動設備振動診斷數據采集規范化組態方法探討

陳明華

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452）

0 引言

動設備狀態監測技術自2002 年在海洋油氣田廣泛應用，為設備資產管理提供設備狀態數據，支持設備管理由預防性維修向預知性維修轉變。當前，隨著智能油氣田、無人平臺等應用場景在海上油田的開發與應用，對設備可靠性提出更高標準的要求，期望能夠對設備狀態進行自動預警、診斷及趨勢性判斷。因此，如何通過振動監測數據的規范化的數據采集，獲得在數據格式一致的振動數據，是振動數據實現通信、存儲、共享的基礎條件。數據匯集，進而通過大數據及深度學習技術，實現智能預警與診斷。下文將圍繞海洋油氣田動設備，闡述振動監測數據采集規范化組態的具體思路與方法。

1 海洋石油采油平臺動設備主要類型

采油平臺屬于油氣生產、處理、外輸的流程化生產裝置，采油平臺使用的動設備主要包括：①泵類機組：臥室離心泵、立式離心泵及電機；②高速渦輪機械機組：離心壓縮機，軸流壓縮機、燃氣輪機以及電機或發電機；③往復壓縮機以及電機；④內燃機（燃氣、燃油）以及發電機。

各類動設備因設備結構差異而不同，采用不同的分析數據和分析方法，因此設備數據采集的規范化數據格式可分為4 類。下文以泵類為例，詳細說明振動數據的數據采集規范化方法，其他設備可參照相同思路形成相應的數據采集規范化組態方法。

2 現有涉及泵類振動數據采集的國家標準給出的相關要求

泵類的振動數據采集，在一般性定義方面已有相關國家標準，遵照執行即可，如：①GB 6075 規定了各類動設備在非旋轉軸上測量評價機器的振動，在測點布置、寬頻振動、測量幅值范圍、評價標準方面給出了要求；②GB 19873 規定了則對測量參數類型（加速度、速度、位移），測量參數的幅值范圍、頻率范圍、振動相位、測量精度及重復性給出了要求。但國家標準對于每類設備的每個測點，應采集幾個頻段的數據，每個頻段采集的頻寬、頻率分辨率并沒有統一的要求，下文將就此重點闡述。

3 海洋石油動設備數據采集組態現狀及解決問題的思路

3.1 應用現狀及存在問題

目前設備監測數據的組態方法并沒有統一的標準要求，不同監測軟件、專業團隊、使用不同的數據采集組態定義，以致采集的數據頻段、分辨率、采樣時長等不一致、數據即使存入共享數據庫，共享使用也有較大難度。

3.2 解決問題思路

通過梳理海上平臺動設備故障類型，分析不同故障的數據采集要求；將數據采集要求相近的整合到同一頻段范圍，同時適當調整最大分析頻寬、采樣點數（頻率分辨率）以滿足每一個整合后統一頻段的數據分析要求；每個采樣點可通過幾個確定的采樣頻段完成采樣，實現規范數據分析采集定義、數據存儲標準化，優化數據采集定義數量，降低數據通信負荷和存儲容量，并為進一步的數據共享使用，做大數據分析和智能診斷創造條件。

4 機械故障振動診斷數據采集規范化組態方法

采油平臺使用的動設備，因設備結構差異而不同，采用不同的分析數據和分析方法，設備數據采集定義不同。其中離心泵是海上油氣田設備數量最多的設備，也是目前監測的主要設備，本文以離心泵為例說明規范化數據采集的組態方法。

4.1 海上油氣田離心泵結構特點

軸承類型：滾動軸承、滑動軸承；轉子類型：剛性轉子；電機類型：兩極、四極異步電機，電源頻率為50 Hz。

4.2 離心泵數據采集的一般參數設置

離心泵所有振動數據均采用振動加速度傳感器在非旋轉部件上測取，直接測量振動加速度，速度由加速度積分得到。

如上文所述，海洋油氣田離心泵采用的是加速度傳感器在非旋轉部件上測試振動數據，其中采集點數、測點位置、振動幅值范圍、振動相位測量、測量精度及重復性，參考標準GB/T 6075.3—2001 及GB 19873，在此不再贅述。

4.3 離心泵數據采集頻段設置及優化

海洋油氣田不同類型的離心泵及連接附屬的部件包括：泵軸、滾動軸承、滑動軸承、傳動齒輪及齒輪軸、葉輪、電機靜子及繞組、電機轉子、傳動皮帶輪及皮帶、設備底座。依據不同設備故障和部件故障的故障機理，總結海洋油氣田歷年來監測的離心泵設備振動故障和油氣行業同類設備的故障案例，故障的頻譜特征，整理最高分析頻率，頻率分辨率要求，見表1。

表1 離心泵振動故障特征及數據分析頻率及分辨率要求

表1 中需要使用的故障頻率及頻率分辨率計算公式如下。

（1）軸承各部件故障頻率的估算公式：

內圈故障頻率≈（滾動體數量/2+1.2）×轉子轉速；

外圈故障頻率≈（滾動體數量/2-1.2）×轉子轉速；

滾動體故障頻率≈1/2（滾動體數量/2-1.2/滾動體數量）×轉子轉速；

保持架故障頻率≈（1/2-1.2/滾動體數量）×轉子轉速。

（2）齒輪嚙合頻率=齒輪齒數×齒輪軸轉速。

（3）皮帶運行頻率=皮帶周長/（2π×皮帶輪直徑×皮帶輪轉速）。

（4）電機極通過頻率=（電源線頻率-電機工頻）×電機極數。

（5）頻率分辨率=2×（最高分析頻率×2.56/采樣點數）×1.5，其中漢寧窗的窗口系數為1.5。

從表1 中的頻段及頻率分辨率要求，可歸納為如下5 個振動數據采集頻段：

（1）200 Hz，無特殊分辨率要求200 線。

（2）200 Hz,需要區分極通過頻率3200 線。

（3）500 Hz,無特殊分辨率要求400 線。

（4）2500 Hz，無特殊分辨率要求800 線。

（5）10 000 Hz，無特殊分辨率要求3200 線。

因無特殊分辨率要求，顯然頻段3 可滿足頻段1 的數據分析要求，兩個頻段可合并，統一采用頻段3；同理，頻段4 與頻段5 可合并，統一采用頻段5。

如此，將數據采集整合為2、3、5 共3 個頻段，3 個頻段的數據組態主要參數及對應的故障類型整理如表2。

表2 優化整合后設備振動故障數據采集數據組態要求

5 頻段合并后如何保障幅值動態范圍及數據分析便利性

5.1 振動幅值的動態范圍

頻段合并后，一個頻段有多個設備故障特征頻率，不同頻率的振動幅值差異較大，如：速度譜中的不平衡與軸承故障頻率，加速度譜中齒輪嚙合頻率的沖擊信號和滾動軸承故障頻率沖擊信號。目前的數采器最低都是24 位，振動幅值的動態范圍大于90 dB,完全能夠滿足要求。

5.2 數據分析便利性

頻段合并后，一個頻段有多類設備故障特征頻率。可根據設備自身結構特點，做好分頻段預警設置，在同一頻段觀察不同設備故障特征數據變化情況，數據分析便利性較多頻段數據分別采集等效。

6 總結

流程工業各行業的動設備故障振動監測數據與行業生產及設備特點緊密相關，針對每個行業動設備振動監測數據的規范化采集，是數據分析業務人員在數據分析處理層面進行數據治理的重要環節，也是工業大數據與商業大數據的主要區別。