船用立式離心泵振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

一、檢測(cè)原理

振動(dòng)檢測(cè)的核心在于通過(guò)采集和分析機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，評(píng)估泵組的機(jī)械完整性、運(yùn)行狀態(tài)和潛在故障。其科學(xué)依據(jù)是，不同類型的故障（如不平衡、不對(duì)中、軸承損壞、汽蝕等）會(huì)激發(fā)特定頻率成分和幅值的振動(dòng)。

1. 振動(dòng)幅值監(jiān)測(cè)原理：通過(guò)測(cè)量振動(dòng)位移、速度或加速度的峰值、有效值（RMS）或峰峰值，直接反映振動(dòng)的強(qiáng)烈程度。速度有效值與標(biāo)準(zhǔn)ISO 10816系列中的振動(dòng)烈度概念直接相關(guān)，是評(píng)價(jià)設(shè)備整體振動(dòng)狀態(tài)的常用參量。

2. 頻譜分析原理：基于快速傅里葉變換（FFT），將時(shí)域振動(dòng)信號(hào)分解為頻域信號(hào)。通過(guò)分析頻譜圖中各頻率成分的幅值，可以精確識(shí)別故障源。例如，轉(zhuǎn)頻成分突出常指示不平衡；2倍轉(zhuǎn)頻成分突出常指示不對(duì)中；軸承各部件（內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、保持架）的固有頻率和通過(guò)頻率的出現(xiàn)，則指示軸承缺陷。

3. 包絡(luò)解調(diào)分析原理：專門(mén)用于診斷滾動(dòng)軸承和齒輪的早期點(diǎn)蝕類故障。通過(guò)帶通濾波隔離軸承故障引起的共振頻帶，然后進(jìn)行包絡(luò)檢波和FFT分析，提取出低頻段的軸承故障特征頻率，從而在強(qiáng)烈的背景噪聲中識(shí)別出微弱的周期性沖擊信號(hào)。

4. 階次分析原理：用于分析轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中的振動(dòng)特性。它將頻譜與轉(zhuǎn)速同步，以“階次”（頻率/轉(zhuǎn)頻）為橫坐標(biāo)，有效克服了轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)頻譜分析的影響，特別適用于變工況運(yùn)行的泵組。

5. 相位分析原理：測(cè)量振動(dòng)信號(hào)相對(duì)參考信號(hào)的相位角，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡、區(qū)分不平衡與不對(duì)中、確定轉(zhuǎn)子的一階、二階臨界轉(zhuǎn)速等具有關(guān)鍵作用。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

船用立式離心泵的振動(dòng)檢測(cè)項(xiàng)目可分為常規(guī)監(jiān)測(cè)與精密診斷兩大類。

1. 常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：

   • 振動(dòng)烈度監(jiān)測(cè)：在泵軸承座或機(jī)座等關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)，測(cè)量寬頻帶振動(dòng)速度的有效值，作為設(shè)備整體運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)判依據(jù)。

   • 振動(dòng)位移峰峰值監(jiān)測(cè)：主要用于評(píng)估低頻振動(dòng)，特別是對(duì)于柔性支撐或關(guān)注轉(zhuǎn)子靜態(tài)位移的場(chǎng)合。

   • 軸承狀態(tài)初步監(jiān)測(cè)：通過(guò)測(cè)量高頻加速度包絡(luò)值或沖擊脈沖值，對(duì)滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)和早期損傷進(jìn)行趨勢(shì)監(jiān)控。

2. 精密診斷項(xiàng)目：

   • 振動(dòng)頻譜分析：核心診斷項(xiàng)目，用于識(shí)別不平衡、不對(duì)中、松動(dòng)、葉片通過(guò)頻率振動(dòng)、汽蝕等常見(jiàn)故障。

   • 軸承故障精密診斷：結(jié)合高頻加速度頻譜和包絡(luò)解調(diào)頻譜，精確判定軸承各部件的損傷類型和嚴(yán)重程度。

   • 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析：包括臨界轉(zhuǎn)速分析、軸心軌跡分析、動(dòng)平衡校正等，用于解決與轉(zhuǎn)子本身相關(guān)的復(fù)雜振動(dòng)問(wèn)題。

   • 瞬態(tài)過(guò)程分析：對(duì)泵的啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程進(jìn)行階次分析或瀑布圖分析，以識(shí)別臨界轉(zhuǎn)速和共振現(xiàn)象。

   • 相位分析：用于現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡及故障源定位。

三、檢測(cè)范圍

船用立式離心泵廣泛應(yīng)用于船舶各系統(tǒng)，其振動(dòng)檢測(cè)要求因應(yīng)用領(lǐng)域而異。

1. 船舶動(dòng)力系統(tǒng)：

   • 主海水泵、中央冷卻泵：作為關(guān)鍵輔助設(shè)備，要求長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，振動(dòng)監(jiān)測(cè)等級(jí)高，通常需實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

   • 主機(jī)缸套水冷卻泵、燃油輸送泵：其可靠性直接關(guān)系到主推進(jìn)裝置的運(yùn)行，需進(jìn)行定期精密點(diǎn)檢。

2. 船舶艙底與壓載系統(tǒng)：

   • 艙底泵、壓載泵：通常為間歇運(yùn)行，但工況多變，需關(guān)注啟停過(guò)程的振動(dòng)特性及汽蝕可能。

3. 消防與安全系統(tǒng)：

   • 消防泵、總用泵：作為應(yīng)急設(shè)備，必須保證隨時(shí)可用的可靠性，振動(dòng)檢測(cè)側(cè)重于定期試驗(yàn)中的性能驗(yàn)證和狀態(tài)評(píng)估。

4. 液貨裝卸系統(tǒng)（油船、化學(xué)品船）：

   • 貨油泵、掃艙泵：輸送介質(zhì)常具有腐蝕性、易燃易爆特性，振動(dòng)檢測(cè)對(duì)于預(yù)防泄漏和災(zāi)難性事故至關(guān)重要，常配備高規(guī)格的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)為振動(dòng)檢測(cè)提供了統(tǒng)一的評(píng)判尺度。

1. 標(biāo)準(zhǔn)：

   • ISO 10816-3：《機(jī)械振動(dòng) 在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量和評(píng)價(jià)機(jī)器振動(dòng) 第3部分：額定功率大于15kW額定轉(zhuǎn)速在120r/min至15000r/min之間的工業(yè)機(jī)器》。該系列標(biāo)準(zhǔn)是評(píng)價(jià)振動(dòng)烈度的通用基礎(chǔ)。

   • ISO 20816-3：《機(jī)械振動(dòng) 機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)價(jià) 第3部分：額定功率大于15kW額定轉(zhuǎn)速在120r/min至15000r/min之間的工業(yè)機(jī)器》，正在逐步替代ISO 10816-3。

   • ISO 13373-1：《狀態(tài)監(jiān)測(cè)和機(jī)器診斷 振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè) 第1部分：總程序》，指導(dǎo)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的整體流程。

   • 各類船級(jí)社規(guī)范：如DNV GL、ABS、LR等船級(jí)社均在其規(guī)范中對(duì)船舶機(jī)械的振動(dòng)有明確要求，通常引用或基于ISO標(biāo)準(zhǔn)，并附加特定要求。

2. 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：

   • GB/T 29531-2013：《泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法》。該標(biāo)準(zhǔn)等效采用ISO 10816系列，是我國(guó)泵振動(dòng)檢測(cè)的核心標(biāo)準(zhǔn)，明確了測(cè)量方法、測(cè)點(diǎn)布置和評(píng)價(jià)區(qū)域（A/B/C/D區(qū)）。

   • CB/T 3482-2012：《船用泵振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)》，是針對(duì)船用泵的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)標(biāo)基礎(chǔ)上考慮了船舶環(huán)境的特點(diǎn)。

   • GB/T 24611-2021：《滾動(dòng)軸承 狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷》，為軸承的振動(dòng)診斷提供了技術(shù)依據(jù)。

對(duì)比分析：標(biāo)準(zhǔn)（ISO）與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T）在技術(shù)內(nèi)容和評(píng)價(jià)等級(jí)上已基本接軌。船級(jí)社規(guī)范則更具強(qiáng)制性，是船舶入級(jí)檢驗(yàn)的直接依據(jù)。實(shí)際操作中，應(yīng)優(yōu)先滿足船級(jí)社規(guī)范，并參照ISO/GB標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行具體檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

五、檢測(cè)方法

1. 測(cè)點(diǎn)布置：

   • 位置：在每個(gè)軸承座或軸承安裝部位的徑向（水平、垂直）和軸向方向布置測(cè)點(diǎn)。對(duì)于立式泵，通常在電機(jī)上軸承、電機(jī)下軸承（連接板處）和泵導(dǎo)軸承處設(shè)置測(cè)點(diǎn)。

   • 方向：徑向振動(dòng)對(duì)不平衡、不對(duì)中、松動(dòng)敏感；軸向振動(dòng)對(duì)軸向?qū)χ?、推力軸承問(wèn)題敏感。

2. 測(cè)量參數(shù)選擇：

   • 位移（μm）：適用于低頻（<10Hz）振動(dòng)，如評(píng)估轉(zhuǎn)子相對(duì)靜止部件的位移。

   • 速度（mm/s）：適用于中頻（10Hz ~ 1kHz）振動(dòng)，是評(píng)價(jià)振動(dòng)烈度的佳參數(shù)。

   • 加速度（m/s²）：適用于高頻（>1kHz）振動(dòng)，對(duì)軸承、齒輪故障和沖擊信號(hào)敏感。

3. 檢測(cè)方式：

   • 在線監(jiān)測(cè)：在關(guān)鍵泵組上安裝永久性傳感器和數(shù)據(jù)采集單元，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。適用于主海水泵等核心設(shè)備。

   • 定期點(diǎn)檢：使用便攜式振動(dòng)分析儀，按照預(yù)定路線和周期進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析。適用于大多數(shù)船用泵。

   • 精密診斷：當(dāng)監(jiān)測(cè)或點(diǎn)檢發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，由技術(shù)人員使用高性能分析儀進(jìn)行深入的頻譜、包絡(luò)等分析，以確定故障根源。

操作要點(diǎn)：確保傳感器安裝牢固（推薦螺紋安裝）；檢測(cè)工況（流量、壓力）應(yīng)穩(wěn)定并記錄；檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)具有可比性，即每次檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)、參數(shù)、工況應(yīng)保持一致。

六、檢測(cè)儀器

1. 便攜式振動(dòng)計(jì)：功能單一，主要用于測(cè)量振動(dòng)總量的有效值或峰值，適用于簡(jiǎn)單的狀態(tài)檢查。

2. 便攜式振動(dòng)分析儀：核心現(xiàn)場(chǎng)工具。具備數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、FFT頻譜分析、包絡(luò)解調(diào)等基本診斷功能，通常集成加速度傳感器。

3. 在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：由固定安裝的加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集站和上位機(jī)軟件組成?？蓪?shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)追溯和遠(yuǎn)程診斷。

4. 動(dòng)平衡儀：專門(mén)用于現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，具備振動(dòng)和相位測(cè)量功能，并能提供平衡校正量和角度。

技術(shù)特點(diǎn)：現(xiàn)代高性能振動(dòng)分析儀通常具備多通道同步采集、高動(dòng)態(tài)范圍、豐富的信號(hào)處理功能（如峰值保持譜、平均譜、瞬態(tài)捕捉）以及與計(jì)算機(jī)的通信能力，支持分析軟件進(jìn)行深度數(shù)據(jù)處理。

七、結(jié)果分析

1. 分析方法：

   • 趨勢(shì)分析：觀察同一測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。緩慢增長(zhǎng)可能預(yù)示磨損，急劇增長(zhǎng)可能預(yù)示部件斷裂。

   • 頻譜分析：將測(cè)量頻譜與正常狀態(tài)頻譜或已知故障頻譜庫(kù)進(jìn)行比對(duì)。關(guān)注轉(zhuǎn)頻、諧波、葉片通過(guò)頻率、軸承特征頻率等處的幅值變化。

   • 時(shí)域波形分析：觀察原始振動(dòng)信號(hào)波形，可識(shí)別沖擊、摩擦、調(diào)制等現(xiàn)象。

   • 包絡(luò)譜分析：確認(rèn)軸承故障特征頻率，判斷損傷發(fā)展階段。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)：依據(jù)GB/T 29531或ISO 10816-3，將測(cè)得的振動(dòng)速度有效值與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閾值比較，劃分為四個(gè)區(qū)域：

     • A區(qū)：優(yōu)良，新交付設(shè)備應(yīng)處于此區(qū)域。

     • B區(qū)：合格，可長(zhǎng)期運(yùn)行。

     • C區(qū)：預(yù)警，振動(dòng)可接受，但需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并計(jì)劃維修。

     • D區(qū)：超標(biāo)，振動(dòng)劇烈，應(yīng)立即停機(jī)檢修。

   • 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)：以設(shè)備良好運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)值為基準(zhǔn)，當(dāng)當(dāng)前值達(dá)到基準(zhǔn)值的1.5~2倍時(shí)，應(yīng)引起注意；達(dá)到4倍時(shí)，通常認(rèn)為出現(xiàn)顯著劣化。

   • 類比標(biāo)準(zhǔn)：在相同工況下，比較同類泵組的振動(dòng)值。若某臺(tái)設(shè)備振動(dòng)值明顯高于其他同類設(shè)備，則視其為異常。

綜合運(yùn)用以上分析方法和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，可以準(zhǔn)確評(píng)估船用立式離心泵的健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單報(bào)警到精確診斷的跨越，為視情維修（CBM）提供科學(xué)決策支持。