大于1X工頻處的一半或以上時，則說明不對中程度增加。

6）軸心軌跡為月牙形、香蕉形，嚴重對中不良時的軸心軌跡可能出現“8”字形。

某平臺外輸泵機組，電機振動幅值增大，在采集振動信號時發現電機驅動端軸振動速度總值由之前的1.8mm/s上升至8.0mm/s，對比水平和垂直及軸向振動，發現軸向振動幅值增加最明顯，頻譜中主要以轉子工頻的和轉子的2X為主，其中轉子的2X峰值較大且突出，如圖3所示。

圖3 機組不對中時的頻譜圖Fig.3 Spectrum of unit misalignment

根據實際測量頻譜綜合判斷，符合機組不對中典型頻譜特征，尤其是軸向振動幅值增加最明顯，因此診斷為機組不對中。對機組重新對中后，振動下降到2.5mm/s，如圖4所示。

圖4 重新對中后的頻譜圖Fig.4 Spectrum after re alignment

1.3 軸承故障

機泵結構中的軸承大多數主要是滾動類軸承，滾動類軸承也是旋轉機械中應用最多的機械零部件，屬于易損耗部件之一。滾動軸承在使用過程中，由于銹蝕、疲勞剝落、斷裂，磨損擦傷等原因都可能使軸承過早損壞。即使是運行條件良好，當軸承運轉到一定時間以后也會出現磨損和疲勞剝落而不能正常工作。

軸承故障的頻譜特點：

滾動軸承潤滑不良，主要表現為振動加速度值和加速度包絡值升高，且加速度頻譜中高頻峰值較高和加速度包絡譜中地腳能量豐富，補充潤滑劑后加速度總值和加速度包絡值有顯著的下降趨勢。有時也會遇到補充潤滑劑后，振動加速度值和加速度包絡值沒有下降趨勢，這種情況大多數可能是由于軸承間隙不當或其他因素導致振動升高。

一般情況下滾動軸承出現故障都會表現為振動總值較大且趨勢有顯著的上升現象，在加速度包絡譜中存在（外圈、內圈、保持架或滾動體）軸承故障頻率及其諧波，加速度時域波形有明顯沖擊現象，同時時域波形的振動幅值較高。嚴重時，在速度頻譜中也會出現軸承故障頻率及其諧波，用金屬棒或聽診器在現場還能聽到明顯的異常噪聲。滾動軸承出現嚴重故障時需要及時更換軸承，否則容易造成抱軸等突發故障，導致設備嚴重故障。

某平臺一臺離心式原油外輸泵，泵端軸承運行時出現故障，振動總值升高。當時采集的軸承頻譜圖，如圖5所示，具有滾動軸承出現故障時的頻譜特征。隨之停機對該軸承檢修，發現軸承外圈已經非正常磨損導致軸承跑外圓，軸承磨損較嚴重。隨后更換軸承后，振動有了顯著下降趨勢。

圖5 泵軸承故障對應的加速度包絡頻譜圖Fig.5 Acceleration envelope spectrum of pump bearing fault

軸承安裝不當，更換軸承后由于軸承間隙不當，此時軸承振動包絡頻譜中可能也會存在軸承故障缺陷頻率，這種情況需要重新安裝，調整軸承間隙/游隙。

1.4 松動故障

機泵故障中松動故障比較常見，而且對設備的損壞程度也較大。機械松動不單是振動的主要因素，而且機械松動可加劇振動狀態。因此，機械松動使設備的振動比單有如不對中或不平衡時的振動更大。一般在解決設備同時存在多個故障情況下，優先要解決設備松動問題，其次再解決其他故障問題。一般在機泵類設備中主要松動類型有旋轉松動、結構松動、軸承座松動。

松動故障的頻譜特點：

1）發生旋轉松動故障時，頻譜中主要為1X及其多次諧波，有時可能擴展到10X或者以上。其中，滑動軸承游隙/間隙偏大后可能會產生0.5X的諧波。產生的主要原因是摩擦或嚴重的沖擊作用，有時可能會產生1/3X的諧波，主要因零部件安裝不當引起。

2）發生結構松動時即設備與它的基礎之間出現松動，往往在剛性較弱的地方，且通常在水平方向易出現1X振動，但具體也要根據實際情況而定。如果松動情況嚴重，尤其是在垂直安裝的機組上，往往會產生低階1X諧波。這時就比較難分辨到底是因不平衡、基礎松動或者是柔性化導致。如果水平方向工頻振動比垂直方向上的工頻振動大很多，很可能就是松動所致；相反，如果水平方向工頻振動比垂直方向上的工頻振動小或相等，那么其出現不平衡的可能性就比較大。基礎松動或基礎柔性化是緊固連接件的螺栓松動、腐蝕或裂紋所致。（注意：如果機組安裝基礎的彈性比較強，水平和軸向的振動要強的多）。

3）發生軸承座松動故障時，頻譜中工頻，2倍工頻和3倍工頻處皆有振動分量，但一般很少存在其它諧波，在松動嚴重的情況下可能會產生0.5X的波峰。

4）松動故障振動原始信號時域波形較紊亂。

5）松動故障時一般相位不穩定，每次測量相差很大。

某平臺熱介質循環泵，在監測時發現電機軸向和垂直方向振動值較高。電機端振動速度總值軸向和垂直方向最高分別達到13.43mm/s和12.18mm/s，表1是2011年2月28日發生松動故障時測試的振動速度總值（單位mm/sec、采用有效值）。機組頻譜中工頻分量突出，并伴有相對較高幅值的多次諧波頻率，時域波形存在紊亂現象，如圖6所示。

圖6 機組存在松動故障時的頻譜圖和原始信號時域波形Fig.6 Frequency spectrum and time domain waveform of original signal in case of looseness fault

表1 機組松動故障時采集機組各測點振動速度總值Table 1 Total value of vibration velocity at each measuring point of the unit in case of looseness fault

根據實際測量頻譜和現場具體情況綜合判斷，符合機組松動典型頻譜特征。判斷電機振動較大的原因主要與電機部位基礎撬塊螺栓松動有關。尤其是電機非驅動端部位處，現場監測電機非驅動端一側地腳螺栓存在緊固不實，螺栓對機組撬塊幾乎沒有緊固作用。由于地腳螺栓松動，導致受力不均衡，機組運轉時容易產生內應力，長期在內應力作用下還會導致機組聯軸器對中易發生改變。

圖7 機組松動故障處理后的頻譜圖和原始信號時域波形Fig.7 Spectrum diagram and time domain waveform of original signal after treatment of unit looseness fault

現場對機組各個地腳螺栓采取有針對性的緊固，即根據現場實際情況對每個螺栓用不同力矩進行調整緊固。最終通過振動測試找到振動最小值，確定為最佳緊固點和緊固力矩，經過多次振動監測測試和調整地腳螺栓緊固力矩，使機組振動速度總值降到當前現有條件的最低。表2是2011年3月份調整和重新緊固地腳螺栓后測試的振動速度總值（單位：mm/sec、采用有效值）。

表2 機組松動故障處理后采集機組各測點振動速度總值Table 2 The total value of vibration velocity at each measuring point of the unit after handling the looseness fault

2 結語

機泵類設備最常出現的故障有不平衡、不對中、軸承磨損，松動等故障，掌握機泵設備故障診斷的分析原理和方法是準確診斷機泵設備常見故障的前提。針對不同的故障特征，采用頻譜分析方法可以有效地監測并診斷出這些故障，從而指導機泵類設備的維護和維修，將設備故障消除在萌芽和發展階段，有效預防設備故障惡化或發生事故性故障。總之，機泵類設備運行狀態監測及故障診斷技術是建立在多個學科基礎之上的，具有技術基礎可靠性高，工程應用性強，與高新技術發展密切相關等特點。現在不斷完善的監測技術手段也被更多的應用到實際生產中，這要求工程技術人員掌握更多的理論知識，同時要經常深入實際，積累現場經驗，使診斷更能準確地指出故障位置和故障程度，以采取最合理的維修手段，保證設備的正常運行，提高設備的可靠性和管理水平。既節約了人力財力，又不影響正常的生產生活，從而創造更大的經濟效益和社會效益。