振动监测中海上油田设备故障探究范文

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《北京石油化工学院学报》2016年第2期

摘要：

主海水泵是某海上浮式生产储油船（FPSO）上的关键动设备。由于受船体变形和海水腐蚀，加之机组采用刚性底座及进出口管线应力等影响，机组振动值异常突出，故障频发。采用常规定期离线监测，通过频谱分析技术及振动幅值规律研究诊断主海水泵故障。结果显示振动监测分析可以有效实现设备状态预知性维修，预防恶性事故发生，解决了海上油田动设备故障。

关键词：

振动监测；故障诊断；离心泵；海上油田

海上油田平台的复杂结构及恶劣环境易造成设备发生机械故障。目前海上油田多以巡检方式关注设备状态，由于部分设备故障频发，设备振动的原因错综复杂，仅靠耳听手摸等感觉和经验的原始方法，很难全面准确地分析判断故障原因，严重影响海上油田的正常生产［1］。同时设备故障管理作为设备管理的重要部分，如何运用数据分析和故障预测并采取积极措施降低设备故障率，提高设备可靠性，对于设备管理甚至完整性管理具有重要意义［2］。为此，利用故障诊断仪器获取设备诊断数据来实现设备的状态监测诊断。振动监测分析采用的方法有很多，振动幅值为振动强弱的一种量度，是设备故障的最基础数据，设备监测状态是否正常首先是从振动幅值的大小来区分。另外，时间波形是最原始的振动信息源，频谱分析也是设备故障诊断中最常用的方法［3－4］。

1主海水泵配置

FPSO的海水系统的作用主要是冷却淡水，因为海水有腐蚀作用，所以先用海水经冷却器冷却淡水，然后再用淡水去冷却各机器设备。这样就减少了机器设备直接与海水接触的机会，使机器设备的使用寿命得以延长。机船中所有多余的热量最终都要经过海水排到船外，所以海水泵在整个FPSO系统中的作用至关重要［5］。该泵安置在FPSO机舱内，配置方式为电机—离心泵传动机械形式。主海水泵安装结构形式及振动测点如图1所示。该机组配置额定参数信息如表1所示。机组安装在FPSO机舱内，由于船体变形等因素，造成该机组振动值较大，故障频发。目前该FPSO安装A／B／C3台主海水泵，其中A／C2台设备为常用设备，B为备机。由于利用振动信号对机械设备进行状态监测和故障诊断是最常用、最有效的方法，振动信号分析是故障诊断领域最活跃的一个分支［6－7］。因此应对该主海水泵机组进行定期的振动监测。由于C机电机驱动端轴承异常，C机2H／2V测点的振动幅值变化趋势如图2所示。

2监测数据及变化趋势分析

2．1监测数据分析及诊断

单纯从故障调制信号上获取的时频域特征达到诊断的目的几乎是不可能的，包络分析是一种轴承故障诊断的有效技术，通过对包络信号进行频率分析，可以比较精确地确定出故障发生的部位和层次［8－10］。由图2可以看出，在2013—08和2014—10两个时间点，2H测点包络值分别达到21．44gE和24．34gE，该值已超出设备故障常规报警设定值。同时给出2H测点包络谱频域图和时域图分别如图3和图4所示。由图3可以看出，该测点包络值较高，频谱中以工频为主。图4中，时域波形冲击明显，由于轴承间隙过大造成电机驱动端轴承磨损，运行状态欠佳，在较高包络值下需要对电机驱动端进行更换轴承。在该2时间点监测到设备异常后，立刻对电机驱动端更换电机轴承。更换后测量该机组部分测点振动值，如图2中2014—02和2015—01时间点振动值所示，设备运行状态恢复至正常状态。对A机进行振动监测发现，机组振动值同样较高，A机1H、3H、4H测点速度谱分别如图5～图7所示。由图5～图7可以看出，频谱中以工频为主，最大值已达16．37mm／s，工频突出明显但无其他异常频率，通过频谱得出该A机组对中不良。由于考虑该设备结构为单级泵轴单端固定，管线存在应力，基础较弱，海水腐蚀等因素，造成该机组转子轴颈中心在轴承中的位置发生变化，因此该机组状态应诊断为热态不对中［11］。针对海上油田动设备机组普遍采用联轴器链接转子，在该链接形式下，如果因刚性联轴器转子不对中，转子的转速会产生周期性变化，轴向振动较大，会产生转子转动频率1倍的振动频率。由于机组还受海上油田工况不稳等因素的影响，在转速较低时，机组会产生稳定的周期涡动，而随着转速的提高，机组就会产生准周期运动，产生不稳定性。不稳定的工况会影响设备的运行状态，进而造成设备可靠性降低。同样，机组产生的振动和噪声会加速轴承等零部件的磨损，降低机器的寿命和效率［12－13］。振动监测后对该机组进行了严格对中及调整，振动数据值恢复至正常范围内。

2．2数据规律分析与管理

通过对主海水泵A／C2台设备振动监测分析并用于指导维修后，设备运转工况正常。针对该设备的分析数据及设备状况，2次振动值已达到10gE值时，后期设备振动值快速上升，因此应选择设置合理的设备报警参考值和停机值。根据该主海水泵机组的实际工况，可设置8和12分别为报警值及停机值。通过对2机组的数据分析发现，A／C机组异常状况时，水平方向振动值异常突出。查看主海水泵安装结构现场发现，主海水泵机组采用刚性底座，而水平方向刚性相对较弱，同时受进出口管线均存在管线应力等因素影响，造成机组容易产生水平方向的轴向偏差等。对C机组振动幅值变化趋势（如图2所示）进行研究对比发现，该机组2013—05与2014—06、2013—08与2014—10、2014—02与2015—01时间点之间的数据有一定的关系，即形成2个近似完整故障周期，该机组故障周期约11个月左右。获得该机组故障周期后，海上油田维修人员可以提前做好设备故障预防并合理的准备设备备件，预防恶性事故发生［2］。

3结论

针对海上油田主海水泵故障频发问题，采取振动监测获取设备运行状态，提取振动幅值及其频谱图、时域图；同时根据设备运行状态及状态监测经验设置故障报警值。通过振动监测分析并结合现场情况，有效地实现了对主海水泵的状态监测，达到了预知性维修的目的。

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作者:王鹏 李进 王庆国 刘红彦 李虎 单位:中海油能源发展装备技术有限公司