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资产状态管理 振动分析

容积泵中如何检测泵阀故障:案例研究

以下案例研究描述了一种经过验证的方法,用于使用独特的振动分析方法检测正排量泵内的吸入或排出阀的故障。找到可靠的检测方法的决心导致对设备和过程的更大了解,与供应商一起实现设计变更。本案例研究描述了从重复故障以提高设备可靠性和降低维护成本的过程。

注:以下术语和缩写在案例研究中经常使用:

Spike Energy = GSE(在20世纪70年代后期开发的高频加工技术)

时间波形= TWF

介绍

Yara Belle plain是位于加拿大萨斯喀彻温省的一家氮肥工厂,多年来一直是世界上最大的单列氮肥工厂。预测性维护(PdM)技术在1992年设备调试期间被采用,目前在可靠性工作中得到了积极的应用。幸运的是,高技能和经验丰富的管理人员和具有PdM背景的员工可以启动、操作和维护新工厂。

随着时间的推移,有关PdM技术的知识和经验呈指数级增长。在20世纪90年代早期,便携式振动监测正在发展,业界看到了其潜力,但可供选择的供应商寥寥无几。振动技术主要用于监测在工业工厂发现的典型旋转设备的分类,如泵,风扇,电机,压缩机,涡轮机,传送带,齿轮箱,等等。本案例研究的重点是如图1所示的正排量泵。

图1:中型三重柱塞泵

病历

往复正排量泵(图1)在世界各地的许多不同行业中运行。往复泵使用一个或多个振荡的活塞,柱塞或膜(隔膜)移动流体,而泵头中的阀限制流体运动以控制所需的流体方向。

在抽吸冲程期间,柱塞缩回。这降低了腔室中的压力,使吸入阀打开,导致流体进入汽缸。在向前行程中,腔室中的压力增加并且柱塞通过排出阀推动液体,并以高速和高阳性压力进入排出管。

Yara Belle Plaine Plant包含许多尺寸的三种柱塞泵,该尺寸在非常高的压力下运行。柱塞,密封件,排出阀和吸阀都与转移的流体接触。因此,材料选择基于流体转移。

通常,工业设备使用振动分析来监测轴承故障,松动,对准,不平衡以及许多其他机械问题的旋转设备的状态。在这种情况下,讨论转向如何使用振动分析来确定三重运动泵的泵头中抽吸和排出阀的状况。具体地,这些泵阀是否正在通过。

为什么知道泵头中的一个或多个阀门是否通过它是有用的?让我们首先描述该团队的旅程来发现监控这些泵阀的状况是否可能。

问题

早期,阀门经常在中型泵中失效。在这些泵上每两周收集振动数据,但在振动数据中找不到阀状态。该团队尝试收集整体振动(速度);光谱数据(速度和加速度);整体高频包络数据(HFE),即尖峰能量/ GSE;尝试发现一些表示阀门失败的某些指示的时间波形(加速度和速度)失败。甚至尝试了低技术听诊器方法(以及,也是允许的,甚至是螺丝刀到耳朵)。

这种情况持续了好几年,由于过早磨损和灾难性故障,中型泵的泵阀继续出现故障。在大多数情况下,阀瓣和阀座被拉丝,这导致如图2所示的泄漏路径。

图2:一个中型三缸泵的故障泵阀,显示从左到右的线状泄漏路径,带有阀杆的阀座,阀瓣,带有固定螺母的弹簧,安装在阀杆上的衬套

峰值能量测量技术是在20世纪70年代末发展起来的,已被应用于各个行业的机械状态监测和故障诊断。与其他滤波的高频包络方法相比,尖峰能量具有独特的信号滤波和检测过程。在传统的峰值能量总体测量的基础上,开发了峰值能量谱和峰值能量时波形,并用于振动分析。通过找到正确的设置组合,其他便携式振动仪器使用的hFE测量可以复制这些结果。

随着团队对振动分析的理解进化,他们了解到尖峰能量(GSE)时间波形(TWF)可以清楚地识别旋转设备中的轴承故障频率。GSE TWF是正域中的整流波形,其是检测超声波范围内的非同步频率的理想选择。

使用GSE的信心激励了团队在过程阀泄漏上尝试过这种测量。在处理工厂中有问题,用于隔离用于Hydrotest的管道系统。该系统具有许多隔离阀,但一个或多个阀门通过,防止团队完成了Hydrotest。理论是,如果工艺阀略微打开,则应发出高频或可能的超声波频率。液体或空气必须通过的开口越小,频率越高。整体GSE被审判,因为它是超声波振动频率的衡量标准。这结果是不成功的,因为需要与基线测量进行比较,以便确定过程阀是否通过。而且,只有GSE TWF可以向团队提供分析所需的频率。

然而,该锻炼将团队带回泵阀,并将GSE时间波形的集合添加到中型三重泵上的两周振动路线中。该差值和过程阀之间的差异是通过多次收集数据,当阀状况良好时,存在基线数据。下一个阀门故障将允许团队研究收集的历史数据,以了解这一新测量是否会提供帮助。

在发生故障之前,团队将钻入泵阀正在进行的(参见图2中的部分)。存在:密封盘和阀杆之间的滑动运动沿着衬套;弹簧动作;当盘落在阀座上时的冲击;松弛;和流过阀门开口的液体。阀盘从阀门上搁置的完全关闭位置行进,以距离阀座的一定距离完全打开。

结论是,当阀瓣尽可能接近完全关闭位置,但仍允许流体通过密封面时,流体引起的高频振动应该是最大的。这相当于开了一个小口。那么,团队是如何证明和衡量这一点的呢?

峰值能量时间波形发现

图3显示了如何在维护商店的空气软管上连接到带磁性底座的加速度计。使用Live模式中的数据收集器测量整体尖峰能量(GSE),喷嘴触发打开并关闭。观察到整体尖峰能量水平的变化。确认该反应后,将数据收集器设置为使用各种收集过滤器存储GSE时间波形,直到团队找到最佳参数。

图3:安装在空气喷嘴上的加速度计用于测试脉冲能量理论

当空气通过空气喷嘴时,整流的GSE TWF显然是一种独特的图案。TWF中有Plateaus泄漏的持续时间。这就是团队能够将振动测量与泵阀状况相关联的方式。液体或空气是否通过小开口,结果保持相同 - 超声波振动频率。

图4和图5显示了从中型泵的泵头收集的GSE TWF。从每个泵的阀门位置收集振动读数,三个抽吸加三个排放阀。图4显示了泵阀状况良好时的TWF。当每个阀门最接近完全关闭位置时,此GSE TWF中的狭窄尖峰表示最小的开口。


图4:当泵阀状况良好时,整流GSE TWF

图5为阀门通过时的时间波形。它由阀门开启和关闭时的正常超声波发射组成,由高超声波振动的平台隔开。平台持续的时间等于柱塞冲程在一个方向(吸入或排出冲程)所经过的时间。它也相当于泵轴的半转。时间波形之间的差异很明显。

图5:修正了泵阀通过时的gSE TWF

在继续前进到较小且较大的柱塞泵之前,团队的注意力集中在中型泵上。中型泵上有更多的阀门故障。现在,该团队可以看到发生的失败,更加了解不可靠性和失败模式的程度。这导致泵供应商讨论,以便提高可靠性的方法。供应商提供了安装升级设计的阀门的选项。新设计被证明是成功的,很少失败。

该团队对结果很有信心,将这种独特的振动测量添加到现场收集的所有其他三缸泵的路线读数中。其他泵的阀门失效频率较低,但这些失效模式可以沿着P-F曲线进行观察。

有很多好处:

  • 计划修理并组织所需零件,劳动力和工具的时间;
  • 更准确的计算机化维护管理系统(CMMS)记录;
  • 业务对该过程的干扰较少;
  • 阀门更换可以与同一设备上的其他工作相结合;
  • 有数据支持根本原因分析(RCA)和故障模式和影响分析(FMEA);
  • 可以解决安全和环境问题。

结论

总之,可以监测正排量泵内的阀的状况。学习如何在本申请中使用振动技术才花了数年时间来实现,但奖励非常值得努力。该团队还学习了如何在盒子外思考,并在非标准应用中使用普通的PDM技术。

知道泵阀缺陷已开始时的好处可以从经济到安全。规划和调度得到改善。可能有RCA和FMEA活动,导致设计或操作变化。生产损失而无法履行对客户的承诺。根据流过这些泵的危险产品的水平,可以避免安全和环境问题。

正排量泵通常是高压,高流量设备。这些泵的状况越了解,它们越多,可以安全可靠地操作。