應用振動監測與故障分析診斷技術提高泵站設備管理水平
應用振動監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發展。如何及時發現異常運行的泵組，查找故障原因，并據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，系統地闡述了振動監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，是降低供水企業生產成本的重要途徑。通過建立基于振動監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，往往不能發現早期隱患，更不能準確地分析診斷異常泵組的故障性質、部位、原因，致使早期輕微故障逐漸惡化為重大故障，并給企業造成直接及間接的經濟損失。
1 開展水泵機組振動監測的目的
隨著運行時間的延長，水泵機組可能出現如軸承損傷、聯軸器對中不良、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”能及早發現并準確判斷故障原因、部位、性質和嚴重程度，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。具體主要表現為以下4個方面：
① 實現安全供水。泵組振動情況直接反映運行狀態，無論是國際標準化還是國內或行業標準化組織，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量驗收的振動標準。類似的標準還有很多，均是通過監測設備振動情況并在數據分析的基礎上判定機組運行狀態，查找其故障隱患，及早排除、避免故障發展為事故。供水機組是水廠的核心設備，直接影響供水能力的發揮，特別是在高峰供水期間，設備的完好至關重要。
② 實現節能降耗。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。舉例來說，設備聯軸器對中不良，會導致機組振動變大。對于運行的設備只有通過振動監測分析才能判斷其聯軸器狀態，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。以上現象出現在某水廠五號機組，通過振動監測，查找并消除了故障隱患，達到節能降耗的目的。
③ 實現質量控制。應用振動監測，對設備購置、安裝、檢修等作業環節進行“健康體檢”，根據國家或國際標準進行振動檢測、質量驗收，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量管理，為企業帶來經濟效益。
④ 實現科學檢修。設備運行狀態的判定，以相關國際和國家標準規定的振動參數為依據；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、性質顯得尤為重要；在維修工作完成后，檢修質量是否達到要求，振動監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,其常見故障現象及其原因和風險分析如下。
① 聯軸器對中不良
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、調整不夠、基礎損壞、熱脹等。對中不良將使聯軸器、傳動軸及其軸承產生附加載荷，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，甚至造成聯軸器螺栓或膜片斷裂，引發人身傷亡事故。
② 轉子葉輪不平衡
不平衡是由于轉子材質不均勻或因毛坯缺陷、加工及裝配中產生的誤差造成的，不平衡質點在轉動時無法相互抵消產生離心力，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、工作介質中的雜質在葉輪表面沉積；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，需通過振動數據分析加以區分。
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。基礎松動會導致機組振動急劇加大，改變系統固有頻率，如果振動頻率與固有頻率接近，則可能引發系統共振，造成機組結構性損傷。
3 供水泵站加壓泵組振動監測
北京市自來水集團有限責任公司應用振動監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測，定期對機組進行數據采集，根據數據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”，最大化地實現科學檢修。下面以某水廠4#加壓泵組為例，闡述應用振動監測與分析診斷技術，實現科學檢修的過程。
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測中，發現4#加壓泵組振動異常。
① 水泵參數：水泵型號為600S32A,軸承型號均為6316。
② 電機技術參數：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
根據加壓泵組結構，選擇電機和水泵軸承座部位作為振動監測點，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據(具體布置見圖1)。
圖1 泵組振動測點布置
采集的振動數據包括振動速度、加速度、解調信號的頻譜和波形，由專門的數據采集器完成，并將數據發送給計算機，由專門的分析軟件進行數據分析，并給出分析和診斷結果。
3.3 分析與診斷
振動監測數據分析顯示，4#加壓泵組電機驅動端（聯軸器側）、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明顯的沖擊現象，且沖擊頻率為轉子旋轉頻率（工頻），疑似轉子與定子發生碰摩。
4 泵組電機解體情況
根據振動監測和故障診斷數據分析，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。現場維修維護人員根據振動監測的數據分析結果，及時對泵組電機進行解體檢修，結果發現電機轉子沿圓周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，異常的沖擊已經消失。
5 結語
實際案例證明，振動監測與故障分析診斷技術的應用，為泵站機組的運行監護提供了高效、可靠的現代化技術手段。通過對異常機組的振動監測和分析，準確判定導致機組振動增大的主要因素，并以此為依據指導科學檢修，檢修方向直指故障部位，避免了盲目拆檢，節省了人力、物力，提高了檢修的準確性和有效性。
隨著振動監測與故障分析診斷技術越來越廣泛地應用，通過對機組振動數據的分析，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，避免機組隱患發展成設備故障而導致設備事故，極大地提高了供水行業泵站設備運行維護的管理水平。
（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第6期“運行與管理”欄目）
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