状态监测与故障诊断技术在化工设备维护中的应用

罗洋洋，张喜玲

（陕西延长中煤榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 718500）

0 引言

由于化工设备的生产条件较差，使得其在制造过程中的故障频次较高，并且其维护的风险相当大。因此，为了确保这些设备的安全和有效运转，达到高质量和高效率的化工产品制造，必须采取科学的周期性维护和保养措施，以便让这些设备始终保持优秀的运营状况。一种全面的设备检查和维护方法，就是状况检查和故障识别技术。状态监测与故障诊断技术是一种综合设备诊断管理技术，本文以该项技术中新兴起的声发射技术为例，分析声发射技术在化工设备维护中的关键作用与价值，并就其应用模式进行分析。

1 化工设备维护工作分析

1.1 维护工作作用机理

化工设备维护工作不单指简单性拆卸更换破损、残缺的零部件，而是通过一系列技术性举措及方法对化工设备零部件进行维修保养，包括多种检测手段的使用、维修保养工作的实施，为了使化学设备的操作功能重新启动，并且增强其耐久和稳定性，需要持续更新和改进化学机械的科学技术。这包括创新的机械制造方法、优化的机械架构、选择的合适的原材料和精湛的生产流程，这些都将极大地提升化学机械的总体表现，但是，对于这些设备的日常维护任务，必须面对更多的挑战。因此在进行化工设备维护工作的同时，应结合机械设备使用特点及其配置、应用工艺方面进行综合分析，建立起完善、高效的化工设备维护维修机制。

1.2 维护工作特点

化工产品生产通常呈现不间断运行的特点，而化工设备的维修维护工作涉及面广、零部件多，每年停机保养时间又不宜过长，因此维护工作的难度很大。为保障化工设备的高效稳定运行状态，降低关键零部件的故障率，就需要科学合理制定维护工作开展计划，提高维护保养工作的高效性，从机械设备零部件供应调配、检修手段实施方案设计等方面，实现化工设备的科学高效维护保养。

1.3 维护工作遵循基本原则

维护工作整体来说是一项系统工程，需要利用多项技术手段，不同专业类别人员，统筹协调制定出更为科学经济的维护方案，对化工设备维护工作中的共性问题进行合理规划处理。因此化工设备的维护工作需要遵循以下规定、技术两个基本原则：在规定方面，要求完成维护工作后化工设备能够满足后续化工产品生产需要；在技术方面，需要保障维护保养工作后的化工设备运行可靠性、稳定性满足相关标准，在最少维护成本、人力、物力以及维修时间内，使化工设备得到科学有效的维护保养[1]。

2 常用故障诊断技术分析

实际应用领域中故障诊断技术分为简易诊断、故障诊断两部分内容，其中简易诊断技术是利用便携测振仪器获取设备中的主要数据参数，通过分析获取信号实现故障的精确判断。基于简易检测设备操作简单、设备状态检测准确度高的特点，该项技术在化工设备状态检测方面应用较为广泛，随着计算机技术的普及应用，便携式测振仪器的功能也更加完善[2]。故障诊断以齿轮故障为例，是依据齿轮运行状态，监测出包括线谱、随机谱、山状谱三种频率的线谱结构，在检测到三种结构同时存在时，意味着化工设备运行状态正常，通过该项技术可以对齿轮运转过程中的磨损面积、设备损坏程度进行有效判断：

1）噪声振动法。利用传感器对化工设备运行过程中产生的噪声和振动信号进行收集和检测，并以电信号的方式进行放大和传输。通过分析振动和噪声的频率，并结合各种信号处理技术，能够识别和检测化工设备的运行状态和潜在的故障。

2）油液成分诊断。化工设备机械零部件运转出现磨损时，产生的微量磨损金属元素会带入润滑液液当中，因此可以分析润滑油中的金属粉末成分及含量，对化工设备运转零部件的磨损情况进行判断，并分析设备运行状态。

3）声发射法。当化工设备出现微裂纹或局部应力集中受力改变情况时，可以借助发射出的微弱声音信号，实现故障点位的精确判断，尤其是对管道、容器等设备的故障诊断尤为精确。

4）红外成像技术。利用红外成像仪，对高温化工设备的故障损坏情况进行判断分析，红外成像仪可以得到设备的红外热场图，并结合图像分析设备的温度分布，并进行定量定性分析判断。

3 声发射技术在化工设备维护中实例应用

主要利用状态监控和故障识别技术来引领设备的保养状况，透过解读设备的当前操作情况，同时在保养期间全面了解所有的检查参数，然后根据这些检查的数据，配合化学设备的结构属性和各项参数，进行准确的评估。利用多种数据资料来研究化学设备的问题根源、地点和种类，从而能够有效地处理问题，并确保设备的正常运作。例如，当各种化学工业的压缩容器发生泄漏，如转子的裂痕或者是动静部件的不正常摩擦，都能够引起声音的发射。所以，只需要检查声音的异常值，就能够监控容器的运作情况，从而能够准确地诊断问题。

3.1 化工厂汽轮机动静摩擦监测

对旋转机械进行动静摩擦监测，往往需要与振动监测相互配合，才可实现故障的精确诊断，以某化工厂汽轮机安装的声发射摩擦监测装置为例，通过分析日常监测记录发现，汽轮机机组声发射和振动监测数值，与实际正常运行时均显著增大，如表1 所示[3]。

表1 汽轮机机组声发射及振动监测数值

分析上述监测数值可以发现，声发射及振动监测信号都远超出实际正常运行数值，并超出预警值，同时波动频繁，运行很不稳定。由于上次机组大修的依据就是通过分析监测信号发生异常，同时超出了报警值，因此可以判断出汽轮机机组内部出现了动静摩擦。通过对汽轮机停机大修发现，16 级叶轮围带径向与阻汽片摩擦严重，摩擦宽度达到0.1～0.15 mm，磨损宽度达到10～15 mm，阻汽片磨损殆尽。同时20 级隔板汽封也磨损严重，汽轮机大轴出现了7 道弯曲，通过维修处理开机后，各项监测数值都降至阈值之下，均保持稳定。因此可以看出利用声发射技术对机组进行状态监测与故障诊断效果十分显著，提前大修工作避免了汽轮机通流部分的恶化损坏，减缓了大轴严重弯曲情况，保障了设备的安全平稳运行。

3.2 化工厂高压加热器泄露监测

泄露监测装置布置结构，如图1 所示。1 台加热器泄露监测装置可同步监测8 台加热器，利用扩展数据采集卡，甚至可实现16 台加热器同时监测。以9 月22 日上午8 时为监测起点，发现3、4#测点即疏水冷却器的进出水口处，声发射数值激增，数据波动性大，同时在23 日上午8 时达到了30 dB 以上，超过设定30 dB 阈值，泄露装置报警，也即代表该疏水冷却器发送泄露。经过拆卸检查高压加热器内部结构发现，确实出现水管裂纹情况，并及时检修堵管操作，监测装置恢复正常。高压加热器泄露监测装置声发射记录变化趋势，如图2 所示。

图1 高压加热器泄露监测装置布置方式示意图

图2 声发射变化趋势记录曲线图

4 结语

由于化学设备的复杂且恶劣的操作条件，它们的故障概率较高，一旦发生问题，将会对化学产品的制造造成巨大的影响，甚至有可能引发各种安全风险。所以，我们必须高度关注化学设备的管理和保养。利用状况监控和故障诊断技术来保养化学设备，能够有效地整体分析和掌握设备的运作情况，准确找出问题的源头，并制定出具有针对性的保养和修复方案，从而满足化学设备的保养和修理的需求。对于化学设备的长期稳定性，我们提供了强大的支撑。