浅谈设备状态监测技术在输油生产中的重要性

王裕九，杨飞，马海燕

（长庆油田公司第二输油处华池输油站，甘肃 庆阳 746500）

设备状态监测技术是了解和掌握设备运行状态和性能变化趋势的重要手段，通过设备的异常状态，对设备进行分析诊断其故障所在及其原因，甚至预测设备发生故障的趋势。早期人们主要采用耳听、手摸、眼看等传统的方法判断设备状况，诊断出设备异常状况，这就是所谓的传统诊断方法。

随着科学技术的发展与进步，引入了测试物理参量的简易诊断和计算机辅助的在线诊断的方法与技术。时至今日，在一些设备的故障诊断中，通过便携式测振仪对设备进行振动分析，是输油泵设备故障诊断方法中最有效、最常用的方法。

1 振动的基本概念

1.1 振动三要素

1.1.1 振幅

物体的振动幅度称为振幅，是振动强度和能量的标志，也是判断机械设备运行是否良好的主要依据。振幅的量值可以用峰峰值、峰值、有效值（即均方根值）及平均值来表示。振幅分别用振动位移、振动速度、振动加速度来度量。一般来说，峰峰值就是一个周期内的振动位置的量值，振动速度的量值被称为有效值，而振动的加速度量值被称为峰值。

1.1.2 频率

频率是设备每秒钟振动循环的次数，其值与振动周期互为倒数。对于旋转机械设备而言，转子每旋转一周就会完成一个振动周期，也就是说，振动循环一次，所以说，转速为n、角速度的w都能看作频率。倍频即用工频的倍数来表示的振动频率，通频振动即为各频率振动分量相互叠加后的总振动，故障特征频率即为各种不同类型故障各自所引起的振动频率。

1.1.3 相位

相位是监测旋转机械设备同一轴承座或联轴器两侧轴承座同方向振动差异的标志。在现场动平衡技术应用中必不可少。相位差是反映两个振动在时间先后关系上或空间位置关系上是否存在差异。相位差为0，时为同相振动，相位差为180，时为反相振动。相位在旋转机械振动诊断中有着非常重要的应用。

1.2 刚度

旋转机械设备转子的刚度包括静刚度和动刚度两个部分。静刚度取决于转子的结构、材质、尺寸；动刚度即与静刚度有关，也与二次灌浆底座、轴承座刚度等有关。刚度K=F/Y，其中F为作用于测点上的力，Y为测点的振幅值。将此公式改写成Y=F/k，这表明测点呈现出的振幅值跟作用在该点上的力成正比，与该点的动刚度成反比。刚度不足（如基础松动、联轴器螺栓松动、轴承间隙大等状态）将引起设备振值增大。

2 监测步骤

2.1 选择监测点

对于所需监测的旋转机械设备，其监测点大多选择在轴承座，也可以选择其他的测点（如轴承座底脚、设备底座等），但要能够反映设备的运行状态。

当放在轴承座的位置测量后，通常情况下，推荐测量垂直、水平、轴向三个振动方向。对于普通卧式安装设备，当其垂直方向振值较大时，需监测底脚、底座振值。当减速机中滚动轴承有故障时，往往表现为水平方向的加速度值较大。对于调心辊子轴承、圆锥滚子轴承来说，当其发生故障时，轴向的振动较为敏感。

2.2 离心泵振动的检测分析

一般来说，测定一个设备运行是否良好的评价依据是对振动的测量，也就是振动的监测任务。通过振动监测还可以对设备的变化做出预测，以此实现设备在运行的全过程中一直保持着良好的状态。

振动监测的主要办法是使用便携式的测振仪，然后对设备的振动以及设备的大小（总振级或者是通频值）进行测量，依据设备的允许值范围和振动的标准来要求，以此确保设备真长与否（如果实测值≤标准值，设备视为正常状态，否被视为设备异常或存在故障）；然后依据每次测量的结果，对设备的状态变化进行分析，并预测分析设备的寿命。

2.3 离心泵测量点的选择

在选择离心泵的测量点时，还应该考虑的是周围环境的影响，在选择时尽量避开高温、高湿、出风口以及温度变化剧烈的测量点，以此保证测量结果的准确性。

3 监测数据采集

3.1 确定监测周期

通常来说，设备监测周期一般每天检测一次。新装的设备或者是大修以后的设备的运行的初期，要周期短，一般最好保证在8h内监测一次，然后等设备进入稳定的运行周期后再延长监测周期。而设备的实测振动值接近或者超了该设备的报警标准值的时候，就要缩短监测周期。

3.2 采集数据

为进行劣化趋势分析，在采集监测数据时，要尽量遵循五同原则，也就是测量的仪器及测量仪器设置要相同、测点的位置及方向要相同、设备工况要相同、背景振动要相同，而且在测量时尽量由一个人进行测量。也就是说，在选择合适的监测点后，进行定点、定周期的监测。

3.3 振动速度绝对标准

大部分旋转机械设备都是用振动的速度来判断其振动的强度。振动速度大，意味着振感强烈，即专业点监测所说的设备振动大。因此，评价设备的运转状态，首先应测量振动速度有效值，再与国际通用振动标准IS02372和IS03945）对照，初步判别设备运转状态，见表1。

表1

振动值标准：

（1）IS02372标准中，把诊断对象分为四个等级。I类：小型机械，15kW以下电动机等；Ⅱ类：中型机械，15～75kW电动机等；Ⅲ类：刚性安装的大型机械；IV类：柔性安装的大型机械。

（2）我处大多数的离心泵都属于Ⅲ类设备，标准定为1.8mm/s以下的是绿色良好设备；1.8～4.5mm/s也被称为绿色设备正常；4.5～7.1mm/s为黄色设备报警；7.1mm/s以上为红色设备应该暂时停止使用，对设备进行检修。

4 诊断方法

输油泵设备振动故障类型较多，常见有以下五类。

4.1 转子的不平衡故障分析

旋转机械设备最常见一种振动故障是转子不平衡故障，一般情况下，转子的多少都会存在不平衡的情况，只是不平衡在可控的标准值范围内，如果超过了标准的范围就是出现了故障，此类在各种转子故障中的占比很高。不平衡的情况有多种，例如，力的不平衡、偶的不平衡以及动的不平衡等。磨损与结垢是产生转子不平衡的主要因素。转子出现不平衡时，转子的质心以及转子几何轴心不重合，移栽一定的偏心矩，转子转动时偏心矩就会产生的离心力、离心力矩或者二者兼顾。不平衡振动的频率及转速是一致，振动值的大小与转速是息息相关的。

4.2 不对中故障

不对中也是输油泵设备中十分常见的故障之一。轴系不对中一般分为三种情况：首先，是两转子轴线的相互平行位移，称为平行不对中；其次，是两转子轴线的交叉成一角度，称为角度不对中；最后，是两转子轴线的相互交叉及平行，称为平行交叉综合不对中。不对中故障可能发生得较为突然，且有可能伴随着联轴器螺栓的失效。轴向振动大，且联轴器两侧振动大，首先考虑是否存在不对中故障。一般来说，设备不对中故障时，垂直、水平振值都较大。不对中振动对转子负荷的变化较为敏感，振动幅值随负荷增大而增高。不对中振动本身较稳定，对转速变化不敏感，而横向裂纹、转动件松动对转速十分敏感。

4.3 松动故障

松动振动的方向比较明显时，松动的方向振动也就越大。松动振动对转速的变化有一定的影响，在增速或者减速中，振动值也会随之突然变大、变小。另外，松动振动对负荷的变化也有影响。根据松动的部位不同，具体分为以下三类。

首先，基础松动是设备底座及台板等存在一定程度上的结构松动，或者是水泥灌浆不实和结构及基础的变形。在这种情况下，垂直方向上的振动值会更大。其次，结合面紧固螺栓松动是指轴承座、支架、底座、台板、基础结合处紧固螺栓强度不足，螺栓断裂或松动，支架变形或开裂等状况。这种振动是由于结合面处的间隙造成支撑系统的不连续位移而引起的。最后，轴承套松动是指轴承套或可倾瓦衬套与轴承座间隙误差过大，导致间隙过大或轴承张力不足的情况。当轴承套松动时，在转子离心力的作用下，轴承套会沿周向周期性变形，而剖分式衬套会沿剖切面的垂直方向松动，从而改变轴承的几何参数，进而影响油膜的稳定性。

4.4 滚动轴承故障

滚动轴承的常见故障有点蚀、磨损、胶合、断裂、锈蚀、电蚀、保持架损坏、凹坑及压痕等。在滚动轴承的实际应用中最常见以及最具有代表性的故障类型为点蚀、磨损、胶合三种。其中，胶合从发生到轴承完全损坏的过程是极短的，所以，一般情况下，很难通过定期检查发现。在滚动轴承新安装初期，需重点跟踪其振值及温度值，运转稳定后，振动加速度大，则是滚动轴承损坏的一个充分条件，轴承每种零件有其特殊的故障特征频率，轴承外圈、内圈、滚动体、保持架均有各自的故障特征频率。理论及实践均可证明，滚动轴承的失效过程必将引起加速度幅值的增大，且当故障非常严重时，其加速度幅值不增反降。因此，跟踪轴承加速度幅值的趋势变化尤为重要。

4.5 滑动轴承故障

滑动轴承故障主要为轴瓦间隙大，油膜涡动、油膜振荡、合金损坏等。轴瓦间隙大的振动特征包括：径向振动大，特别是垂直方向（此特点类似松动）；频谱中以一倍转频及高次谐波为主，也可能存在分数谐波。除包括上述振动特征外，合金损坏的振动特征还有较大的轴向振动。

油膜涡动是由径向滑动轴承油膜力所产生的一种涡动。理论计算表明，油膜涡动的旋转频率接近于转子工频的一半。对于大机组来说，当转速上升到一阶临界转速2倍附近时（即油膜涡动的频率等于固有频率时）转子轴承系统将发生强烈的共振，即油膜振荡。油膜振荡发生后，即使转速继续上升，但涡动频率却将与转子固有频率一致，不再约等于工频的一半。

5 设备状态监测技术的应用

2020年8月25日，华池站岗位员工应用便携式测振仪对输油泵设备进行监测时，发现泵高压端振动值监测偏大，水平、垂直分别为2.8，1.5，听见2#输油泵高压端异响，声音出现间歇性的“嗤嗤”声音，轴承声音异常，立即停泵现场进行检查。发现轴承内圆与轴间隙变大，有跑内圆现象，同时，机油内出现有大量铜末。原因初判为轴承磨损，经过保障大队拆卸泵高压端轴承维修，发现滚动轴承保持架断裂，更换轴承后，恢复正常。

根据2020年使用设备状态监测技术以来，截取两台输油泵的振动数据分析，对比如表2所示。

表2

在历年设备状态检测中发现：1#输油泵高压端、低压端的水平、垂直、轴向区间段频谱曲线较平缓稳定，2#输油泵高压端、低压端的水平、垂直、轴向频谱曲线波动较大，由此看出，2#输油泵本身性能较差，故障出现次数频率，日常维修次数较多。2020年至今，2#输油泵出现故障次数为8次，分别在生产管理平台中进行报修，维修。目前，针对华池站2#输油泵出现的轴承磨损严重，机油频繁变黑，有铜末现象，在运行过程中，加密巡检次数，作为备用泵倒换。

6 结语

综上所述，应用便携式测振仪对输油设备进行监测的重点主要包括：首先，选择合适的监测点并定期监测；其次，采集振动速度值、加速度值并对比判别标准；最后，运用初步的振动诊断方法判别故障并跟踪劣化趋势。实践证明，使用便携式测振仪对输油设备进行初步的故障诊断、劣化趋势跟踪是完全可行的，在日常输油生产中起到了举足轻重的作用。