应用振动监测与故障分析诊断技术提高泵站设备管理水平
应用振动监测与故障分析诊断技术提高泵站设备管理水平
赵顺萍1，肖泽2,孙凝1,徐岩1 (1.北京市自来水集团有限责任公司，北京100031；2.观为监测技术无锡有限公司，江苏
无锡214000)
摘要：水泵机组安全、可靠、高效地运行事关供水企业发展。如何及时发现异常运行的泵组，查找故障原因，并据此提出科学的检修方案、避免盲目维修，已成为设备管理人员的重要课题。主要对振动监测与故障分析诊断技术在大型水泵机组中的应用进行研究，并通过某水厂加压泵组的故障实例，系统地阐述了振动监测与故障分析诊断技术在泵组安全运行、科学检修、提高设备管理和维护中所取得的效果。
如何在确保设备安全运行的前提下减少维修量，是降低供水企业生产成本的重要途径。通过建立基于振动监测和故障分析诊断的维修管理体制是有效手段之一。
以往对水泵机组采用巡回检查的方式，往往不能发现早期隐患，更不能准确地分析诊断异常泵组的故障性质、部位、原因，致使早期轻微故障逐渐恶化为重大故障，并给企业造成直接及间接的经济损失。
1 开展水泵机组振动监测的目的
随着运行时间的延长，水泵机组可能出现如轴承损伤、联轴器对中不良、转子动平衡故障、转子轴弯曲、设备基础刚性下降（地脚松动）、电动机转子碰摩等各类机械磨损或故障，造成机械设备运行效能降低，严重时可能导致灾难性事故。设备“健康体检”能及早发现并准确判断故障原因、部位、性质和严重程度，并对维护和检修策略提出建议，避免非计划停车，确保水泵机组处于最佳运行状态。具体主要表现为以下4个方面：
① 实现安全供水。泵组振动情况直接反映运行状态，无论是国际标准化还是国内或行业标准化组织，针对不同设备都制定了以振动速度有效值大小来判定设备运行状态是否良好的标准，如ISO—2372、ISO—10816是针对离心式设备振动控制值的国际标准；GB 10068—2000则是我国针对电动机制定的相关质量验收的振动标准。类似的标准还有很多，均是通过监测设备振动情况并在数据分析的基础上判定机组运行状态，查找其故障隐患，及早排除、避免故障发展为事故。供水机组是水厂的核心设备，直接影响供水能力的发挥，特别是在高峰供水期间，设备的完好至关重要。
② 实现节能降耗。水泵机组是水厂最大的耗能设备，而机组振动幅度增大，往往会消耗更多的能量，也就意味着某些部件处于高耗能状态。举例来说，设备联轴器对中不良，会导致机组振动变大。对于运行的设备只有通过振动监测分析才能判断其联轴器状态，对中故障不仅增大能耗，而且会导致轴承过度磨损，进而引起填料密封的过度消耗。以上现象出现在某水厂五号机组，通过振动监测，查找并消除了故障隐患，达到节能降耗的目的。
③ 实现质量控制。应用振动监测，对设备购置、安装、检修等作业环节进行“健康体检”，根据国家或国际标准进行振动检测、质量验收，保证设备符合国家和国际标准，进行量化管理，做到依法验收，这样可最大限度地加强质量管理，为企业带来经济效益。
④ 实现科学检修。设备运行状态的判定，以相关国际和国家标准规定的振动参数为依据；对于振动超标的设备，维修人员面临是否需要立刻修、修哪里、如何修等问题。因此分析振动超标的原因、部位、性质显得尤为重要；在维修工作完成后，检修质量是否达到要求，振动监测也是验收手段之一。
2 供水泵组常见故障
供水泵站设备主要由配水泵组与加压泵组构成,其常见故障现象及其原因和风险分析如下。
① 联轴器对中不良
两个相连接的机器轴线同轴度偏离过大，或轴承安装倾斜或偏心，即为对中不良。造成不对中的原因：装配不当、调整不够、基础损坏、热胀等。对中不良将使联轴器、传动轴及其轴承产生附加载荷，其结果会引起机器的振动、轴承的过早磨损、机械密封的失效，甚至造成联轴器螺栓或膜片断裂，引发人身伤亡事故。
② 转子叶轮不平衡
不平衡是由于转子材质不均匀或因毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差造成的，不平衡质点在转动时无法相互抵消产生离心力，从而引起振动。振动再传递到轴承上，使轴承上各点每旋转一周承受一次作用力。造成转子不平衡的原因：叶轮制造时几何尺寸不同心或质量分布不均、安装中键或轴颈不同心、泵轴水平静止安放过久或受热不均，造成临时或永久变形、工作介质中的杂质在叶轮表面沉积；零部件配合过松、原有平衡配重脱落。转子不平衡会加大机组振动，导致其他部件连锁损伤。叶轮不平衡故障易与基础松动、转轴弯曲、角度不对中、转子过临界转速故障相混淆，需通过振动数据分析加以区分。
③ 滚动轴承故障
滚动轴承是水泵机组中最常用也是容易产生故障的部件之一。目前应用轴承特征频率来识别其故障是简单有效的方法。造成轴承故障的原因有：制造缺陷、安装不当、磨损等。轴承故障会造成机组振动增大，可能随轴承损伤而报废，其他相关正常部件寿命也可能急剧衰减；而高频的振动损伤常具有隐蔽性、突发性，可能造成抱轴卡死等事故。
④ 基础松动
水泵机组固定地脚螺栓松动、断裂，以及支撑结构裂纹会导致基础刚性下降。主要原因有螺栓刚性不足、钢制框架焊口开裂、基础找平斜铁脱落等。基础松动会导致机组振动急剧加大，改变系统固有频率，如果振动频率与固有频率接近，则可能引发系统共振，造成机组结构性损伤。
3 供水泵站加压泵组振动监测
北京市自来水集团有限责任公司应用振动监测与故障分析诊断技术，对供水泵站的关键机组开展振动监测，定期对机组进行数据采集，根据数据分析查找相关泵组的故障隐患，并对故障机组制定检修计划和具体的检修方案，对检修的机组做到“心中有数”，最大化地实现科学检修。下面以某水厂4#加压泵组为例，阐述应用振动监测与分析诊断技术，实现科学检修的过程。
3.1 机组运行情况
2014年5月对泵站机组进行的例行振动监测中，发现4#加压泵组振动异常。
① 水泵参数：水泵型号为600S32A,轴承型号均为6316。
② 电机技术参数：型号为Y3556-6,额定功率为250 kW,额定转速为986 r/min；轴承型号为N322（驱动端）、6322（非驱动端）。
3.2 泵组振动测点布置
根据加压泵组结构，选择电机和水泵轴承座部位作为振动监测点，各轴承测点在径向的水平和垂直方向布置振动加速度传感器各一支，且在联轴器两端轴承轴向测点各布置1支振动加速度传感器，采集不同测点及不同方向的振动数据(具体布置见图1)。
图1 泵组振动测点布置
采集的振动数据包括振动速度、加速度、解调信号的频谱和波形，由专门的数据采集器完成，并将数据发送给计算机，由专门的分析软件进行数据分析，并给出分析和诊断结果。
3.3 分析与诊断
振动监测数据分析显示，4#加压泵组电机驱动端（联轴器侧）、非驱动端轴承测点均可见异常振动冲击，冲击间隔为转子工频，波形模拟听诊噪声异常；机组整体振动烈度（振动速度有效值）较小，且为转子工频及其倍频，疑似电动机转子与定子存在碰摩；不完全排除轴承间隙增大的可能性。建议：择机检查电动机转子与定子是否存在碰摩，并检查轴承情况。谱图见图2~5。
图2 电机非驱动端振动速度谱图
图3 电机非驱动端加速度时域波形
图4 电机驱动端振动速度谱图
图5 电机驱动端加速度时域波形
图2中电机非驱动端振动速度幅值较小，且以转子工频及其谐波为主，表明存在旋转部件松动的可能，疑似轴承间隙增大。
图3中电机非驱动端加速度时域波形出现明显的冲击现象，且冲击频率为转子旋转频率（工频），疑似转子与定子发生碰摩。
4 泵组电机解体情况
根据振动监测和故障诊断数据分析，判定4#加压泵组的电机存在转子与定子碰摩的可能，同时不排除滚动轴承损伤的隐患。由于电机转子与定子碰摩，可能造成相关绕组烧毁等更为严重的事故，建议尽快对电机进行解体检查。现场维修维护人员根据振动监测的数据分析结果，及时对泵组电机进行解体检修，结果发现电机转子沿圆周360°确实存在明显的碰摩痕迹；轴承也存在间隙较大的问题。维护更换电机转子两端轴承，启动泵组并进行振动监测复查，其检修前明显的加速度冲击消失,见图6、7。
图6 电机转子解体后的图片
图7 电机驱动端加速度时域波形
图6表明，电机转子存在明显的碰摩痕迹；图7表明检修后电机相关测点加速度时域波形图，异常的冲击已经消失。
5 结语
实际案例证明，振动监测与故障分析诊断技术的应用，为泵站机组的运行监护提供了高效、可靠的现代化技术手段。通过对异常机组的振动监测和分析，准确判定导致机组振动增大的主要因素，并以此为依据指导科学检修，检修方向直指故障部位，避免了盲目拆检，节省了人力、物力，提高了检修的准确性和有效性。
随着振动监测与故障分析诊断技术越来越广泛地应用，通过对机组振动数据的分析，设备管理人员能够及时掌握设备运行情况，针对异常机组及早进行分析和诊断，将故障隐患控制在萌芽状态，避免机组隐患发展成设备故障而导致设备事故，极大地提高了供水行业泵站设备运行维护的管理水平。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第6期“运行与管理”栏目）
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