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资产状态管理 振动分析

如何检测容积泵泵阀故障:案例研究

下面的案例研究描述了一种使用独特的振动分析方法检测容积泵内吸入阀或排出阀故障的经验证的方法。找到可靠的检测方法的决心使人们对设备和工艺有了更多的了解,从与供应商合作到实施设计变更。本案例研究描述了从重复故障到提高设备可靠性和降低维护成本的过程。

注意:以下术语和缩写在案例研究中经常使用:

尖峰能量=gSE(70年代后期开发的一种高频处理技术)

时间波形= TWF

介绍

Yara Belle plainine是一家位于加拿大萨斯喀彻温省的氮肥工厂,多年来一直是世界上最大的单列氮肥生产工厂。预测性维护(PdM)技术在1992年的设备调试中被使用,并在今天的可靠性工作中被积极地使用。幸运的是,有高技能和经验丰富的管理人员和具有PdM背景的员工来启动、操作和维护新工厂。

随着时间的推移,PdM技术的知识和经验呈指数级增长。在20世纪90年代早期,便携式振动监测技术不断发展,行业也看到了其潜力,但可供选择的供应商寥寥无几。振动技术主要用于监测工业工厂的典型旋转设备,如泵、风扇、电机、压缩机、涡轮机、传送带、齿轮箱等。本案例研究的重点是如图1所示的容积泵。

图1:中型三缸柱塞泵

病历

往复式容积泵(图1)在世界上许多不同的行业中运行。往复泵使用一个或多个摆动的活塞、柱塞或膜(隔膜)移动流体,而泵头中的阀门限制流体运动,以控制所需的流体方向。

在吸气冲程中,柱塞缩回。这降低了腔室中的压力,导致吸入阀打开,导致流体进入气缸。在正向冲程中,腔室压力增大,柱塞以高速、高正压将液体通过排出阀排出,进入排出管。

Yara Belle plain工厂有许多不同尺寸的三缸柱塞泵,它们在非常高的压力下工作。柱塞、密封件、排出阀和吸入阀都与被输送的流体接触。因此,材料的选择是基于所传输的流体。

通常,工业工厂使用振动分析来监测旋转设备的状态,包括轴承故障、松动、对齐、不平衡以及许多其他机械问题。在本案例研究中,讨论如何使用振动分析来确定三缸容积泵泵头中吸入阀和排出阀的状况。具体来说,这些泵阀是否通过。

为什么知道泵头上的一个或多个阀门是否通过是有用的?让我们从描述团队的旅程开始,以发现是否有可能监测这些泵阀的状况。

问题

早期,中型泵的阀门经常出现故障。这些泵每两周收集一次振动数据,但振动数据中未发现阀门状况。团队尝试收集整体振动(速度);光谱数据(速度和加速度);总体高频包络数据(HFE),即峰值能量/gSE;和时间波形(加速度和速度),试图发现一些迹象,表明阀门是失败的。甚至低技术的听诊器方法也被试过(是的,不可否认,甚至连螺丝刀都用在耳朵上)。

这种情况持续了几年,由于过早磨损和灾难性故障,中型泵的泵阀持续失效。在大多数情况下,阀瓣和阀座被拉丝,导致如图2所示的泄漏路径。

图2:从一个中型三缸泵出现故障的泵阀,从左到右,带阀杆的阀座,阀瓣,带固定螺母的弹簧,安装在阀杆上的衬套

脉冲能量测量是在20世纪70年代末发展起来的,并已被用于各种行业的机械状态监测和故障诊断。与其他高频包络滤波方法相比,尖峰能量具有独特的信号滤波和检测过程。在传统的峰值能量整体测量的基础上,开发了峰值能量谱和峰值能量时间波形,并用于振动分析。通过找到正确的设置组合,可以在其他便携式振动仪器中使用hFE测量,复制这些结果。

随着团队对振动分析理解的不断深入,他们了解到峰值能量(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在正域是一个整流波形,这是理想的检测非同步频率在超声范围。

使用gSE的信心激励团队尝试对工艺阀门泄漏进行这种测量。在工艺装置中,有一些关于隔离水压试验用管道系统的问题。该系统有许多隔离阀,但有一个或多个阀门通过,妨碍了小组完成水压试验。该理论认为,如果一个工艺阀门稍微打开,它应该发出高频或可能是超声波频率。液体或空气必须通过的开口越小,频率就越高。总体来说,gSE是一种超声振动频率的测量方法。结果证明这是不成功的,因为需要有一个基线测量值进行比较,以便确定工艺阀门是否通过。而且,只有gSE-TWF可以为团队提供分析所需的频率。

然而,这项训练使研究小组回到了泵阀上,中型三缸泵的两周振动路径中加入了gSE时间波形的采集。这与工艺阀门的区别在于,通过多次收集数据,当阀门处于良好状态时,就有了基线数据。下一次阀门故障将使研究小组能够研究收集到的历史数据,以找出这种新的测量方法是否有用。

在发生故障之前,团队深入研究了泵阀的工作原理(参见图2中的部分)。有:密封盘和阀杆之间沿衬套滑动;弹簧作用;阀瓣落在阀座上时的冲击;松动;液体通过阀孔流动。阀盘从位于阀门上的完全关闭位置移动到距离阀座一定距离的完全打开位置。

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闭面时,流体引起的高频振动应最大。这等于开了个小口子。那么,该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显示了一个带有磁性底座的加速计是如何连接到维修车间空气软管上的触发喷嘴上的。当数据采集器处于实时模式测量总尖刺能量(gSE)时,喷嘴被触发打开和关闭。观察到整个峰值能级的变化。一旦这一反应得到确认,数据收集器就被设置为使用各种收集过滤器来存储gSE时间波形,直到团队找到最佳参数。

图3:用于测试尖峰能量理论的空气喷嘴上的加速度计

当空气通过空气喷嘴时,校正后的gSE-TWF清晰地显示出一种独特的模式。在泄漏的持续时间内,TWF中出现了高原。这就是团队如何将振动测量与泵阀状态联系起来的。无论是液体还是空气通过一个小开口,结果都是一样的——产生了超声振动频率。

图4和图5显示了从中型泵的泵头收集到的gSE TWF。从每个泵的阀门位置收集振动读数,三个吸入阀和三个排出阀。图4显示了泵阀状态良好时的TWF。在gSE TWF中,当每个阀门接近完全关闭位置时,狭窄的尖峰代表最小的开口。


图4:当泵阀处于良好状态时,纠正gSE TWF

图5为阀门通过时的时间波形。它由阀门启闭时发出的正常超声辐射组成,被高超声振动的平台隔开。平台的时间持续时间等于柱塞在一个方向上(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:纠正gSE TWF时,泵阀通过

在转向更小和更大的柱塞泵之前,团队的注意力主要集中在中型泵上。中型泵的阀门故障较多。现在团队可以看到发生的故障,对不可靠性的级别和故障模式有了更好的理解。这导致了与泵供应商讨论如何提高可靠性。供应商提供了安装升级设计的阀门的选择。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数据添加到现场所有其他三缸泵的路径读数中。其他泵上的阀门故障较少,但这些故障模式可以在P-F曲线上看到。

有很多好处:

  • 计划维修和组织所需的零件、劳动力和工具;
  • 计算机化维修管理系统(CMMS)中更准确的记录;
  • 操作对过程的干扰较小;
  • 可在同一设备上结合其他工作进行阀门更换;
  • 有数据支持根本原因分析(RCA)和故障模式和影响分析(FMEA);
  • 安全和环境问题可以得到解决。

结论

总之,可以监测容积泵内阀门的状态。研究振动技术在这方面的应用花了好几年的时间才完成,但付出的努力是值得的。团队还学习了如何跳出固有思维模式,在非标准应用程序中使用通用PdM技术。

知道泵阀何时开始出现缺陷的好处可以从经济到安全。计划和调度得到了改进。可能会有RCA和FMEA活动导致设计或操作更改。生产损失和不能满足对客户的承诺可以避免。根据流经这些泵的危险产品的水平,可以避免安全和环境问题。

容积泵通常是高压、高流量的设备。对这些泵的状况了解越多,它们就越能安全可靠地运行。