三种创新方式 提高泵的可靠性

作者:本文由艾默生过程管理公司提供。 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:114 发布时间:2016-09-05
采用在线状态监测的预测维护——能有效降低维护费用,减少因人工巡检不及时而造成的灾难性事故,也可以省去不必要的预防性维护工作,并节省人工。选择什么样的应用程序来分析测量数据并及时提供可执行的信息是高效泵监测计划的重要部分。
三种创新方式 提高泵的可靠性

图1 API 冲洗方案52 无压辅助密封冲洗系统用于在线测量(A. 压力变送器,B.液位变送器)

泵对于工业企业的日常运行至关重要,需要时时维护,以确保工厂正常运作。泵一旦启用,性能就会逐渐衰退,关键是如何防止其发生故障导致工厂停机从而影响生产。我们以一家炼油厂为例,一般工厂里会有10%的泵是特别重要的,因此会对其进行实时在线监测,以避免发生灾难性的事故。那么其余90%的泵都需要依靠人工巡检来获取状态信息,因此被动维护则不可避免,更糟糕的是人工巡检有时并不能发现设备的性能衰减和低效运行。

据统计,泵的维护费用占到整个工厂维护成本的7%,而工厂的生产损失有0.2%归结于泵故障,如果对泵进行在线监测,这些损失是完全可以避免的。过去,使用在线监测系统和安装有线设备投资成本高,或者线槽已满难以增加新的设备,这些都是阻碍工厂增加泵监测点的因素,而如今,随着技术的发展,要对重要但非关键的泵进行在线监测和可靠性维护已变得十分容易。本文将介绍3种创新的预测技术,以有效提高泵的可靠性。

泵的密封监测/封液罐监测

双机械密封通常应用于对密封要求较高的地方,其表面经过精细机械加工,一面安装于密封压盖内,一面安装于主轴上,密封件之间用密封液填充以起到润滑和降温作用。表面杂质和结焦会缩短密封寿命,但是正确地冲洗可以使其持续工作数千小时。

辅助密封冲洗系统可以是加压的或是无压的。无压密封冲洗系统是让工艺流体流入密封液,充当缓冲剂,这种方式可能使工艺流体通过外侧密封泄漏到空气中。带加压密封冲洗系统的双机械密封可以有效防止泄漏的发生。

图1 API 冲洗方案52 无压辅助密封冲洗系统用于在线测量(A. 压力变送器,B.液位变送器)

图1显示了API冲洗方案52适用于危险品,它提供洁净的外部缓冲液以保护环境。压力升高表示泵送工艺流体在大气压力下产生汽化并泄漏到缓冲液;同样,如果泵送流体在大气压下依然保持液态,那么液位升高也可表明泄漏发生;液位缓慢降低属于正常现象,但如果是突然大幅升高则表示缓冲液正通过外侧密封泄漏出来。可用指针式无线压力变送器替代本地压力指示计,提供连续在线监测,以便更早地发现泄漏隐患。也可以通过控制系统进行监测,或是由在线预测性设备健康状态监测系统来解读压力升高的现象,并提供可执行的信息。

封液罐需要定期注满,一般通过人工巡检来完成,但是要知道一旦密封液干掉,就会导致高昂的维修费用,以及人身伤害和环境风险,因此密封罐都会设置低液位报警。根据最新的API标准682(第四版)规定静液面技术将取代开关量来进行连续液位测量,提供低液位报警。使用液相测量管时,参考管中的液体数量的不同会影响液位测量的准确度。模拟量液位指示,可显示液位的变化率,当液位发生异常的迅速下降,可发出报警,从而为操作人员换泵送修争取更多时间。

有时,污染物或是工艺流体与密封冲洗液混合,会改变罐装冲洗液的密度,在这种情况下无线导波雷达变送器能够提供比静液面更为精确的封液罐液位测量,精度高达± 0.2" (5mm),而且不会因为液相测量管内液体流失而产生测量错误,导波雷达液位变送器的优势还在于其可安装在罐顶,不占用储罐原有的空间,可提供比API682标准规定更为宽泛的量程。除此之外,也可以把设备安装在储罐外腔一侧。

汽蚀监测

离心泵使液体速度加快,在泵入口处产生静压下降,如果水的绝对压强低于该温度下水的饱和蒸汽压,就会产生气泡,随着压力升高,气泡破裂,对叶轮和泵壳表面造成机械损伤。这种现象叫汽蚀现象,会损伤泵部件、使流量不稳定、加速轴承磨损并使密封失效。当泵运行超出设计量程,常常会产生汽蚀现象,泵的间歇性抽吸也会产生汽蚀。故障可能在人工巡检之前已经发生,但是通过泵出口压力的监测可以更早发现问题(如图2所示)。

图2 泵出口压力监测用于汽蚀现象报警(A.压力变送器)

有些先进的泵监测方案可监测出口压力波动情况,预报可能发生的汽蚀现象。当压力波动的增加与冲击力测量峰值正相关(将在下一个“振动”章节进行讨论),这表明泵出现了汽蚀现象。结合压力和振动监测数据来判断汽蚀现象是通过过程和设备测量更完整了解泵健康状况的最好例子。对于高压多级泵来说短暂的汽蚀现象也会造成损害,因此在泵的监测体系中应该还要包括吸液装置的液位、泵吸入滤器以及所有安装在泵出入口的自动隔离阀的差压,这些地方很容易移动或堵塞造成汽蚀。

振动监测

泵发生剧烈振动代表有故障,振动变送器可以测量振动状况,解读和分析振动的起因。混凝土底座或金属框损坏、轴未对准、叶轮损坏、泵或电机轴承磨损、偶合磨损、汽蚀现象都会引起电机和泵的剧烈振动,从而使密封失效,并可能造成严重后果,包括高昂的维修费用、过程停机、产量下降、危害物质泄漏罚款、可燃物质泄漏引发的火灾等。

在线振动监测能够及时发现泵性能下降的起因,但是传统的全面振动测量还存在很大的局限性,并不能提供足够早的预警信息来防止故障发生。例如,一个全新的轴承和一个还有10%甚至1%使用寿命的轴承所显示的振动数据是一样的。

图3 传统的振动测量
A.采用传统的方式,振动测量数据在故障即将发生或已经发生时也只会有很小的变化
B.采用PeakVue,振动测量数据在轴承将要发生故障前会有明显变化

图3是泵轴振动进行监测的典型例子,通过振动只能发现轴承故障,但并不能得到早期预警。对于高频机械冲击产生的故障已经有了新的测量技术,例如金属之间互相摩擦的外壳,新的测量技术可提供旋转部件磨损故障的早期预警,也就是在设备还有10%以上的使用寿命时发现问题,以便及时采取防预措施。

故障预测

表1汇总了经常发生的泵故障及如何通过测量获得故障预警。密封液液位和压力、泵出口压力和冲击压力峰值等信息组成了预警系统。振动和温度测量数据均可指示故障的发生,并可用于分析根本起因。现代化的泵健康状态监测方案通过压力及机械测量数据等关键预测维护信息全面掌握泵的情况。

把诸如流出及吸入压力、滤网差压、密封油压力和液位等过程数据与完整的振动数据、冲击数据、泵轴承温度、泵速度以及运行/停止信息相结合,可针对早期汽蚀现象发出简单易懂的预警信息,无需专门的机械专家对数据进行解读。市场上某些先进的泵健康状态监测方案甚至还能通过预制的运算法则提供依据过程和设备数据生成的设备健康状况报告。

泵的监测方案可以根据特定的工艺环境和泵的设计来制定,它规模可变,可从简单的基于状态的单个变量振动监测扩展到全面的泵状态和运行状况报警。状态监测的挑战在于要同时满足运行人员与可靠性团队对于数据的不同需求,并将数据转化为可执行的信息。运行人员需要获得密封泄漏或汽蚀等严重情况的报警,以预防即将发生或严重的泵故障,而可靠性团队则需要更多的信息来进行长期规划,包括订购备件,既要降低备件库存又要能够及时满足维护需求。因此预测性维护对于实现精益可靠性计划是至关重要的。

无线技术提供了新的可能

上述测量方案可以通过有线或无线方式来实现,只不过采用有线4~20 mA或基金会现场总线方案相对无线方案而言会更为复杂,安装更麻烦,成本更高。

有些泵位于危险或是难以到达的区域,采用有线测量方案的成本较高或是无法实现,这时无线方案则是一种很好的选择,它适用于各种严酷工况,能够以经济的方式在工厂范围内扩展在线测点,最重要的是无线系统可以方便高效地在任何地点安装,做到即装即用。

无线变送器采用电池供电(电池可用于危险区域),无需线缆、开放的I/O点或本地电源,因此可以在远离过程装置有线信号的地方使用,安装、组态、调试往往只需几个小时,非常方便,而有线设备一般则需要几周。

泵监测的经济收益

图5 采用无线变送器监测泵的健康状况(A.压力变送,B.静液面液位变送器,C.振动变送器)

如图5所示采用完整的泵健康状态监测系统可以在数月后即看到收益。以一家日产250 000桶的炼油厂为例,有80台泵安装了监测系统,每年节省可达120万美元,其中维护成本节省36万美元,由于泵故障引发的过程停机减少,节省91.2万美元。

总结

由泵故障引发的事故完全是可以避免的,困难在于如何在适当的时间采用适当的维护策略以防止危险品泄漏、火灾、昂贵的维修和过程停机,同时避免一切不必要的维护。通过预防性维护和人工巡检是无法实现的,因此基于状态的在线监测变得必不可少,以前在大部分工厂内这种监测仅限于关键的泵设备,而带有无线技术的预测性维护方案使任何一台泵都可以获得在线监测。艾默生过程管理提供的泵健康状态监测方案包括重要设备监测软件、SmartWireless变送器和专利振动监测技术PeakVue。

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