倒频谱在海洋石油设备在线监测诊断中的应用.pdf

第 2 3卷第 2期 2 0 1 5年 6月 北京 石油 化工 学 院学报 J o u r n a l o f Be i j i n g I n s t i t u t e o f Pe t r o c he mi c al Te c h no l og y Vol _ 2 3 NO ．2 J u n ． 2 0 1 5 倒频 谱在 海洋石油设备在 线监测诊断 中的应用 李 进 ， 吴天宠 ， 李 由。 ， 董欣 红 ， 陈明华 ， 何 杉 1 ．中海 油能源发展股份有限公司油 Ik t 建设工程分公 司 ， 天津 3 0 0 4 5 0 ； 2 ．中国石油大学 华东 机 电工程学 院， 山东 青岛 2 6 6 5 8 0 ； 3 ． 华 中科 技大学机电与 自动化学院 ， 湖北 武汉 4 3 0 0 6 4 摘要 海 洋石油平台受波浪等激励影 响， 设备在线监测 振动频 谱 中常伴随着 复杂 的频率 ， 对设 备状 态监测与故 障诊断造成一定 的难度 。由于设 备振动频谱 随机信号 与周期 脉冲 的混叠 ， 一般频 谱分 析方 法难以辨识 。倒频谱分析是一种提取频谱 中周期成份的有效方法 。笔者设计一种海洋石 油设备在 线监 测诊断 系统 ， 并提供倒频谱分析工具 。通过实验数据对 比得 出 ， 倒频谱能够有效辨识海上 石油特殊 环境 下 的特征频谱 。 关键词 倒频 谱 ；在线监测 ；故障诊断 ；频谱分析 ；海洋石油 中图分 类号 T H1 1 3 文献标志码 A 随着 海 洋 石 油工 业 的高 速发 展 ， 动设 备 资 产 日趋 密集 ， 设 备 状 态 直 接影 响 企 业 的产 能 发 挥 、 产品质量、 成本控制和综合竞争能力 。海洋 石油生产动设备在运转过程中存在齿轮啮合不 良、 轴承磨损等现象 ， 将产生复杂的振动 ， 然而 在动设备出现故障过程 中， 如齿轮与轴承故障 等 ， 受冲击激励 的影响 ， 振动则极为复杂 ， 表现 为随机与周期脉冲的混叠且随着故障部位的不 同， 其时域振动信号呈不 同的规律特征 ， 用一般 的频谱分析方法难以辨识_ 】 ] 。由于海洋石油 生 产动 设 备 伴 随海 浪 冲 击 、 平 台 塑性 变 形 等影 响 ， 动设 备 在 线 监 测振 动 频 谱 中常伴 随着 复杂 的频率 ， 对设备状态监测与故障诊断造成一定 的影 响 。 倒频 谱 分 析 可 以对 各 个 频 段 进 行 分 析 处 理 ， 消除故障特征频率附近的频率干扰 ， 有利于 提取故障特征 ] 。倒频谱变换就是 将复杂的 功率谱通过一系列卷积或乘积， 取对 数后化为 简单“ 和” 形 式， 得到识别信号 的主要分量。由 于倒频谱分析既不会漏掉边频信号 ， 又能给出 非 常 精 确 的 间距 ， 因此 倒 频谱 分 析 的 应用 范 围 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 2 0 作者简介 李进 1 9 8 6 一 ， 男 ， 硕士 ， 工程 师 ， 从事 海洋石油 装 备设计与故 障诊断工作 ， E - ma i l l i 1 9 1 2 1 6 3 ． c o rn。 越来 越 广 。 1 在线监测 系统设计 由于海 洋石 油 的特 殊性 ， 平 台／ 处理 厂 等分 布地 域广 ， 同 时受波 浪影 响造 成平 台变形 、 振动 等， 海洋石油生产 动设备在线监测系统充分考 虑海洋石油动设备监测的必要性和特殊性 ， 建 立海洋石油 内部 网络环境下 的在线监测系统 。 在线 监测 系统 框架 图如 图 1所示 。 图 1 在线监测 系统框 架图 在线监测系统采用三层网络架构 数据层 数据 服 务 层 、 中 间层 应 用 服 务 层 、 表 现 层 客户 层 ， 可有 效 减 少 网络 流 量 和 提 高相 应 速 度， 能够有效适应海洋石油内部 网络带宽较小 的环 境要 求_ 4 ] 。在 线监测 系统 采用 My S QL数 据库形式存储， 提高 了处理速度 和灵活性 。海 第 2期 李 进等 ．倒频谱在海洋石油设备在线监测诊断中的应用 1 3 上 石 油 平 台及 监 测诊 断 中心设 置 两 级 服 务器 ， 包含两方面作用 一是便于现场查看设备监测 信息； 二是利于两级数据存储及前置处理， 现场 服务器将数据前处理和压缩后再传输至中心服 务器 ， 提高传输效率和数据存储的可靠性。 振动信号是对机械设备进行状态监测和故 障诊 断最 常用 、 最有 效 的方法 ， 振 动信 号分 析是 故障诊断领域最活跃 的一个分支l_ 5 _ 6 j 。在 线监 测 系统 主要对 机 泵类 、 旋转 类设 备进 行监 测 ， 系 统 主要 采用 机械 振动 监测诊 断方 法 。针对 动设 备 的结构特点及振动信息获取的可靠性 ， 监测 诊断系统测点布置主要安装在轴承处 ， 以平 台 电机 一 注水 泵 机 组 为 例 ， 其 测 点 布 置 如 图 2 所示 。 图 2 动设备振动测点布置 2 倒频谱分 析原理 倒频谱分析实质是对功率谱取对数， 然后 再 进行 频谱 分析 ， 得 到频 谱 的周期 成分 ， 倒频 谱 计 算公 式 l 7 ] C r 一I r { l o g S I 工程 上常 用其 开方 ， 取值 为 C r 一 I r { l o g S -厂 l 倒频谱是频谱 的频谱 ， 能分析 出复杂频谱 的周期结构 ， 提取出频谱中的周期成分 ， 在周期 信号 的检测时具有较强的辨析能力。其实质是 通过取对数提高频谱 的动态范围， 并对解卷积 具有重要作用 ， 便于分离和提取特 征信号 。通 过 对 功率 谱 取 对 数后 ， 功率 谱 中的 非 明显 特 征 信号得到较大的权系数而放大。对于具有同族 谐频、异族谐频和多成分边频等复杂信号的分 析 非 常有效 [ g ] 。 2 5 q 一 - ． 2 0 1 5 1 0 型 5 0 由于倒频谱将信号源的振动效应和传递途 径的效应分离开来 ，使原来功率谱上成族 的边 频带谱线简化为单根谱线 ， 对信号传递路径影 响较小 ， 可以不必考虑信号测取时的衰减和标 定系 数所 带来 的影 响 1 ] 。 3 倒频谱分析应用 在海洋石油平台生产 中， 海上 浮式生产储 油船 F P S O 的 船 体 变 形 程 度 较 大 ， 同时 受 海 浪激励 的冲击明显 ， 对动设备运行状态产生较 大 影 响 。选 取某 电机 一 外输泵 机 组为应 用 对象 ， 其 中 电 机 参 数 为 功 率 为 7 3 0 k W， 转 速 为 1 4 9 0 r ／ mi n ， 驱动端轴承 6 3 2 6 C 3 ， 非驱动端轴 承 6 3 2 6 C 3 ； 齿 轮 箱参数 1 级 斜齿增 速 ， 输入 轴 齿 轮 齿数 为 4 4 ， 输 出 轴齿 轮 齿 数 为 4 O ， 输 入 轴 轴承 3 2 2 1 8 J 2 ／ Q， 输 出 轴 轴 承 3 3 1 1 5 ／ Q， 穿 墙 件轴承 6 0 2 4 ； 泵参数 排量1 2 0 0 I T I ／ h ， 机械密 封 ， 驱动 端轴 承 6 3 1 8 ， 非 驱 动 端 轴 承 6 3 1 8 。该 机 组 电机 和 泵 分别 安 装 在 机舱 与 泵舱 ， 并通 过 变速箱变速 ， 同时通过穿过船舱墙体轴连接 ， 具 体结构如图 3所示。 图 3 电机一 外输泵结构及测 点布置图 在线监测系统中测点 4的频谱 图及倒频谱 分别 如 图 4 、 图 5所示 。 从图 4可 以看出， 相关清晰特征频率在高 频部分有丘锋 凸起 ， 无法提取特征频率 ， 已被噪 声信号等高频信号 淹没； 从 图 5中可 以看 出， 3 6 ． 2 5 ms 及其倍率波比较容易辨别 ， 经转换为 2 7 ． 4 Hz 的频 谱 。 由于 测点 4是 电机 经 变 速箱 变速后输 出轴测点， 可得 一 31 4 6 3 ／ mi0 4 ／4 r ／ I T I I n 一 3 l 4 那 么测 点 4的工 频 为 l ； ； I __ _ l，} J 土 。 。 ．L ． ． L ． J L j I f／ k Hz 图 4 4 H 测点加速度幅值频谱图 O 1 4 北 京石 油化 工学 院学 报 2 0 1 5年第 2 3卷 一0_ 3 0 O． 2 4 邑 0 ． 1 8 0． 1 2 0． 0 6 0 『 I IL L _ - 一 ． J ． ▲ L． ． ． L ． ．‘ _ L ． ．止． t ／ m s 图 5 4 H 测点倒频谱 图 厂 一 一2 7 4 Hz 经过计算得出， 倒频谱有效提取 了测点 4处 伴有周期性信号的工频信息。 4 结 论 根 据海 上石 油 的特点 ， 设计 出适 合 海上 油气 生产动设备的在线监测系统 ， 并分析倒频谱原理 及提供倒频谱分析工具 。通过实例数据验证并 对 比幅值频谱分析工具 ， 得到倒频谱在海上石油 设 备在 线监 测 诊 断 中 能够 有 效 提 出 周期 性 特 征 频率 。 参 考 文献 [ 1 ] 李 飞行 ， 张 群岩 ， 王 涛． 倒频 谱在 航 空发 动机 振动 分析 中的应用 [ J ] ． 科学技术与应用 ， 2 0 1 1 ， 1 1 1 2 27 28 ． I- 2 - 1 张文苑 ， 刘 国众 ， 周 湛学． 滚 动轴 承故 障 的倒 频谱 分析[ J ] ． 河南科技大学学报 ， 2 0 0 1 ， 2 2 1 3 1 3 6 ． [ 3 ] 张雄希 ， 刘振兴． 基于倒频谱分 析 的电机故 障检测 [ J ] ． 电力 系统保 护与控制 ， 2 0 1 0 ， 3 8 2 0 1 4 5 1 4 7 ． [ 4 ] 南爱霞 ， 张曙光 ， 刘英 ． 基于 XML的三层 网络结构 的 We b G I S系统模 型[ J ] ． 计 算机 应用研 究 ， 2 0 0 4 ， 1 9 1 - 9 2 ． [ 5 ] 赵 凌燕． 滚 动轴 承 转 子系 统 的非线 性 动力 学 研究 [ D ] ． 西安 西北工业大学 ， 2 0 0 3 ． [ 6 ] 唐云冰 ， 高德平 ， 罗贵 火． 滚 动 轴承 非线性 轴 承 力 及其对轴承系统振动特性 的影 响[ J ] ． 航 空动力 学 报 ， 2 0 0 6 ， 2 1 2 3 6 6 3 7 3 ． [ 7 ] 丁康 ， 李 巍华 ， 朱小 勇． 齿 轮及 齿轮 箱故 障诊 断 实 用技术[ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 5 ． [ 8 ] 芮执元 ， 徐龙 云 ， 李 贵明． 基 于倒 频谱 理论 的滚 动 轴承故 障检测[ J ] ． 轴 承， 2 0 0 7 1 3 5 3 7 ． [ 9 ] 李瞬酩 ， 李 香 莲． 振 动 信 号 的分 析 技 术 与 应 用 [ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 1 o ] 王旭峰． 基 于倒频谱 分析法 的滚动轴 承故 障诊断 研 究[ D ] ． 昆明 昆 明理工大学 ， 2 0 1 0 1 - 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