基于狀態監測技術的天然氣凈化廠動設備故障頻譜研究

王得勝，侯開紅，周軍，鄭民，楊廷加，陳立軍

（中國石油天然氣股份有限公司西南油氣分公司天然氣凈化總廠，重慶 400000）

1 引言

西南油氣田天然氣凈化總廠忠縣分廠是“西氣東輸”大戰略的重要組成部分，是“川氣東輸”的咽喉工程。凈化廠的機泵類設備包括離心泵、往復泵、送風機、空壓機等設備，數量多、類型豐富、檢維修任務繁重，常存在由于對設備故障原因判斷不準導致的返修、過度維修等問題，檢維修和備品備件費用居高不下。為提高機泵設備的運行可靠性，忠縣凈化廠為重要機泵設備安裝了在線狀態監測系統。該系統以振動監測及相關譜圖分析工具為主要手段，同時融合溫度、流量、壓力等多種工藝量參數監測，并引入專業的第三方進行狀態監測和故障診斷工作，經過2 年多的運行，實現了對廠內機泵設備狀態的實時掌控、故障的精準判斷，保證了設備和裝置的平穩運行，取得了良好效果。

2 機泵狀態監測系統

機泵狀態監測系統由軟件系統和硬件系統2 部分組成。以下予以分別介紹。

2.1 機泵在線監測系統硬件結構

硬件部分由傳感器、數據采集處理器、數據應用管理器、工業電源、路由器等構成（如圖1），通過TCP/IP 協議實現裝置級監測站與公司級監測中心的數據傳遞、共享。

圖1 機泵在線監測系統網絡拓撲圖

圖2 機泵在線監測系統界面

圖3 轉子不平衡的特征圖譜

圖4 不對中的特征圖譜

圖5 轉子類松動的特征圖譜

圖6 結構松動的特征圖譜

圖7 軸承缺陷的特征圖譜

數據采集器負責采集傳感器原始信號或變送器的輸出信號，將數據編碼處理后實時傳送至數據應用管理器。

數據應用管理器負責將一個或多個裝置的數據采集器進行統一管理，實時接收、存儲。

監測中心服務器用于提供系統數據存儲空間，并將所存儲的數據利用客戶端實現網上共享。

2.2 機泵在線監測系統軟件結構

軟件系統由數據采集軟件和客戶端2 部分組成。客戶端包括機組概貌圖、趨勢分析、沖擊診斷、轉子類故障診斷、倒譜圖等模塊，主要以振動速度和加速度為分析對象，能夠對機泵常見故障進行精確分析、診斷。

狀態監測系統可以通過OPC、modbus 等接口實現DCS上工藝參數（如壓力、流量、溫度等）與動態振動信號的統一記錄、監測、同步分析，有助于更加全面地分析機組狀態，確定故障原因。

3 凈化廠機泵設備的主要故障類型

凈化廠機泵設備的很多故障機理和振動特點具有共性，而不同類型設備又具有其特有的故障類型。以下予以分類說明。

3.1 不平衡故障

轉子不平衡是指轉子受多種因素影響，其質量中心和旋轉中心線間存在一定的偏心距，工作時形成周期性的離心力干擾，在軸承上產生動載荷，從而引起機器振動的現象。

當設備發生不平衡故障時，振動特征為：

（1）振動以1×倍頻為主，波形圖為典型的正弦波；

（2）水平和垂直方向的1×倍頻相位差為90°；

（3）振幅隨轉速變化，在到達臨界轉速之前轉速越高，振幅越大。

3.2 不對中故障

不對中是指機器在運行狀態下，轉子間的連接對中超出正常范圍，或轉子軸頸在軸承中的相對位置不良，不能形成良好的油膜和適當的軸承負荷，造成機械振動或聯軸節、軸承損壞的現象。不對中可分為平行不對中、角度不對中以及綜合不對中。

當設備出現不對中故障時，振動特征為：

（1）會產生明顯的2×倍頻振動頻率成分；

（2）振動幅值隨轉子負荷的增大而升高；

（3）最大振動一般體現在靠近聯軸節兩端的軸承上；

（4）一定條件下可能產生高次諧波。

3.3 松動故障

機械松動一般分為2 種，一種是轉子類松動，即轉子葉輪、軸套、軸承等旋轉體的配合面的間隙過大、過盈量不足發生松動；一種是轉子支撐部件的結合面存在間隙或連接剛度不足，造成的機械阻尼偏低、振動過大的故障，也稱為結構松動。

軸承座的軸承松動、過大的軸承內部游隙、軸承座的軸承襯套松動、葉輪松動、軸承跑圈等，都會導致轉子類松動，其振動存在以下特征：

（1）時域波形中出現次諧波疊加的現象；

（2）頻譜中出現很高的亞異步成分、次諧頻成分；

（3）通常出現轉子類松動時，相位會不穩定，但當振動出現高方向性時，水平和垂直方向相位差會接近0°或180°。

設備地腳、基板和混凝土基礎的結構剛度松動或強度不足，灌漿惡化或破碎，框架或底部變形，地腳緊固螺栓松動等，都會導致出現結構松動，其振動存在以下特征：

（1）頻率通常以較高的轉頻的1×倍頻為主要成分；

（2）通常徑向振動較大，尤其是垂直方向振動較大，軸向振動較小或正常；

（3）振動具有方向性，水平和垂直相位差接近0°或180°。

3.4 滾動軸承缺陷故障

滾動軸承在運轉過程中會由于各種原因引起損壞，如裝配不當、潤滑不良、水分和異物侵入、腐蝕和過載等，故障不同階段的振動在高頻、低頻均有不同的頻率特征。一般通過尖峰能量法（gIE）對軸承缺陷進行早期診斷。

4 機泵設備故障頻譜分析步驟

振動監測和故障診斷查明故障采用演繹推理的方法，以故障為基礎，用振動特征進行比較、分析，或采用逐個排除的方法，對振動性質、故障原因和具體部件做出判斷。演繹推理有反向推理和正向推理2 種形式，這2種推理方式在目前的振動故障診斷中都有使用，下面予以介紹。

4.1 反向推理診斷分析

反向推理也稱目標直接推理，是依據振動特征反推出振動故障原因，在推理過程中只與單一的目標有關，當振動特征與故障特征符合時，即可做出診斷。

反向推理診斷在判斷簡單故障時快捷有效，但應對高參數、結構復雜的設備時往往也有弊端。比如，角度不對中、不平衡、松動等故障都會導致轉頻的1×倍頻振動增大，也就是故障和特征之間不是一一對應關系，而是多重交叉關系，因此會影響故障診斷的準確率。

4.2 正向推理診斷分析

正向推理診斷故障相對于反向推理有更高的嚴密性和準確率，具體方法是在能夠引起設備振動的全部原因中，與實際設備存在的振動特征、故障歷史進行搜索、比較、分析，采取逐個排除的方法，剩下不能排除的故障即為診斷結果。

5 現場應用典型案例

2022 年8 月16 日，通過機泵在線監測系統發現凈化廠主風機K-1401IB 機組各測點垂直振動速度呈升高趨勢，特別是在8 月19 日后升高趨勢明顯加快。該風機為臥式離心風機，結構及測點概貌圖見圖8 所示。其中風機后軸承垂直方向速度從8 月14 日的4mm/s 左右升高至8 月20 日的最高10.02mm/s。從頻譜圖中可以看到頻率成分以1X 倍頻為主。同時各測點的水平方向振動速度值均無明顯變化。

圖8 機組結構及測點概貌圖

圖9 機組垂直方向振動波形、頻譜圖

頻譜圖中均以1X 倍頻為主要成分，可能存在的故障有轉子平衡狀態變差、聯軸器對中劣化、基礎支撐剛度變差以及共振等。然而振動僅在垂直方向上具有明顯的增大趨勢，可以排除轉子平衡狀態變差、聯軸器對中精度劣化的可能性，從該風機的檢修歷史可知，風機基礎框架的隔震墊經常容易由于老化而出現松動問題，因此基礎剛度變差的可能性最大，而共振的可能性較小。8 月28 日，工程師組織檢修，更換隔震墊，再次運行后風機各測點最大振動降低至4.1mm/s，驗證了診斷分析結論。

6 結語

西南油氣田天然氣凈化總廠忠縣凈化自投用機泵在線監測系統，2 年來共計發現各類故障、隱患問題58 臺次。該系統的應用大幅降低了現場人員的巡檢強度，結合專業診斷服務和現場設備工程師的科學決策，提高了檢維修的針對性，避免了過度維修，降低了維護成本和故障損失成本，大幅提高了設備可靠性，為機泵設備的長周期穩定運行提供了有效保障，值得在油氣田凈化廠機泵設備中加以推廣。