故障診斷技術在離心泵中的應用分析

王 迪 姜 偉 朱紅波 李 凡

(1.克拉瑪依職業技術學院；2.獨山子石化公司乙烯廠)

機械裝置不斷向自動化和連續化方向發展，早期憑經驗式的診斷方法已經不能滿足現代化生產的需要，故障診斷技術的發展，已經形成了一門綜合學科，橫跨了設備修理、信號分析、通信傳輸、數學原理以及故障診斷等多門學科[1]。

1 常見的故障診斷方式

1.1 溫度檢測技術

機器設備的溫度變化可以反映出機械的運行狀況，當機體溫度波幅較大或超過一定幅值時，必然會反映其內部某些故障。溫度過高可能會影響到材料的機械性能，使其疲勞性能降低，更嚴重可以燒壞零件，如高速旋轉設備中常因溫度過高而燒壞軸承，口環間隙比較小的位置常因為溫度過高材料膨脹而發生卡澀。

溫度檢測根據測量時傳感器是否與設備接觸，分為接觸式測溫和非接觸式測溫。接觸式現在應用較少，而非接觸測溫因為不需要儀器和測試設備直接接觸，不會破壞原有測試對象的溫度場被廣泛的采用。以紅外測溫儀為代表，它通過吸收物體自身發出的不可見的紅外能量而工作，在石油化學、汽車、食品以及電氣工業等領域都有很多的應用[2]。

1.2 油樣分析技術

由于設備零部件之間有相對運動，所以必然存在著摩擦，其中磨損摩擦占據失效故障的80%左右，同時磨損還消耗大量的能量，占總能源的30%左右。人們為了減少摩擦，降低磨損往往在機械運動副中加入潤滑油，通過采集油液進行分析，根據其磨損磨粒的形狀、大小、顏色和元素組成，推算出該機械設備各摩擦副的基本情況如；磨損機理、磨損部位及磨損程度等方面的信息[3]。

1.3 無損檢測技術

無損檢測技術是在不破壞被檢測對象的前提下，利用某一物理特性能引起內部存在缺陷或異常的物體發生一定反映，根據缺陷的類型來判斷各種零部件的結構和材料的內部和表面狀況。包括磁粉檢測(MT，Magnetism Testing)，射線檢測(RT，Radiography)、滲透檢測(PT，Penetrate Testing)、渦流檢測(ET，Eddy Testing)和超聲檢測(UT，Ultrasonic Testing)5種常規的檢測[4]。

1.4 性能參數監測技術

機械系統在運行過程中存在著流量、壓力、電壓及電流等一系列參數，這些數據在不同程度上反映了機械系統的整體運行程度的好壞，操作人員通過這些參數的變化來判斷機械系統故障的方法稱為性能參數監測技術。最常用的機械系統性能參數值為壓力、流量和能耗，對于每一部位都有一個的穩態參數。當測試到機械設備輸送介質的性能參數值與正常工況不符，就可判斷機械系統整體性能或者零部件某方面存在故障[5]。

1.5 振動檢測技術

振動信號是最重要的信息來源，是機械設備運行狀態的重要載體，是機械設備運行狀態好壞的本質反映，沒有任何一種信號能夠蘊含如此多的重要信息。不管多么精密的機械系統和配合部件在正常運行過程中，都存在著不同的振動，當振動幅值達到一定時，必然導致系統存在某些故障。特別是現代信號處理技術的發展和應用如傅里葉變換、短時傅里葉變換、倒頻譜分析技術、小波變換、第二代小波變換、多小波變換分析技術和包絡譜技術都能很好地提取故障特征，目前利用振動信號對旋轉機械進行故障判斷是國內外使用的最有效的方法之一[6]。某化工廠根據故障的分析方式和現場高速旋轉設備實際情況，選擇振動檢測技術作為該廠的故障診斷方式。

2 診斷案例

2.1 設備概況

某石油化工企業有5臺DB34型多級離心式給水泵，該泵的結構為水平剖分式11級多級離心泵，徑向由軸瓦支撐,軸向由推力瓦定位，并且都為該廠的重要設備。每臺泵的最大出口壓力15MPa，額定轉速4 800r/min。2009年底其中一臺泵出現了較大的振動，介質有泄漏，且有逐漸上升的趨勢，更換前后機械密封后發現機械密封已經損壞。到目前為止已經連續發生多次機械密封損壞、油封燒壞、滑動軸承磨損等事故(圖1)。由于該廠的維修方式采用的是事后維修制度和定期維修制度，設備部件的頻繁損壞已嚴重影響到生產和安全的需要，為了解決以上非正常停機情況，筆者選擇基于振動信號分析的故障診斷技術，能夠實現預知設備故障，并能夠通過后期數據波形分析發現故障的原因和趨勢，提早維修并減少非計劃停機造成的經濟損失。

a.損壞的油封

b.損壞的軸瓦

2.2 故障波形分析

該廠選用博華公司生產的BH550便攜式測振儀對該多級離心泵進行跟蹤式狀態監測，檢測周期為一周一次，機組結構簡圖及檢測位置如圖2所示，其中根據ISO2372標準，設置該泵的黃色警告上限振動烈度為7.10mm/s；設置紅色禁止上限振動烈度為11.20mm/s。通過圖2看到在非驅動端的水平振動烈度值已經超過了黃色警告達到了7.97 mm/s。

圖2 機組測點及簡圖

圖3為測點3和測點4從2013年4月2日到2013年5月14日水平方向和垂直方向的振動趨勢圖，可以看出來從4月2日到4月16日3H、3V、4H方向的振動烈度都處于上升的趨勢，并且4H超過了黃色報警區間。4月16日測點4的水平方向波形如圖4所示，根據振動波形圖可以發現波形是趨向于正弦波形，是時域波形中典型的平衡故障圖。測點4的水平方向頻譜如圖5所示，由于多級離心給水泵額定轉速為4 800r/min即基頻為80.00Hz,通過頻譜圖可以看出是81.40Hz頻率引起的較大幅值，由頻譜圖的最小分辨率是6.25 Hz即測點4的水平振動能量主要來自于1倍頻及其諧波，即比較典型的轉子平衡故障。圖6～8分別為測點3H、3V、4V的頻譜，可以看出主要頻率也是1倍頻及其諧波，也印證了該泵主要故障是轉子平衡問題，現場表現在非聯軸器端的水平振動過大，且超過了黃色警告。

圖3 測點3、4振動趨勢圖

圖4 測點4水平方向波形圖

圖5 測點4水平方向頻譜圖

圖6 測點3水平方向頻譜圖

圖7 測點3垂直方向頻譜圖

圖8 測點4垂直方向頻譜圖

2.3 故障解決

該多級離心給水泵在以前也出現過類似狀況，在動平衡機上找平衡后排除故障。但是如果拆下來在動平衡機上找平衡從拆卸、運輸、調試到安裝工期長、效率低，其中修理費及停機造成的損失達五十余萬。同時進口設備經常拆卸還會影響到裝配精度。所以筆者決定利用SB770現場動平衡儀對該多級泵進行現場動平衡。4月20日，加重完成后試車，振動趨勢圖如圖3所示，從4月23日到5月14日振動烈度趨勢圖有所下降，非驅動端水平處振動烈度從現場動平衡之前的8.45mm/s降到6.81mm/s，并平穩運行至今。

3 結束語

故障診斷的方式很多，對于一個工廠來說選擇好合適的故障診斷方式不僅可以增加企業的生產效益，而且有利于減少工人的勞動強度，選擇基于振動的故障診斷方式并結合正確使用一些檢測設備對于存在旋轉設備的化工廠來說具有一定的參考價值。

[1] 黑開偉.小波分析在旋轉機械故障診斷中的應用研究[D].武漢：武漢科技大學.2010.

[2] 江朝元,曹曉莉.基于CAN總線的分布式溫度巡檢系統[J].儀器儀表學報，2005，26(z1)：508～509.

[3] 陳學峰,梁培鈞.油液分析技術在齒輪箱故障診斷中的應用[J].機械工程與自動化，2011，(1)：120～121．

[4] 夏智富，李秀偉，丁貴濤.高速離心泵振動故障診斷與分析[J]．煉油與化工,2010，21(5)：30～32,69.

[5] 姚良,成曙,張振仁，等.基于無損檢測的柴油機狀態監測與故障診斷[J].小型內燃機與摩托車，2007，36(4)：91～94.

[6] 莫琦,陳立定,馮太合.小波包在旋轉機械故障振動信號處理中的應用[J].計算技術與自動化，2005，24(2)：63～65.