應用振動監(jiān)測與故障分析診斷技術提高泵站設備管理水平

趙順萍¹，肖澤²,孫凝¹,徐巖¹  (1.北京市自來水集團有限責任公司，北京100031；2.觀為監(jiān)測技術無錫有限公司，江蘇

無錫214000)

摘要：水泵機組安全、可靠、高效地運行事關供水企業(yè)發(fā)展。如何及時發(fā)現(xiàn)異常運行的泵組，查找故障原因，并據(jù)此提出科學的檢修方案、避免盲目維修，已成為設備管理人員的重要課題。主要對振動監(jiān)測與故障分析診斷技術在大型水泵機組中的應用進行研究，并通過某水廠加壓泵組的故障實例，系統(tǒng)地闡述了振動監(jiān)測與故障分析診斷技術在泵組安全運行、科學檢修、提高設備管理和維護中所取得的效果。

如何在確保設備安全運行的前提下減少維修量，是降低供水企業(yè)生產(chǎn)成本的重要途徑。通過建立基于振動監(jiān)測和故障分析診斷的維修管理體制是有效手段之一。

以往對水泵機組采用巡回檢查的方式，往往不能發(fā)現(xiàn)早期隱患，更不能準確地分析診斷異常泵組的故障性質(zhì)、部位、原因，致使早期輕微故障逐漸惡化為重大故障，并給企業(yè)造成直接及間接的經(jīng)濟損失。

1 開展水泵機組振動監(jiān)測的目的

隨著運行時間的延長，水泵機組可能出現(xiàn)如軸承損傷、聯(lián)軸器對中不良、轉子動平衡故障、轉子軸彎曲、設備基礎剛性下降（地腳松動）、電動機轉子碰摩等各類機械磨損或故障，造成機械設備運行效能降低，嚴重時可能導致災難性事故。設備“健康體檢”能及早發(fā)現(xiàn)并準確判斷故障原因、部位、性質(zhì)和嚴重程度，并對維護和檢修策略提出建議，避免非計劃停車，確保水泵機組處于最佳運行狀態(tài)。具體主要表現(xiàn)為以下4個方面：

① 實現(xiàn)安全供水。泵組振動情況直接反映運行狀態(tài)，無論是國際標準化還是國內(nèi)或行業(yè)標準化組織，針對不同設備都制定了以振動速度有效值大小來判定設備運行狀態(tài)是否良好的標準，如ISO—2372、ISO—10816是針對離心式設備振動控制值的國際標準；GB 10068—2000則是我國針對電動機制定的相關質(zhì)量驗收的振動標準。類似的標準還有很多，均是通過監(jiān)測設備振動情況并在數(shù)據(jù)分析的基礎上判定機組運行狀態(tài)，查找其故障隱患，及早排除、避免故障發(fā)展為事故。供水機組是水廠的核心設備，直接影響供水能力的發(fā)揮，特別是在高峰供水期間，設備的完好至關重要。

② 實現(xiàn)節(jié)能降耗。水泵機組是水廠最大的耗能設備，而機組振動幅度增大，往往會消耗更多的能量，也就意味著某些部件處于高耗能狀態(tài)。舉例來說，設備聯(lián)軸器對中不良，會導致機組振動變大。對于運行的設備只有通過振動監(jiān)測分析才能判斷其聯(lián)軸器狀態(tài)，對中故障不僅增大能耗，而且會導致軸承過度磨損，進而引起填料密封的過度消耗。以上現(xiàn)象出現(xiàn)在某水廠五號機組，通過振動監(jiān)測，查找并消除了故障隱患，達到節(jié)能降耗的目的。

③ 實現(xiàn)質(zhì)量控制。應用振動監(jiān)測，對設備購置、安裝、檢修等作業(yè)環(huán)節(jié)進行“健康體檢”，根據(jù)國家或國際標準進行振動檢測、質(zhì)量驗收，保證設備符合國家和國際標準，進行量化管理，做到依法驗收，這樣可最大限度地加強質(zhì)量管理，為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。

④ 實現(xiàn)科學檢修。設備運行狀態(tài)的判定，以相關國際和國家標準規(guī)定的振動參數(shù)為依據(jù)；對于振動超標的設備，維修人員面臨是否需要立刻修、修哪里、如何修等問題。因此分析振動超標的原因、部位、性質(zhì)顯得尤為重要；在維修工作完成后，檢修質(zhì)量是否達到要求，振動監(jiān)測也是驗收手段之一。

2 供水泵組常見故障

供水泵站設備主要由配水泵組與加壓泵組構成,其常見故障現(xiàn)象及其原因和風險分析如下。

① 聯(lián)軸器對中不良

兩個相連接的機器軸線同軸度偏離過大，或軸承安裝傾斜或偏心，即為對中不良。造成不對中的原因：裝配不當、調(diào)整不夠、基礎損壞、熱脹等。對中不良將使聯(lián)軸器、傳動軸及其軸承產(chǎn)生附加載荷，其結果會引起機器的振動、軸承的過早磨損、機械密封的失效，甚至造成聯(lián)軸器螺栓或膜片斷裂，引發(fā)人身傷亡事故。

② 轉子葉輪不平衡

不平衡是由于轉子材質(zhì)不均勻或因毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差造成的，不平衡質(zhì)點在轉動時無法相互抵消產(chǎn)生離心力，從而引起振動。振動再傳遞到軸承上，使軸承上各點每旋轉一周承受一次作用力。造成轉子不平衡的原因：葉輪制造時幾何尺寸不同心或質(zhì)量分布不均、安裝中鍵或軸頸不同心、泵軸水平靜止安放過久或受熱不均，造成臨時或永久變形、工作介質(zhì)中的雜質(zhì)在葉輪表面沉積；零部件配合過松、原有平衡配重脫落。轉子不平衡會加大機組振動，導致其他部件連鎖損傷。葉輪不平衡故障易與基礎松動、轉軸彎曲、角度不對中、轉子過臨界轉速故障相混淆，需通過振動數(shù)據(jù)分析加以區(qū)分。

③ 滾動軸承故障

滾動軸承是水泵機組中最常用也是容易產(chǎn)生故障的部件之一。目前應用軸承特征頻率來識別其故障是簡單有效的方法。造成軸承故障的原因有：制造缺陷、安裝不當、磨損等。軸承故障會造成機組振動增大，可能隨軸承損傷而報廢，其他相關正常部件壽命也可能急劇衰減；而高頻的振動損傷常具有隱蔽性、突發(fā)性，可能造成抱軸卡死等事故。

④ 基礎松動

水泵機組固定地腳螺栓松動、斷裂，以及支撐結構裂紋會導致基礎剛性下降。主要原因有螺栓剛性不足、鋼制框架焊口開裂、基礎找平斜鐵脫落等�；�礎松動會導致機組振動急劇加大，改變系統(tǒng)固有頻率，如果振動頻率與固有頻率接近，則可能引發(fā)系統(tǒng)共振，造成機組結構性損傷。

3 供水泵站加壓泵組振動監(jiān)測

北京市自來水集團有限責任公司應用振動監(jiān)測與故障分析診斷技術，對供水泵站的關鍵機組開展振動監(jiān)測，定期對機組進行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)數(shù)據(jù)分析查找相關泵組的故障隱患，并對故障機組制定檢修計劃和具體的檢修方案，對檢修的機組做到“心中有數(shù)”，最大化地實現(xiàn)科學檢修。下面以某水廠4#加壓泵組為例，闡述應用振動監(jiān)測與分析診斷技術，實現(xiàn)科學檢修的過程。

3.1 機組運行情況

2014年5月對泵站機組進行的例行振動監(jiān)測中，發(fā)現(xiàn)4#加壓泵組振動異常。

① 水泵參數(shù)：水泵型號為600S32A,軸承型號均為6316。

② 電機技術參數(shù)：型號為Y3556-6,額定功率為250 kW,額定轉速為986 r/min；軸承型號為N322（驅動端）、6322（非驅動端）。

3.2 泵組振動測點布置

根據(jù)加壓泵組結構，選擇電機和水泵軸承座部位作為振動監(jiān)測點，各軸承測點在徑向的水平和垂直方向布置振動加速度傳感器各一支，且在聯(lián)軸器兩端軸承軸向測點各布置1支振動加速度傳感器，采集不同測點及不同方向的振動數(shù)據(jù)(具體布置見圖1)。

圖1 泵組振動測點布置

采集的振動數(shù)據(jù)包括振動速度、加速度、解調(diào)信號的頻譜和波形，由專門的數(shù)據(jù)采集器完成，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機，由專門的分析軟件進行數(shù)據(jù)分析，并給出分析和診斷結果。

3.3 分析與診斷

振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析顯示，4#加壓泵組電機驅動端（聯(lián)軸器側）、非驅動端軸承測點均可見異常振動沖擊，沖擊間隔為轉子工頻，波形模擬聽診噪聲異常；機組整體振動烈度（振動速度有效值）較小，且為轉子工頻及其倍頻，疑似電動機轉子與定子存在碰摩；不完全排除軸承間隙增大的可能性。建議：擇機檢查電動機轉子與定子是否存在碰摩，并檢查軸承情況。譜圖見圖2~5。

圖2 電機非驅動端振動速度譜圖

圖3 電機非驅動端加速度時域波形

圖4 電機驅動端振動速度譜圖

圖5 電機驅動端加速度時域波形

圖2中電機非驅動端振動速度幅值較小，且以轉子工頻及其諧波為主，表明存在旋轉部件松動的可能，疑似軸承間隙增大。

圖3中電機非驅動端加速度時域波形出現(xiàn)明顯的沖擊現(xiàn)象，且沖擊頻率為轉子旋轉頻率（工頻），疑似轉子與定子發(fā)生碰摩。

4 泵組電機解體情況

根據(jù)振動監(jiān)測和故障診斷數(shù)據(jù)分析，判定4#加壓泵組的電機存在轉子與定子碰摩的可能，同時不排除滾動軸承損傷的隱患。由于電機轉子與定子碰摩，可能造成相關繞組燒毀等更為嚴重的事故，建議盡快對電機進行解體檢查�，F(xiàn)場維修維護人員根據(jù)振動監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析結果，及時對泵組電機進行解體檢修，結果發(fā)現(xiàn)電機轉子沿圓周360°確實存在明顯的碰摩痕跡；軸承也存在間隙較大的問題。維護更換電機轉子兩端軸承，啟動泵組并進行振動監(jiān)測復查，其檢修前明顯的加速度沖擊消失,見圖6、7。

圖6 電機轉子解體后的圖片

圖7 電機驅動端加速度時域波形

圖6表明，電機轉子存在明顯的碰摩痕跡；圖7表明檢修后電機相關測點加速度時域波形圖，異常的沖擊已經(jīng)消失。

5 結語

實際案例證明，振動監(jiān)測與故障分析診斷技術的應用，為泵站機組的運行監(jiān)護提供了高效、可靠的現(xiàn)代化技術手段。通過對異常機組的振動監(jiān)測和分析，準確判定導致機組振動增大的主要因素，并以此為依據(jù)指導科學檢修，檢修方向直指故障部位，避免了盲目拆檢，節(jié)省了人力、物力，提高了檢修的準確性和有效性。

隨著振動監(jiān)測與故障分析診斷技術越來越廣泛地應用，通過對機組振動數(shù)據(jù)的分析，設備管理人員能夠及時掌握設備運行情況，針對異常機組及早進行分析和診斷，將故障隱患控制在萌芽狀態(tài)，避免機組隱患發(fā)展成設備故障而導致設備事故，極大地提高了供水行業(yè)泵站設備運行維護的管理水平。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第6期“運行與管理”欄目）

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