發(fā)表時(shí)間： 2022-10-16 20:16:59
作者： 孟 劍
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摘 要: 介紹了機(jī)泵無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、監(jiān)測(cè)方案，并結(jié)合具體診斷案例詳細(xì)說(shuō)明了其 在某千萬(wàn)噸級(jí)煉化企業(yè)的應(yīng)用情況。結(jié)果表明， 該系統(tǒng)能準(zhǔn)確評(píng)估機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)發(fā)布報(bào) 警提示和維護(hù)建議，使用該系統(tǒng)事后維修占比由41%降到了 15%，預(yù)知性維修由不足 10% 上升到近 50%。
石化工業(yè)設(shè)備檢修經(jīng)歷了事后維修、預(yù)防性維修階段，目前正在向著預(yù)知性維修階段發(fā)展，基于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提出檢維修策略是最重要的預(yù)知性維修技術(shù)之一。煉化裝置機(jī)泵分布廣、數(shù)量多、作用大，機(jī)泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行是煉化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的重要基礎(chǔ)[1]。采用無(wú)線(xiàn)傳感器來(lái)組建自動(dòng)化的機(jī)泵物聯(lián)網(wǎng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)人工巡檢的不足，同時(shí)降低設(shè)備檢查成本、提高巡檢效率與質(zhì)量[2]，且可以做到早期識(shí)別、早期預(yù)報(bào)設(shè)備故障，從而達(dá)到預(yù)知性維修，保證裝置安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿(mǎn)、優(yōu)運(yùn)行[3]。
系統(tǒng)架構(gòu)
機(jī)泵無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器對(duì)機(jī)時(shí)被相關(guān)人員所知悉，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，進(jìn)行事前預(yù)防，保障設(shè)備的安全、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)由下而上分為3個(gè)層次，分別為無(wú)線(xiàn)傳感器、無(wú)線(xiàn)通訊站( 也稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)) 和智能監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。無(wú)線(xiàn)傳感器采集設(shè)備運(yùn)行中的振動(dòng)與溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)的鏈路傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)需敷線(xiàn)，降低了設(shè)備的監(jiān)測(cè)成本。無(wú)線(xiàn)傳感器采集到有效的振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)2.4GHz頻段的Zig-bee 協(xié)議傳輸所采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的頻率可以靈活調(diào)控，一般1～2h 采集一次波形數(shù)據(jù)、5min采集一次振動(dòng)總值與溫度數(shù)據(jù); 如果振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，采集波形數(shù)據(jù)的頻次可自動(dòng)更改為 10min1次。無(wú)線(xiàn)通訊站相當(dāng)于是整個(gè)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)站，主要負(fù)責(zé)傳感器與機(jī)泵監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。一方面，接收無(wú)線(xiàn)傳感器傳來(lái)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器; 另外，也從智能監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)接收指令并下達(dá)給無(wú)線(xiàn)傳感器。智能監(jiān)測(cè)分析診斷系統(tǒng)( IMAS) 是基于B/S架構(gòu)、使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，可以對(duì)設(shè)備異常狀態(tài)觸發(fā)報(bào)警提示，同時(shí)也可以對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行趨勢(shì)監(jiān)控與及時(shí)診斷。
監(jiān)測(cè)方案
測(cè)點(diǎn)配置：
設(shè)備監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)部位的選擇和采集參數(shù)的設(shè)置泵的振動(dòng)與溫度狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)傳輸存 儲(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)采集后，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件，不僅可以使用豐富的診斷工具分析設(shè)備狀態(tài)，而且借助于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)置的特征頻譜，以及內(nèi)置于傳感器內(nèi)部的邊緣計(jì)算算法，還可以觸發(fā)自動(dòng)報(bào)警，起到使設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及對(duì)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)的效果至關(guān)重要，需要對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)有深入的了解，常規(guī)的測(cè)點(diǎn)配置分為 2 種: ① 測(cè)點(diǎn) 2 個(gè)，機(jī)泵軸承箱安裝 2 個(gè): 水平( H) 和垂直 ( V) 各 1 個(gè); ②測(cè)點(diǎn) 5 個(gè)，主要安裝在兩端支撐的機(jī)泵，前軸承箱( 與電機(jī)非聯(lián)端) 3 個(gè): 水平( H) 、垂直( V) 及軸向( A) 各 1 個(gè)，后軸承箱( 與電機(jī)聯(lián)端) 2 個(gè): 水平( H) 和垂直( V) 各 1 個(gè)。測(cè)點(diǎn)分布如圖1 所示。
傳感器安裝 圖 1 傳感器安裝位置
經(jīng)統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)設(shè)備常見(jiàn)的故障類(lèi)別，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
考慮到振動(dòng)的傳遞性，所有傳感器均需安裝在軸承座或齒輪箱最貼近軸承、且剛性最好的位置。另外，為了不對(duì)設(shè)備本體造成破壞，所有傳感器均采用強(qiáng)磁吸附，并用金屬膠水粘接，這樣不僅可以保證振動(dòng)與溫度的正常傳遞與傳導(dǎo)，而且對(duì)于安裝在高處的設(shè)備，強(qiáng)磁吸附的安裝方式，也可以避免高處墜落造成的人身傷害。
監(jiān)測(cè)報(bào)警分類(lèi)統(tǒng)計(jì)
2020 年度 1 月至 11 月，機(jī)泵智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共
計(jì)報(bào)警 286 次，其中 3 級(jí)報(bào)警 229 次、4 級(jí)報(bào)警 57 次。排除單臺(tái)設(shè)備多測(cè)點(diǎn)、多指標(biāo)的報(bào)警，納入統(tǒng)計(jì)的實(shí)際報(bào)警臺(tái)次為 203 臺(tái)次，具體分類(lèi)見(jiàn)圖 2。
圖 2 報(bào)警分類(lèi)統(tǒng)計(jì)
均可發(fā)現(xiàn)，排除掉傳感器自身因素導(dǎo)致的 8 次報(bào)警，報(bào)警有效率可達(dá)到 96. 06%，其中與設(shè)備運(yùn)行安全密切相關(guān)的核心分類(lèi): 軸承齒輪、聯(lián)軸器、密封、潤(rùn)滑不良以及工頻類(lèi)( 不對(duì)中、不平衡、松動(dòng)) 的故障，在有效報(bào)警中的占比為 70. 77%，排除掉啟停機(jī)與工藝調(diào)整導(dǎo)致的流量波動(dòng)影響因素，這個(gè)比例可上升到 90. 2%。
應(yīng)用案例
除氧水泵軸承故障：
催化裂化裝置除氧水泵，位號(hào) 1103-P-101A， 為懸臂離心泵，潤(rùn)滑方式為油霧潤(rùn)滑，其特征參數(shù) 見(jiàn)表 1。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置為: 機(jī)泵聯(lián)軸器端軸承箱水平方向 3H、機(jī)泵聯(lián)軸器端軸承箱垂直方向 3V。
故障過(guò)程描述：
2020 年 2 月 1 日 14 時(shí) 13 分，1103-P-101A 設(shè)備 3H 點(diǎn)出現(xiàn)溫度報(bào)警，分析數(shù)據(jù)為泵端軸承滾動(dòng)體及保持架存在損傷，以軸承保持架損傷最為顯著，存在斷裂的可能，且軸承存在走圈可能?，F(xiàn)場(chǎng)拆檢發(fā)現(xiàn)泵端軸承保持架斷裂變形，滾動(dòng)體和內(nèi)圈滾道磨損嚴(yán)重，深溝球軸承保持架單側(cè)磨損。
數(shù)據(jù)分析：
如圖 3 所示，機(jī)組 2 月 1 日 10 ∶ 00 左右啟機(jī)運(yùn)行，其中泵端水平向 3H 測(cè)點(diǎn)加速度振動(dòng)總值達(dá)24. 7 m / s2 左右，較前期上升約 1. 5 倍左右，并于12 ∶ 45 左右振動(dòng)值明顯下降，而 3V 測(cè)點(diǎn)加速度振動(dòng)總值未見(jiàn)明顯變化。如圖 4 泵端 3H 測(cè)點(diǎn)溫度值于 12 ∶ 45 左右呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)，溫度值于60 ℃ 上升至 112 ℃ 左右，溫度值上升速度較快，且溫度較高。
表 1 除氧水泵軸承型號(hào)及特征參數(shù) Hz
位置 | 品牌 | 型號(hào) | 滾動(dòng)體數(shù)量 | 特征頻率 | 外圈頻率 | 內(nèi)圈頻率 | 保持架頻率 | 滾動(dòng)體頻率 | 2 倍滾動(dòng)體頻率 |
泵端前軸承 | SKF | NU416 | 11 | 軸承特征頻率 | 4．321 | 6．679 | 0．393 | 2．226 | 6．452 |
額定特征頻率 | 108．025 | 166．975 | 9．825 | 55．65 | 111．3 | ||||
泵端后軸承 | SKF | 7319 | 12 | 軸承特征頻率 | 4．89 | 7．11 | 0．407 | 2．137 | 4．274 |
額定特征頻率 | 122．25 | 177．75 | 10．175 | 53．425 | 106．85 | ||||
SKF | 7319B | 12 | 軸承特征頻率 | 4．96 | 7．04 | 0．41 | 2．15 | 4．3 | |
額定特征頻率 | 124 | 176 | 10．25 | 53．75 | 107．5 |
軸承配合間隙偏大有關(guān)，存在走圈可能。
圖 3 溫度趨勢(shì)示意
圖 4 加速度趨勢(shì)示意
如圖 5 所示，對(duì) 3H 測(cè)點(diǎn)加速度頻譜進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)分析，包絡(luò)譜中可見(jiàn) 9. 37 Hz 的軸承保持架故障頻率及其倍頻特征，為軸承保持架受力損傷特征，保持架損傷程度較明顯。
如圖 6 所示，3H 測(cè)點(diǎn)此時(shí)速度頻譜中以轉(zhuǎn)頻諧波特征為主，轉(zhuǎn)頻諧波數(shù)量和能量較前期明顯上升， 為旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)特征，且振動(dòng)值波動(dòng)幅度較大，推測(cè)與
圖 5 1103-P-101A_3H_16k 加速度波形包絡(luò)解調(diào)示意
圖 6 1103-P-101A_3H_8k 速度波形頻譜圖
綜上所述，泵端測(cè)點(diǎn)溫度值持續(xù)上升，推測(cè)與軸承損傷異常有關(guān)，軸承滾動(dòng)體及保持架存在損傷，損傷程度較為明顯，以軸承保持架損傷最為顯著，存在斷裂的可能，且軸承存在走圈可能。
檢修驗(yàn)證
拆檢發(fā)現(xiàn)泵端軸承保持架斷裂變形，滾動(dòng)體和內(nèi)圈滾道磨損嚴(yán)重，深溝球軸承保持架單側(cè)磨損。
重沸爐泵軸承故障：
連續(xù)重整裝置汽提塔重沸爐泵，位號(hào) 1110-P- 103A，設(shè)備為雙支撐結(jié)構(gòu)，潤(rùn)滑方式為油霧潤(rùn)滑?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置為: 泵聯(lián)軸器端軸承箱水平向 3H、泵聯(lián)軸器端軸承箱垂直向 3V、泵自由端軸承箱水平向 4H、泵自由端軸承箱垂直向 4V 和泵自由端軸承箱軸向 4A，軸承型號(hào)及特征參數(shù)如表 2 所示。
故障過(guò)程描述：
2019 年 8 月 16 日 8 時(shí) 15 分，泵驅(qū)動(dòng)端 3H 加速度發(fā)生四級(jí)報(bào)警，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析后，判斷現(xiàn)場(chǎng)泵驅(qū)動(dòng)端軸承早中期損傷、保持架卡澀磨損，并對(duì)泵驅(qū)動(dòng)端軸承異響及溫度變化做了加強(qiáng)關(guān)注。次日，由于異響加劇便停機(jī)檢修，檢修后發(fā)現(xiàn)泵驅(qū)動(dòng)端軸承內(nèi)圈存在明顯剝落。
表 2 重沸爐泵軸承型號(hào)及特征參數(shù)表 Hz
位置 | 品牌 | 型號(hào) | 滾動(dòng)體數(shù)量 | 特征頻率 | 外圈頻率 | 內(nèi)圈頻率 | 保持架頻率 | 滾動(dòng)體頻率 | 2 倍滾動(dòng)體頻率 |
泵前端軸承 | SKF | 6217 | 10 | 軸承特征頻率 | 4．116 | 5．874 | 0．412 | 1．385 | 2．77 |
額定特征頻率 | 102．488 | 146．263 | 10．259 | 34．487 | 68．973 | ||||
SKF | 6217 | 11 | 軸承特征頻率 | 4．571 | 6．429 | 0．416 | 2．877 | 5．754 | |
額定特征頻率 | 113．818 | 160．802 | 10．358 | 71．637 | 143．275 | ||||
泵后端軸承 | SKF | 7314 | 12 | 軸承特征頻率 | 4．865 | 7．135 | 0．405 | 2．088 | 4．176 |
額定特征頻率 | 121．139 | 177．662 | 10．085 | 51．991 | 103．982 | ||||
SKF | 7314PJ | 11 | 軸承特征頻率 | 4．466 | 6．534 | 0．406 | 1．966 | 3．932 | |
額定特征頻率 | 111．203 | 162．697 | 10．109 | 48．953 | 97．907 |
數(shù)據(jù)分析：
機(jī)組于 2019 年 8 月 15 日啟機(jī)，啟機(jī)后泵兩端各測(cè)點(diǎn)加速度總值相對(duì)平穩(wěn)，泵驅(qū)動(dòng)端加速度總 值稍大，泵端速度總值趨勢(shì)平穩(wěn)，但泵驅(qū)動(dòng)端速度 總值偏大，可達(dá)到 7 mm / s。泵端 3H 測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)域波形中存在沖擊，長(zhǎng)波形包絡(luò)解調(diào)頻譜中可 見(jiàn)軸承保持架特征頻率及諧波( 如圖 7 所示) 。3H、3V 測(cè)點(diǎn)速度頻譜中主要葉片通過(guò)頻率能量為主，頻譜中低頻段非轉(zhuǎn)頻成分能量較顯著。
圖 7 1110-P-103A_3H_128K 長(zhǎng)時(shí)域波形包絡(luò)解調(diào)頻譜
綜上所述，泵驅(qū)動(dòng)端軸承早中期損傷，保持架卡澀磨損，且運(yùn)行狀況不穩(wěn)定。
檢修驗(yàn)證：
2019 年 08 月 20 日，現(xiàn)場(chǎng)切換停泵檢修，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈存在顯著剝落，與以上分析相吻合，證明了預(yù)知檢修的準(zhǔn)確性。
結(jié) 語(yǔ)：
基于物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 能夠及時(shí)準(zhǔn)確且有效地采集并評(píng)估出機(jī)泵設(shè)備的 運(yùn)行狀態(tài)，能夠依據(jù)異常狀態(tài)給出報(bào)警提示和維 護(hù)建議。自系統(tǒng)上線(xiàn)以來(lái)，對(duì)比人工巡檢，事后維修占比由原來(lái)的 41% 降到了 15%，預(yù)知與預(yù)測(cè)性維修由原來(lái)的不足 10% 升到了近 50%，這不僅大幅減少了非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，同時(shí)也避免了設(shè)備事 故的發(fā)生，達(dá)到了預(yù)期的、依據(jù)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢修 的效果，減輕了員工工作量，為裝置“五年一修”提 供了有力保障。
