程新续

（中国石油大庆炼化公司，黑龙江大庆 163411）

炼油厂的离心泵长时间处于高温、高速、高固体颗粒的恶劣环境下运行，必须定期开展养护和检修，才能保证离心泵始终以良好工况运行。传统以人工为主的检查方式，只能发现一些浅表性的故障，而对于隐蔽程度较深的故障难以及时发现，由于排查不到位，处理不及时，导致离心泵长时间带病运行，严重缩短设备寿命，影响生产安全。在电子信息技术和人工智能技术的推动下，智能监测和故障诊断系统在工业领域得到了广泛应用，它通过收集设备运行参数，将实际参数与标准参数进行对比，根据对比结果及时发现异常情况并报警，同时自动生成故障诊断报告，为设备管理人员展开故障排查和维修提供支持。

1.1 离心泵的常见故障类型

离心泵运行期间常见的故障有以下4 种：①流量扬程降低，通常与泵内有气体或管路中有杂物造成堵塞有关；
②振动值增大，轴承磨损严重，转子不对中、不平衡，地脚螺栓松动以及叶轮表面有异物等情况都会造成离心泵高速运行期间出现振动值异常故障；
③泄漏严重，机械密封安装不当或损坏，以及轴承弯曲或损坏，泵轴与原动机对中不良等，均会造成离心泵密封处发生泄漏；
④轴承温度升高，转子偏心，轴承润滑油变质或缺少，轴承箱内油液太少等，会使轴承温度异常升高。

1.2 离心泵故障的诊断方法

机械设备在线监测技术的关键是采集设备运行时的各种信号，包括温度、压力、速度、振动、流量等。根据以往的离心泵常见故障处理经验，大多数故障发生时会引起设备振动异常，因此振动信号中包含了大量的故障信息。基于振动分析的离心泵故障诊断方法，是将若干灵敏的振动传感器放置到离心泵的不同部位，在启动离心泵后由传感器采集振动信号，对信号进行滤波、放大、降噪和数模转换等一系列处理后，通过工业以太网传输给计算机，通过软件分析判断有无故障，如果有故障，进一步分析故障位置、原因并提出对策，图1 是基于振动分析的离心泵故障诊断流程图。

图1 基于振动分析的故障诊断流程

2.1 硬件结构

离心泵的滚动轴承在运行中可能因为磨损、腐蚀、裂纹、塑性变形等，使得轴承振动异常，因此可以将振动信号作为故障分析的主要信息源，利用加速度计获取滚动轴承的振动参数后，输入到现场采集分析仪中，对信号进行放大、滤波、转换等处理后，通过RS-232 接口将数据发送至上位机，由上位机分析判断滚动轴承有无异常运行情况。其中，现场采集分析仪采用VIB-30动态数据采集器，其核心为80C196 单片机，内存4 M，最多可存储500 个振值、800 个波形，最高分析频率达15 kHz，保证数据处理效率，故障诊断系统的硬件结构见图2。

图2 中，电荷放大器可以将加速度传感器采集到的振动信号转化成电压信号，积分器是对转换后的电压信号进行二次积分，以便于后续处理，程控放大器及滤波器用于消除信号中的高频干扰，并对转化后的模拟电压信号进行调适，采样保持器用于稳定信号，确保在A/D 转换时能够得到可靠的数字信号。

图2 滚动轴承故障诊断系统硬件组成

2.2 软件部分

经过VIB-30 动态数据采集器处理后的振动信号，由RS232接口传输至上位机，安装在上位机的软件在接收并读取信号后，可以显示轴承振动的时域波形，并利用傅里叶变换分析轴承振动信号的频谱特征，判断其运行状态。如果经过数据分析确认有异常情况的，在主界面上显示报警信息，并计算滚动轴承的故障频率，锁定发生故障的位置（图3）。

图3 滚动轴承故障诊断系统软件界面

结合图3 可知，故障诊断分析系统主要有五大功能模块。其中，传输数据模块用于接收数据采集器上传的数据，每当有新的数据传输时，自动弹出数据通信窗口，可选择数据存储位置；
显示波形模块是在完成时域分析后自动显示时域波形，波形显示页面右侧的“Rms”表示双通道信号有效值，“Peak”表示双通道信号峰值，“Epeak”表示双通道信号等效分值，“Ave”表示双通道信号平均值；
轴心轨迹模块可以在双击“File name”后打开轴心轨迹文件，并在新弹出的对话框中浏览轴心轨迹。

3.1 仪器的现场安装

某炼油厂的3#生产车间共有4 台离心泵，2014 年8 月投入使用。其中3#泵在2019 年2 月因地脚螺栓松动出现过一次振动异常故障，加固地脚螺栓后故障得以解决。2021 年9 月份在进行车间设备常规维护时，使用在线监测与故障诊断系统对3#生产车间的4 台离心泵进行了现场检测，将两个带有磁性的加速度传感器分别固定在离心泵两端的轴承座上，保证仪器与轴承座表面呈垂直状态，然后将加速度传感器的另一端导线接到VIN-30 动态数据采集器上，在离心泵运行时即可实时采集其振动参数。

3.2 测试结果

4 台离心泵各个测点的测试结果统计见表1，可以看到，除了4#泵的后轴承发出警告外，其他7 个测点的测试结果均正常。该系统设置的振动参数告警值为2.50 mm/s，即实际监测参数＞2.50 mm/s 时报警。对比4 台离心泵的8 个振动测点，可以发现1#、2#、3#泵的振动速度均在1.50 mm/s 以内，4#泵的前轴承虽然并未告警，但是实际测得的振动速度达到2.383 mm/s，已经接近告警值，该泵的后轴承实际测得振动速度为3.416 mm/s，已经超出预设的告警值，故系统发出振动异常的报警。

表1 炼油厂供水车间离心泵测试结果

3.3 故障解决措施

通过在线监测与故障诊断系统确定了4#泵存在振动异常后，根据后轴承测点提供的振动数据，在软件上展开时域分析和频谱分析，观察时域波形发现振动波形接近正弦波，并且在频谱图上只在转频处观察到单一的频率分量峰值。根据轴承信号和实时转速，系统给出各部位的故障频率计算结果：①内圈故障频率38.15 Hz；
②外圈故障频率55.86 Hz；
③滚珠故障频率157.42 Hz。设备管理人员根据系统故障分析结果，重点对离心泵滚动轴承的滚珠展开了检查，发现因为润滑减少导致滚珠磨损严重，因此导致轴承高速转动时振动异常。及时更换滚珠并重新加注润滑油后，使离心泵重新运行，再次监测振动参数，发现4#泵后轴承振动速度为1.504 mm/s，故障得以解决。

离心泵的运行工况将直接影响炼油厂的经济效益，做好离心泵工况监测和定期维护，始终保持其稳定、安全运行，是炼油厂设备管理部门的重要责任。积极推广设备管理新技术，应用在线监测和故障分析系统，以离心泵的实时振动参数作为故障分析诊断依据，可以更加及时、精确地发现故障隐患，在此基础上采取针对性的维修措施，才能确保离心泵的健康运行。

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