發表時間： 2022-10-25 18:01:32
作者： Mark，張玉奎，李軍偉
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摘要：煉化裝置關鍵機泵承擔著泵送高溫熱油、輕烴、有毒有害等介質的重要任務，屬于高危工況，處于核心工位，對機泵的可靠性和MTBF（平均無故障運行時間）要求較高。通常，通過日常巡檢和振動總值的監測來關注機泵的健康狀況，但是經常不可避免的出現軸承損壞、機械密封泄漏等故障，導致故障維修，違背了預測性維護的初衷。通過提供精細化狀態監測服務對機泵的運行狀態進行全面評估，進行主動維護，提高機泵運行的可靠性，延長機泵的MTBF，進而實現預測性維護的目標。
關鍵詞：狀態監測，運行工況，轉子穩定性，軸承，機械密封
精細化狀態監測服務主要包含：機泵的運行工況評估、轉子穩定性監測、滾動軸承故障監測及機械密封可靠性管理。進行長周期數據采集和數據積累，通過工況分析、振動趨勢和頻譜分析、溫度趨勢監測等技術措施，對影響可靠性和MTBF的轉子、軸承、機械密封等零部件進行早期故障預警，對機泵整體健康狀況進行評估，最大限度的降低由于軸承損壞和密封泄漏導致的非計劃停機風險，提高運行的可靠性，為機泵連續、可靠、安全、穩定運行保駕護航，為用戶創造價值。
1.機泵的運行工況評估
根據機泵壓力、泵送介質屬性、運行電流、轉速等運行參數，確定泵的運行工況點，對工況進行評價，進行故障原因分析。以某煉化裝置脫氧水泵故障原因為例，泵型為OH1結構，故障表現為頻繁斷軸、軸承和機械密封頻繁失效（見圖1），采集現場運行數據并進行工況分析（如圖2）。
圖1 失效狀況
對工況進行評價，選型點為BEP點的 35%左右，實際運行點為 32%左右，泵處于極端偏工況運行，接近最小流量，這是產生斷軸和軸承失效的主要原因，只能通過選擇匹配符合實際工況的泵型進行改造。通過機泵的運行工況評估進行故障根本原因分析，指導用戶進行機泵故障改造。
圖2 工況分析
另外在碳達峰和碳中和的大趨勢下，煉化企業對機泵的能耗指標愈加重視，通過機泵的運行工況評估進行能效分析和節能改造，降低廠用電耗，提升機泵運行的經濟性，以某公用工程循環水泵為例。泵型為BB1結構，葉輪進行過切割，運行汽蝕噪聲嚴重，振動超過報警值。采集現場運行數據并進行工況分析（見圖3）。
圖3 工況分析
通過工況分析明確循環水泵存在偏流量運行問題，葉輪切割后，汽蝕性能劣化，振動噪聲大，運行效率不高，只有70%左右。向用戶提出改造建議，結合循環水工藝優化，確定最終的改造參數，改造前后的運行能耗如下（如圖4）：
圖4 改造前后能耗指標對比
按照公用工程循環水實際容量進行循環泵選型改造，對單臺泵改造前后能耗、電費及節能率進行分析，單臺泵年節省電量57萬KW.h，年節約成本36萬元，節能率在11.2%左右,初始投資在40萬元左右，投資回報率為0.9年。公用工程循環水總共配置6臺同型號循環水泵，為四備二運行模式，全部實施改造后將極大的降低廠用電消耗，降低循環水運行成本，提高運行經濟性。
在精細化狀態監測服務中，進行機泵的運行工況評估是非常必要的，通過定周期對運行工況進行監測分析，鑒別和發現由于偏流量、低效運行、運行間隙磨損、水力部件損壞等根本原因產生的故障，實時建議用戶進行工況調整或者改造，進行預測性檢修，提高機泵運行的經濟性和可靠性。
2.轉子穩定性監測
轉子穩定性監測的主要技術措施是振動監測和振動分析，通過定周期長時間的數據采集和積累，根據趨勢的劣化進行頻譜分析，對影響轉子穩定性的影響因素：不對中、不平衡、動靜碰磨、彎曲、松動、軟腳、水力、共振、電機故障、齒輪故障等，進行早期預警和實時介入，實現主動維護。
以某裝置鍋爐給水泵為例。泵型為BB5結構，現場采集給水泵兩側軸承殼體振動數據，頻譜均出現一倍頻，振動值達到6.0mm/s，遠超歷史振動水平。根據通頻值趨勢、時域波形、瀑布圖、一倍頻趨勢、額定轉速頻譜、工藝工況、現場操作維護情況等數據（頻譜數據詳見圖5）。
圖5 頻譜數據
最終診斷可能的故障原因為：動靜碰磨和偶發性不平衡（不排除旋轉部件損壞導致）。鑒于目前較高的振動水平，不建議給水泵繼續運行，應進行停機處理，查明原因。
將給水泵芯包從筒體拉出，軸承部件、機械密封無異常。拆解到平衡機構時，發現節流套表面產生溝槽狀磨損痕跡（見圖6）。考慮安全運行，將整個芯包進行解體，葉輪前后口環無明顯磨損痕跡，至此引起突發高振動值的原因已明確。
圖6 節流套磨損情況
在精細化狀態監測服務中，進行轉子穩定性監測是非常重要的，對關鍵機泵應盡可能增加振動監測頻次，積累數據基礎，設定合理的振動基線值，而不是以ISO標準規定的限值作為報警停機值。在振動通頻值出現突變時（不超過ISO標準限值），應及時進行振動分析，查明故障原因，果斷處置，避免小故障劣化成嚴重的機泵損壞，造成安全生產事故。
3.滾動軸承故障監測
軸承的運行狀態直接關系到機泵的運行狀態，軸承的健康狀況是決定機泵可靠性的重要因素。煉化裝置中機泵眾多，因為軸承失效導致轉子故障，機械密封泄漏的安全生產事故屢見不鮮。
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。等到測量指標值有明顯變化時，軸承已經到了失效晚期，很多附加故障已經隨著軸承的失效擴展到轉子零部件和機械密封上，對于預測性維護沒有實際意義。
在精細化狀態監測服務中，軸承故障監測主要通過兩種技術措施實現。
第一，監測軸承故障特征頻率，設置特征頻率頻帶報警，通過定周期長時間的數據采集和積累，及時發現故障特征頻率劣化趨勢，在軸承缺陷產生后進行早期干預，抓早抓小，避免故障擴大化。
以某裝置進料泵電機軸承為例，泵型為BB2結構，介質為汽油，電機額定功率為110KW。例行巡檢中電機DE側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測中出現高幅值的特征頻率及其諧頻（詳見圖7），綜合判斷電機DE側軸承處于失效中期。
圖7 高幅值故障特征頻率
從安全運行的角度出發，不建議繼續運行，應立即準備備件進行更換，拆解后軸承滾動體和外圈出現缺陷（詳見圖8），更換后期運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，監測軸承的沖擊脈沖（Shock pluse）值，dBn值（歸一化的沖擊脈沖值）反應軸承運轉中各單元的沖擊能量和潤滑狀態。
大量統計表明，安裝和潤滑質量較好的新軸承dBn值一般在0-20dB左右；當軸承出現輕微損傷后，dBn值一般在20-35dB左右；當軸承出現明顯損傷后，dBn值一般在35-60dB左右。通過監測軸承的dBn值，進行定周期長時間的數據采集和積累，關注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行監測。
通過以上兩方面進行軸承故障監測，提供精細化狀態監測服務，實時了解滾動軸承的健康狀態，對軸承早期缺陷進行預警和軸承壽命預測，從以往對軸承的故障式維修轉變為預測性維修，提高機泵的可靠性。
4.機械密封可靠性管理
煉化裝置中關鍵機泵通常泵送高溫熱油、輕烴、有毒有害等介質，屬于高危工況。機械密封發生失效后，介質泄漏到大氣側往往引發火災、爆炸、排放劇毒物等造成環境污染、人身傷亡和安全責任事故，造成重大影響。
因此，機械密封的可靠性管理顯的尤為重要，各個煉化企業投入巨大的精力進行密封可靠性的提升，堅決杜絕高危介質的泄漏。
除了在設計選型階段，選擇合適的機械密封來適應現場實際的工況外，對機械密封的健康狀況監測尤為重要。在精細化狀態監測服務中，主要通過監測機械密封的運行參數來關注機械密封的健康狀態（以PLAN23+53A為例，詳見圖10）。
圖10 機械密封運行監測參數
機械密封輔助系統主要的功能為：帶走密封面摩擦副產生的熱量、沖走雜質和液膜保持。循環系統管路關鍵節點的溫度和壓力，儲液罐的液位、溫度和壓力等參數時刻反應著密封面的運轉狀態。
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溫度的變化和泵相關運行參數的變化（詳見圖11）。泵型為BB5結構，密封系統為PLAN23，常年恒工況運行，DE側機械密封失效。
圖11 泵及機械密封監測參數
圖12 補償環和配合環失效情況
對比泵運行參數和DE側機封循環液溫度變化情況，在失效初期循環液溫度頻繁波動，但是機封沒有產生泄漏。當到失效晚期，密封面嚴重磨損后，機封嚴重泄漏，循環液溫度波動更加頻繁，并維持高位，電機電流在同等工況下有所上升。
因此，對關鍵機泵所有機械密封進行系統化的可靠性管理，建立密封運行、失效、維修檔案，對機封運行的關鍵指標參數進行定周期長時間的數據采集和積累，及時發現異常，分析潛在原因，預測剩余壽命，做好預案，堅決杜絕高危介質的跑冒滴漏，保證安全運行。
5.總結
較高的可靠性、可用性、可維護性是煉化裝置關鍵機泵管理的終極目標，頻繁的軸承損壞和密封泄漏導致機泵頻修是可靠性低下的直觀表現。沒有軸承和密封單元的可靠性，何談整個機泵的可靠性，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象，單一的狀態監測措施并不能全面客觀的發現早期潛在故障。全面提升機泵可靠性，實現預測性維護，進行精細化、全面化的狀態監測是一個最佳的選擇。
