状态监测与故障诊断系统在输油泵机组中的应用

田 壘，刘军辉，孙向东，吴玉国

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油管道公司管道工程第一项目经理部，河北 廊坊 065001；3. 中国石油天然气管道局国际事业部坦桑尼亚项目部 河北 廊坊 065000）

状态监测与故障诊断系统在输油泵机组中的应用

田 壘1，刘军辉2，孙向东3，吴玉国1

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油管道公司管道工程第一项目经理部，河北 廊坊 065001；3. 中国石油天然气管道局国际事业部坦桑尼亚项目部 河北 廊坊 065000）

针对输油泵机组日常运行管理依旧靠人工巡检的情况，介绍一种输油泵实时状态监测与故障诊断系统，阐述了该系统的主要构成及工作流程。对输油泵主要故障形式、输油泵主要监测对象与测点布置及输油泵主要故障诊断方法进行介绍并加以举例分析，为石油企业安全输油提供一定的科学依据。

输油泵；状态监测；故障诊断

输油泵机组是输油管道系统的关键设备，这些设备能否安全运行直接关系到管道系统能否安全运行。长期以来，定期计划维修体制在泵机组设备正常运行中发挥了重要作用，它至今仍是世界各国的重要设备维修体制。随着经济的快速发展，设备体积越来越大，功能性越来越强，其安全性和经济性日显重要，对机组的检修、维护、运行、管理提出了更高层次的要求。不能单纯的对设备进行定期检修，要具有针对性的监测和故障分析。

目前，国内很多泵站缺乏现代化的监测手段，以致电机和泵轴损坏、轴承过热烧损和泵体振动过大等故障时有发生，这对成品油在输油管道的安全运行埋下重大的安全隐患，严重影响了正常生产[1]。因此做好对泵机组的状态监测和故障诊断技术的研究对整个石油企业的安全生产是很有必要的。

1 状态监测与故障诊断系统的作用

（1）状态监测与故障诊断系统能实时监测输油泵机组的易故障部位，一旦采集的数据信息发生异常，维修人员可以在第一时间锁定故障零部件，通过分析查找到相关原因，短时间内排除故障，防止泵因故障停机造成生产损失。据资料统计显示，50%左右的泵机组故障是由不正确的对中校准所导致，具有不对中故障的转子系统在其运转过程中将产生一系列有害于设备的动态效应，如引起联轴偏转、轴承早期损坏、油膜失稳、轴弯曲变形，导致机器发生异常振动，危害很大。目前，国内外一些大型的石油、石化企业已装有专门针对输油泵机组的状态监测与故障诊断系统并取得了显著的经济效益。

（2） 大大改善输油泵机组的维修性，为企业节省人力、财力。大型输油泵机组机构复杂，点检工作量巨大，对检测的质量要求很高，一般情况下很难单纯的依靠人为经验和感官把故障检查出来。现在大部分泵站仍然依靠定期维修和事后维修的模式对泵机组管理。事后维修检修周期长，因事故在时间上发生的预知性和随机性，故障难以预料，因此往往造成机组设备的严重损害，额外的增加维修费用；定期维修虽然依靠泵机组设备日常维修记录、故障率的统计规律或老技术员的经验而定，但是人为因素较大，而且有些机组运行状况可靠。此前普遍认为随着泵机组运行时间的增加相应的故障发生频率也会增高，但根据相关调研结果表明，此说法缺乏科学性。如图1所示：89%的设备故障与运行时间无关。A线为典型的“浴盘曲线”，设备从投入使用到报废故障变化呈现一定的规律；B线，故障率恒定或者到末期略增，有明显的磨损期；C线，故障率增加，但没有明显的寿命期；D线，当设备是新的时候故障率增加，然后稳定；E线，故障随机发生，故障率恒定不变；F线，设备早期故障率较高，然后慢慢下降到一个稳定水平。从新的故障模式曲线来看，显然这两种维修方式有不可避免的缺陷，而状态监测与故障诊断技术的应用极大的缩短了泵机组维修的过程，缩短了维修时间，延长零部件的使用寿命。同时故障诊断系统又能准确的指出故障发生的部位、故障类型甚至故障程度，从而降低对维修人员的技术要求[2]。

（3）提高输油泵机组的出勤率。在油品输送时，一旦泵停机，不光造成重大的安全隐患，同时还给企业造成大额经济损失。状态监测和故障诊断技术能减少输油泵机组维修停机时间。

图1 设备故障率与运行时间关系Fig.1 The relationship between equipment failure rate and running time

2 输油泵机组主要监测对象和监测点的布置

由前述输油泵机组发生故障情况可以看出，动态部位是泵机组故障高发位置，如表1所示，它包括滑动轴承、叶轮、转轴等。若能实时监测这些动态部件的运转情况并及时的判断出出现故障的位置并分析出故障类型可大大提升输油泵的工作效率、减少事故的发生。

铁岭某泵站引进的一套状态监测与故障诊断系统，通过工程师的改进对泵进行在线监测。监测点布置如下图2。数字代表测点顺序号，字母V代表垂直方向，H代表水平方向，T代表温度，P代表压力，A代表轴向。主要监测泵轴承、泵体震动速率，转子、轴承温度及泵出口压力[3]。据统计运用这套系统以来维修故障率减少50%，维修费用降低25%～45%。

表1 输油泵机组主要部位的故障类型Table 1 Failure types of main parts of oil pump unit

图2 测点布置图Fig.2 Arrangement of measuring points

3 泵机组状态监测与故障诊断主要流程

振动信号在线监测诊断技术是设备在线状态监测与故障诊断的重要手段，该诊断监测系统的基本构成见图3。通过传感器采集输油泵的振动信息，把振动信号转换成电信号后，通过A/D转换成数字信号进入计算机进行分析处理，再通过一系列的分析、运算处理得到反映故障状态的信息谱图[4]。

图3 在线监测与故障诊断系统的基本构成Fig.3 The basic composition of on-line monitoring and fault diagnosis system

4 泵机组故障诊断方法

目前对输油泵机组的故障诊断方法已有很多种，每个输油泵机组都有其运行特点，所以技术人员通常使用以下方法对输油泵进行分析诊断：

（1）频谱分析法

输油泵的每个零部件在不同的工况下，会反映出其特有的特征频率。频谱分析根据其特征频率将输油泵的特征频率加以区分，从而定位出发生故障的部位并加以分析诊断。

频谱分析的核心原理为：

（2）时域分析法

时域分析通常包括波形分析、轴心轨迹分析和轴心位置分析等方法。时域分析法通过时域的参数指标，如均值、方差、偏斜度、分布密度、峰值、峭度、波形指标、裕度指标、脉冲指标等，对输油泵机组进行总体振级大小的定量分析，时域分析是一种最基本的分析方法，主要用于对故障的初步判定，这种方法简便，直观，便于理解。

（3）包络解调分析法

输油泵在发生故障时会产生周期性的冲撞振动，振动的时间取决于冲撞力、质量、物理的减振特性和其他参数。因为冲击力使泵轴承结构产生共鸣，会产生与轴承共振频率有关的正弦波。包络解调分析法可有效识别某些冲击振动，从而定位出冲击振动的振源[5]。包络解调法对输油泵轴承早期的诊断尤为有效，其核心为希尔伯特变换。

（4）小波分析法

小波分析是为适应信号处理的实际需要而发展起来的一种时频分析方法，与传统的信号处理方法相比，小波变换在时域和频域同时具有良好的局部化特征，可用于突变信号和非平稳信号的分析，这在泵的状态监测以及早期故障诊断中具有重要的意义。目前，小波分析方法已经在泵的故障特征提取中得到了研究和应用。如有人利用小波分析对输油泵的振动信号进行了消噪，实验结果表明，使用该方法能够有效地抑制信号中的噪声，提高故障诊断精度。小波变换来源于傅里叶变换和短时傅里叶变换，核心公式为：

5 状态监测与故障诊断技术在输油泵机组中应用实例

山东某油库输油泵前端振动异常，瞬时振动位移达到120μm，超过系统设定的报警上限，而油泵其余部位的震动都正常，系统初步分析判定为轴承不对中。调出数据库存储的数据，分别进行时域和频谱分析。从系统给出的时域波形图和时域参数列表可知泵前端的振动明显高与其他部位，波形图紊乱。但单纯的通过时域参数和波形图仍无法判定故障原因，故进一步进行频谱分析。具体频谱分析结果见图4，从图可以明显看出出现倍频，2倍频，3倍频，由此判断故障原因为转子对中不良，经拆机维修后，振动明显下降[6]。

图4 运行泵的频谱图Fig.4 The frequency spectrum of the running pump

6 结束语

对泵机组进行状态监测与故障诊断能实时掌握机组的运行状态，准确判定故障，及时进行维修。通过在线监测、实时诊断，可大幅提高泵机组的出勤率和设备完好率，延长输油泵使用寿命，保证安全输油生产。

输油泵机组状态监测与故障诊断技术在我国起步较晚，虽然近些年来发展迅猛，但与发达国家相比仍有许多不足之处。有时候泵可能同时出现好几种故障，单纯依靠一种诊断方法很难判定故障根源。所以结合大型输油泵结构特点及典型故障，充分利用现代计算机技术、信号分析处理技术、振动监测理论和设备故障诊断技术，结合虚拟技术，构建输油泵状态监测和故障诊断系统，对泵机组智能监测诊断，提高企业生产效率。

［1］ 王本汉，李保国.输油泵机组故障诊断专家系统的研究与应用[J].油气储运，2003 ,22(10):34-39.

［2］ 董泽亮.浅谈状态监测与故障诊断系统在直升机旋翼中的应用[J].科技论坛，2010,20(1):165-166 .

［3］ 祖楠.离心输油泵在线监测与故障诊断系统[J].油气田地面工程，2010,29(10):66-67.

［4］ 游天明，徐荃.输油泵机组在线检测与故障诊断[J].流体机械，2010,38(11):46-48.

［5］ 蒋先尧，王维斌. 输油泵机组在线监测系统研究[J].机电信息，2011(27):179-181.

［6］ 孙伟，张军博，谢孝宏. 大型旋转设备实时监测及故障诊断系统[J].油气储运，2008,27(3):50-52.

Application of the State Monitoring and Fault Diagnosis System in Pump Units

TIAN Lei1,LIU Jun-hui2,SUN Xiang-dong3,WU Yu-guo1

（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China; 2.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation No.1 Project Manager Department, Hebei Langfang 065001, China; 3. Tanzania project department of International Service Department, China Petroleum Pipeline Bureau, Hebei Langfang 065000, China）

A fuel pump real-time status monitoring and fault diagnosis system was introduced; the main components and work flow of the system were described. Main faults of pump, main monitoring objects and measuring point’s layout and the main pump fault diagnosis methods were discussed and analyzed, which could provide a scientific basis for safe oil transmission.

Pump; Condition monitoring; Failure diagnostics

TE 832

A

1671-0460（2015）03-0567-03

2014-09-22

壘田 （1990-），男，河南南阳人，辽宁石油化工大学油气储运工程专业在读硕士研究生，研究方向：输油泵状态监测与故障诊断技术。E-mail：619772817@qq.com。

吴玉国（1977-），男，副教授，博士，研究方向：长距离输油管道优化运行。E-mail：wyg0413@126.com。