發(fā)表時間： 2022-10-25 18:01:32
作者： Mark，張玉奎，李軍偉
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摘要：煉化裝置關(guān)鍵機(jī)泵承擔(dān)著泵送高溫?zé)嵊汀⑤p烴、有毒有害等介質(zhì)的重要任務(wù)，屬于高危工況，處于核心工位，對機(jī)泵的可靠性和MTBF（平均無故障運(yùn)行時間）要求較高。通常，通過日常巡檢和振動總值的監(jiān)測來關(guān)注機(jī)泵的健康狀況，但是經(jīng)常不可避免的出現(xiàn)軸承損壞、機(jī)械密封泄漏等故障，導(dǎo)致故障維修，違背了預(yù)測性維護(hù)的初衷。通過提供精細(xì)化狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)對機(jī)泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面評估，進(jìn)行主動維護(hù)，提高機(jī)泵運(yùn)行的可靠性，延長機(jī)泵的MTBF，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)的目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：狀態(tài)監(jiān)測，運(yùn)行工況，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性，軸承，機(jī)械密封
精細(xì)化狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)主要包含：機(jī)泵的運(yùn)行工況評估、轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性監(jiān)測、滾動軸承故障監(jiān)測及機(jī)械密封可靠性管理。進(jìn)行長周期數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)積累，通過工況分析、振動趨勢和頻譜分析、溫度趨勢監(jiān)測等技術(shù)措施，對影響可靠性和MTBF的轉(zhuǎn)子、軸承、機(jī)械密封等零部件進(jìn)行早期故障預(yù)警，對機(jī)泵整體健康狀況進(jìn)行評估，最大限度的降低由于軸承損壞和密封泄漏導(dǎo)致的非計(jì)劃停機(jī)風(fēng)險，提高運(yùn)行的可靠性，為機(jī)泵連續(xù)、可靠、安全、穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航，為用戶創(chuàng)造價值。
1.機(jī)泵的運(yùn)行工況評估
根據(jù)機(jī)泵壓力、泵送介質(zhì)屬性、運(yùn)行電流、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)，確定泵的運(yùn)行工況點(diǎn)，對工況進(jìn)行評價，進(jìn)行故障原因分析。以某煉化裝置脫氧水泵故障原因?yàn)槔眯蜑镺H1結(jié)構(gòu)，故障表現(xiàn)為頻繁斷軸、軸承和機(jī)械密封頻繁失效（見圖1），采集現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行工況分析（如圖2）。
圖1 失效狀況
對工況進(jìn)行評價，選型點(diǎn)為BEP點(diǎn)的 35%左右，實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)為 32%左右，泵處于極端偏工況運(yùn)行，接近最小流量，這是產(chǎn)生斷軸和軸承失效的主要原因，只能通過選擇匹配符合實(shí)際工況的泵型進(jìn)行改造。通過機(jī)泵的運(yùn)行工況評估進(jìn)行故障根本原因分析，指導(dǎo)用戶進(jìn)行機(jī)泵故障改造。
圖2 工況分析
另外在碳達(dá)峰和碳中和的大趨勢下，煉化企業(yè)對機(jī)泵的能耗指標(biāo)愈加重視，通過機(jī)泵的運(yùn)行工況評估進(jìn)行能效分析和節(jié)能改造，降低廠用電耗，提升機(jī)泵運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，以某公用工程循環(huán)水泵為例。泵型為BB1結(jié)構(gòu)，葉輪進(jìn)行過切割，運(yùn)行汽蝕噪聲嚴(yán)重，振動超過報警值。采集現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行工況分析（見圖3）。
圖3 工況分析
通過工況分析明確循環(huán)水泵存在偏流量運(yùn)行問題，葉輪切割后，汽蝕性能劣化，振動噪聲大，運(yùn)行效率不高，只有70%左右。向用戶提出改造建議，結(jié)合循環(huán)水工藝優(yōu)化，確定最終的改造參數(shù)，改造前后的運(yùn)行能耗如下（如圖4）：
圖4 改造前后能耗指標(biāo)對比
按照公用工程循環(huán)水實(shí)際容量進(jìn)行循環(huán)泵選型改造，對單臺泵改造前后能耗、電費(fèi)及節(jié)能率進(jìn)行分析，單臺泵年節(jié)省電量57萬KW.h，年節(jié)約成本36萬元，節(jié)能率在11.2%左右,初始投資在40萬元左右，投資回報率為0.9年。公用工程循環(huán)水總共配置6臺同型號循環(huán)水泵，為四備二運(yùn)行模式，全部實(shí)施改造后將極大的降低廠用電消耗，降低循環(huán)水運(yùn)行成本，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
在精細(xì)化狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)中，進(jìn)行機(jī)泵的運(yùn)行工況評估是非常必要的，通過定周期對運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)測分析，鑒別和發(fā)現(xiàn)由于偏流量、低效運(yùn)行、運(yùn)行間隙磨損、水力部件損壞等根本原因產(chǎn)生的故障，實(shí)時建議用戶進(jìn)行工況調(diào)整或者改造，進(jìn)行預(yù)測性檢修，提高機(jī)泵運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。
2.轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性監(jiān)測
轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性監(jiān)測的主要技術(shù)措施是振動監(jiān)測和振動分析，通過定周期長時間的數(shù)據(jù)采集和積累，根據(jù)趨勢的劣化進(jìn)行頻譜分析，對影響轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的影響因素：不對中、不平衡、動靜碰磨、彎曲、松動、軟腳、水力、共振、電機(jī)故障、齒輪故障等，進(jìn)行早期預(yù)警和實(shí)時介入，實(shí)現(xiàn)主動維護(hù)。
以某裝置鍋爐給水泵為例。泵型為BB5結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場采集給水泵兩側(cè)軸承殼體振動數(shù)據(jù)，頻譜均出現(xiàn)一倍頻，振動值達(dá)到6.0mm/s，遠(yuǎn)超歷史振動水平。根據(jù)通頻值趨勢、時域波形、瀑布圖、一倍頻趨勢、額定轉(zhuǎn)速頻譜、工藝工況、現(xiàn)場操作維護(hù)情況等數(shù)據(jù)（頻譜數(shù)據(jù)詳見圖5）。
圖5 頻譜數(shù)據(jù)
最終診斷可能的故障原因?yàn)椋簞屿o碰磨和偶發(fā)性不平衡（不排除旋轉(zhuǎn)部件損壞導(dǎo)致）。鑒于目前較高的振動水平，不建議給水泵繼續(xù)運(yùn)行，應(yīng)進(jìn)行停機(jī)處理，查明原因。
將給水泵芯包從筒體拉出，軸承部件、機(jī)械密封無異常。拆解到平衡機(jī)構(gòu)時，發(fā)現(xiàn)節(jié)流套表面產(chǎn)生溝槽狀磨損痕跡（見圖6）。考慮安全運(yùn)行，將整個芯包進(jìn)行解體，葉輪前后口環(huán)無明顯磨損痕跡，至此引起突發(fā)高振動值的原因已明確。
圖6 節(jié)流套磨損情況
在精細(xì)化狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)中，進(jìn)行轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性監(jiān)測是非常重要的，對關(guān)鍵機(jī)泵應(yīng)盡可能增加振動監(jiān)測頻次，積累數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，設(shè)定合理的振動基線值，而不是以ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值作為報警停機(jī)值。在振動通頻值出現(xiàn)突變時（不超過ISO標(biāo)準(zhǔn)限值），應(yīng)及時進(jìn)行振動分析，查明故障原因，果斷處置，避免小故障劣化成嚴(yán)重的機(jī)泵損壞，造成安全生產(chǎn)事故。
3.滾動軸承故障監(jiān)測
軸承的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到機(jī)泵的運(yùn)行狀態(tài)，軸承的健康狀況是決定機(jī)泵可靠性的重要因素。煉化裝置中機(jī)泵眾多，因?yàn)檩S承失效導(dǎo)致轉(zhuǎn)子故障，機(jī)械密封泄漏的安全生產(chǎn)事故屢見不鮮。
日常的例行巡檢通過軸承測溫、油位變化、振動通頻值測量、頻譜分析關(guān)注軸承的健康狀況，但是往往事倍功半，收效甚微。等到測量指標(biāo)值有明顯變化時，軸承已經(jīng)到了失效晚期，很多附加故障已經(jīng)隨著軸承的失效擴(kuò)展到轉(zhuǎn)子零部件和機(jī)械密封上，對于預(yù)測性維護(hù)沒有實(shí)際意義。
在精細(xì)化狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)中，軸承故障監(jiān)測主要通過兩種技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)。
第一，監(jiān)測軸承故障特征頻率，設(shè)置特征頻率頻帶報警，通過定周期長時間的數(shù)據(jù)采集和積累，及時發(fā)現(xiàn)故障特征頻率劣化趨勢，在軸承缺陷產(chǎn)生后進(jìn)行早期干預(yù)，抓早抓小，避免故障擴(kuò)大化。
以某裝置進(jìn)料泵電機(jī)軸承為例，泵型為BB2結(jié)構(gòu)，介質(zhì)為汽油，電機(jī)額定功率為110KW。例行巡檢中電機(jī)DE側(cè)軸承溫度和振動總值無明顯劣化趨勢，頻譜存在不對中特征，但是在軸承故障特征頻率監(jiān)測中出現(xiàn)高幅值的特征頻率及其諧頻（詳見圖7），綜合判斷電機(jī)DE側(cè)軸承處于失效中期。
圖7 高幅值故障特征頻率
從安全運(yùn)行的角度出發(fā)，不建議繼續(xù)運(yùn)行，應(yīng)立即準(zhǔn)備備件進(jìn)行更換，拆解后軸承滾動體和外圈出現(xiàn)缺陷（詳見圖8），更換后期運(yùn)行一段時間后的故障特征頻率幅值回歸正常（詳見圖9）。
圖8 拆解后外圈和部分滾動體
圖9 更換前后軸承特征頻率對比
第二，監(jiān)測軸承的沖擊脈沖（Shock pluse）值，dBn值（歸一化的沖擊脈沖值）反應(yīng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中各單元的沖擊能量和潤滑狀態(tài)。
大量統(tǒng)計(jì)表明，安裝和潤滑質(zhì)量較好的新軸承dBn值一般在0-20dB左右；當(dāng)軸承出現(xiàn)輕微損傷后，dBn值一般在20-35dB左右；當(dāng)軸承出現(xiàn)明顯損傷后，dBn值一般在35-60dB左右。通過監(jiān)測軸承的dBn值，進(jìn)行定周期長時間的數(shù)據(jù)采集和積累，關(guān)注dBn值的變化趨勢，對軸承單元部件潤滑、疲勞剝落、裂紋、磨損以及表面劃傷進(jìn)行監(jiān)測。
通過以上兩方面進(jìn)行軸承故障監(jiān)測，提供精細(xì)化狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)，實(shí)時了解滾動軸承的健康狀態(tài)，對軸承早期缺陷進(jìn)行預(yù)警和軸承壽命預(yù)測，從以往對軸承的故障式維修轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)測性維修，提高機(jī)泵的可靠性。
4.機(jī)械密封可靠性管理
煉化裝置中關(guān)鍵機(jī)泵通常泵送高溫?zé)嵊汀⑤p烴、有毒有害等介質(zhì)，屬于高危工況。機(jī)械密封發(fā)生失效后，介質(zhì)泄漏到大氣側(cè)往往引發(fā)火災(zāi)、爆炸、排放劇毒物等造成環(huán)境污染、人身傷亡和安全責(zé)任事故，造成重大影響。
因此，機(jī)械密封的可靠性管理顯的尤為重要，各個煉化企業(yè)投入巨大的精力進(jìn)行密封可靠性的提升，堅(jiān)決杜絕高危介質(zhì)的泄漏。
除了在設(shè)計(jì)選型階段，選擇合適的機(jī)械密封來適應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際的工況外，對機(jī)械密封的健康狀況監(jiān)測尤為重要。在精細(xì)化狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)中，主要通過監(jiān)測機(jī)械密封的運(yùn)行參數(shù)來關(guān)注機(jī)械密封的健康狀態(tài)（以PLAN23+53A為例，詳見圖10）。
圖10 機(jī)械密封運(yùn)行監(jiān)測參數(shù)
機(jī)械密封輔助系統(tǒng)主要的功能為：帶走密封面摩擦副產(chǎn)生的熱量、沖走雜質(zhì)和液膜保持。循環(huán)系統(tǒng)管路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度和壓力，儲液罐的液位、溫度和壓力等參數(shù)時刻反應(yīng)著密封面的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。
以某裝置鍋爐給水泵的密封失效過程為例，在密封失效時輔助系統(tǒng)溫度的變化和泵相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的變化（詳見圖11）。泵型為BB5結(jié)構(gòu)，密封系統(tǒng)為PLAN23，常年恒工況運(yùn)行，DE側(cè)機(jī)械密封失效。
圖11 泵及機(jī)械密封監(jiān)測參數(shù)
圖12 補(bǔ)償環(huán)和配合環(huán)失效情況
對比泵運(yùn)行參數(shù)和DE側(cè)機(jī)封循環(huán)液溫度變化情況，在失效初期循環(huán)液溫度頻繁波動，但是機(jī)封沒有產(chǎn)生泄漏。當(dāng)?shù)绞砥冢芊饷鎳?yán)重磨損后，機(jī)封嚴(yán)重泄漏，循環(huán)液溫度波動更加頻繁，并維持高位，電機(jī)電流在同等工況下有所上升。
因此，對關(guān)鍵機(jī)泵所有機(jī)械密封進(jìn)行系統(tǒng)化的可靠性管理，建立密封運(yùn)行、失效、維修檔案，對機(jī)封運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行定周期長時間的數(shù)據(jù)采集和積累，及時發(fā)現(xiàn)異常，分析潛在原因，預(yù)測剩余壽命，做好預(yù)案，堅(jiān)決杜絕高危介質(zhì)的跑冒滴漏，保證安全運(yùn)行。
5.總結(jié)
較高的可靠性、可用性、可維護(hù)性是煉化裝置關(guān)鍵機(jī)泵管理的終極目標(biāo)，頻繁的軸承損壞和密封泄漏導(dǎo)致機(jī)泵頻修是可靠性低下的直觀表現(xiàn)。沒有軸承和密封單元的可靠性，何談?wù)麄€機(jī)泵的可靠性，反之亦然。
但是在諸多情況下，軸承和密封的失效只是表面現(xiàn)象，單一的狀態(tài)監(jiān)測措施并不能全面客觀的發(fā)現(xiàn)早期潛在故障。全面提升機(jī)泵可靠性，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)，進(jìn)行精細(xì)化、全面化的狀態(tài)監(jiān)測是一個最佳的選擇。
