范例-開題報告及文獻綜述

碩士學位論文開題報告及文獻綜述課題名稱學號姓名學院機械與儲運工程學院學科專業(yè)指導教師完成時間：2012年01月13日

目錄開題報告 開題報告一.課題來源及研究意義1.1課題來源本論文的課題來源于以下兩個項目課題：1）國家自然科學基金——********（編號：）；1.2研究意義石油是維持我國經濟高速發(fā)展的戰(zhàn)略性資源，中國目前70%的石油通過管道運輸。石油是維持我國經濟高速發(fā)展的戰(zhàn)略性資源，石油管道則是保障能源供給、關系國計民生的基礎性設施。中國目前70%的石油通過管道運輸，石油管道總里程已接近4萬千米，其中原油管道1.99萬千米，成品油管道1.81萬千米。石油管道運輸生產系統(tǒng)的安全不僅關系到人民群眾的生命財產安全和生態(tài)環(huán)境安全，還關系到國家的能源安全。管道和泵機組好比是人體循環(huán)系統(tǒng)中的“血管”和“心臟”，它們分別是石油管道運輸生產系統(tǒng)中最為關鍵的靜設備和動設備，其運行的穩(wěn)定性直接決定了整個輸油系統(tǒng)的安全性。中國現(xiàn)有管道中的60%已運行20年左右，存在管線老化、腐蝕穿孔等問題，管道進入事故多發(fā)期，并且管線占壓、打孔盜油等人為因素所導致的管道破壞也時有發(fā)生。此外，與之相配套的儲運設施也存在著超期服役等問題，這些因素都嚴重影響了石油輸送的安全運行。其輸送的油品具有高壓、易燃、易爆等特性，使其在輸送和存儲等過程中存在著很多安全隱患，并且系統(tǒng)機械結構復雜，控制參數繁多，且調節(jié)操作頻繁，易引起“連鎖反應”。如果發(fā)生一般事故，如停泵，將造成一定的經濟損失。一旦發(fā)生火災、爆炸事故，不僅直接經濟損失巨大，而且還將造成人員傷亡，甚至影響國民經濟。對其開展故障診斷對確保整個儲運生產系統(tǒng)的安全運行有重要意義，有助于減少誤報警、減少非計劃停機、給出合理的維修策略，對于保護油氣生產安全、人員生命財產、生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。二.國內外研究現(xiàn)狀及不足2.1離心泵故障狀態(tài)監(jiān)測現(xiàn)狀機械設備運行狀態(tài)的監(jiān)測技術已經從單憑直覺的耳聽、眼看、手摸，發(fā)展到采用現(xiàn)代測量技術、計算機技術和信號分析技術的先進的監(jiān)測技術，諸如超聲、聲發(fā)射紅外測溫等。人工智能、專家系統(tǒng)、模糊數學等新興學科在機械狀態(tài)監(jiān)測技術中也找到用武之地。機械動態(tài)信號分析方法和應用技術放方面新近的發(fā)展有：采用空間域濾波的預處理、采用Vold=Kalman濾波的多軸階比信號分析技術、適于非平穩(wěn)信號的基于Wigner-Ville分布分析、小波(wavelet)變換方法、混沌分析方法、智能傳感與檢測技術及與VXI總線一起平臺相關的技術等。當前國內外較典型的狀態(tài)監(jiān)測方式主要有3種：=1\*GB3①離線定期監(jiān)測方式。測試人員定期到現(xiàn)場用一個傳感器依次對各測點進行測試，并用磁帶機記錄信號。數據處理在專用計算機上完成，或是直接在便攜式內置微機的儀器上完成；這是當前利用進口檢測儀器普遍采用的方式。采用該方式，測試系統(tǒng)較簡單，但是測試工作較繁瑣，需要專門的測試人員。由于離線定期監(jiān)測，不能及時發(fā)現(xiàn)突發(fā)性故障。=2\*GB3②在線監(jiān)測離線分析的監(jiān)測方式（主從機監(jiān)測方式）。在設備上的多個測點均安裝傳感器，由現(xiàn)場微處理器從機系統(tǒng)進行各測點的數據采集和處理，在主機系統(tǒng)上由專業(yè)人員進行分析和判斷。這種方式是近年在大型旋轉機械上采用的方式。相對第一種方式，該種方式免去了更換測點的麻煩，并能在線進行檢測和報警；但是該種方式需要離線進行數據分析和判斷，而且分析和判斷需要由專業(yè)技術人員參與。=3\*GB3③自動在線監(jiān)測方式。該種方式不僅能實現(xiàn)自動在線監(jiān)測設備的工作狀態(tài)，即使進行故障預報，而且能實現(xiàn)在線地進行數據處理和分析判斷；由于能根據專家經驗和有關準則進行智能化的比較和判斷，中等文化水平的值班工作人員經過短期培訓后就能使用。該種方式比較先進，既不需要認為更換測點，也不需專門的測試人員和專業(yè)技術人員參與分析和判斷，但是軟硬件的研制工作量很大。在國內，泵測試技術的發(fā)展相對較慢，其歷程可以簡要的劃分為兩個時期:20世紀80年代以前和20世紀80年代至今。20世紀80年代以前，屬于指針式測試系統(tǒng)時期。泵的測量基本采用分立式儀器和儀表測量各種物理量。例如，用彈簧壓力計測壓力，用文吐里流量計測流量，用電流表、電壓表等測電力參數。在這一時期，泵測試系統(tǒng)存在測試儀表眾多，成本高，體積龐大，可靠性差，試驗人員多，工作量大，效率低，試驗誤差大等問題。在這種條件下，為了得到性能優(yōu)良的水力模型，往往需要反復進行多次模型試驗，而且時間效率極低。20世紀80年代至今屬于測試系統(tǒng)的自動化時期。這個時期正是計算機技術、通信技術和智能控制技術高速發(fā)展的時期，自動控制領域日新月異，智能儀表、先進的控制系統(tǒng)等則層出不窮。這給泵測試技術帶來了契機，人們面臨的困難迎刃而解。智能電磁流量計、超聲波流量計、轉矩轉速傳感器、微機扭矩儀、電子計算機、單片機等先進的智能電子裝置迅速地被應用于新一代的水泵測試系統(tǒng)中，極大的提高了水泵測試系統(tǒng)的自動化程度、測試精度、響應速度和人工效率。在國外很多國家，泵測試領域的研究起步較早，泵計算機輔助性能測試系統(tǒng)的使用很普遍，其測試精度和自動化程度較高。尤其是美國、英國和德國等國家，泵測試技術的發(fā)展走在我們的前列，泵測試系統(tǒng)呈現(xiàn)高集成、小體積、可移動、多功能、設備全和易操作等特點。美國TecQuipment.Inc生產的CentrifugalPumpTestSet是一臺用于離心泵測試的裝置，為研究離心泵在不同揚程、流量和轉速下的特性提供了新的測試方法。英國TQEducationandTrainingLtd研發(fā)的離心泵測試臺結構緊湊，操作方便靈活，采用數字式儀表實時顯示所測得的轉速、轉矩和功率值，用文丘里管測量水泵的流量，研究分析了泵的汽蝕現(xiàn)象，并能得到離心泵的性能，如泵的流量和揚程特性，泵的流量和效率特性等等。同樣，ArmfieldLimited公司設計的多泵試驗臺可以得到不同類型泵的運行特性，通過用直流半導體閘流管控制器進行變速調節(jié)，能夠測量離心泵、渦輪泵、軸流泵和齒輪泵的揚程、流量、功率和扭矩等參數，并繪制泵的性能曲線。德國FLUIDONCompany公司生產的汽車冷卻水泵試驗臺用于測量快速轉動泵的效率、磨損和流量，可以測試轉速高達7500r/min的快速旋轉泵，其允許的最大流量是150L/min，電動機的最大驅動功率是30kw。綜上可知，目前國內泵測試裝置的自動化程度還不是很高，國外發(fā)達國家的泵測試系統(tǒng)的自動化水平普遍高于國內。隨著市場經濟的不斷深入和完善，技術理論的日趨成熟，生產檢測自動化水平的提高以及市場對高精度檢測的不斷需求，泵測試技術將逐漸向測量儀器的自動原位校正標定、寬測量范圍、多功能融合、智能化、方便的網絡控制和數據共享等方向發(fā)展。2.2管道泄漏檢測研究現(xiàn)狀石油變得越來越重要，帶動了石油工業(yè)，管道運輸作為一種主要的石油運輸方式，也得到了迅猛發(fā)展。隨著管道工業(yè)的發(fā)展，泄漏檢測技術也得到了進步。伴隨油氣田的開發(fā)，油氣管道的安全運行越來越受到廣泛的重視。在管道建設過程中，即使在鋪設、安裝及運行時達到了相應的質量標準，但管道的老化依舊是不可避免的。在管道事故中,腐蝕、施工、材料缺陷及外部干擾是造成管道故障的主要原因。施工和材料缺陷造成的管道故障往往出現(xiàn)在管道運行的初期,腐蝕造成的管道事故大多出現(xiàn)在管道運行的后期。油氣管道泄漏檢測方法根據測量手段、測量媒介、檢測裝置所處的位置和檢測對象的不同，大體上可分為直接檢測法與間接檢測法、基于硬件與軟件的檢測法、內部檢測法與外部檢測法、監(jiān)測管壁狀況和監(jiān)測內部流體狀態(tài)的方法，其中用得較為廣泛的分類方法就是根據測量手段將檢測方法分為直接檢測法和間接檢測法。直接檢測法是利用安裝在管道外邊的檢測器，直接檢測漏到管外的輸送液體或其揮發(fā)氣體，從而達到檢漏目的的方法，直接檢漏法有：人工分段巡視法，機載紅外線法，聲發(fā)射技術，電纜傳感器技術，光纖傳感器技術，土壤檢測技術，超聲波流量測定技術，蒸汽測定技術，激光遙感技術等；間接檢測法是指通過監(jiān)測管道運行參數的變化，如檢測流量、聲音、壓力等物理狀態(tài)的變化，利用數學模型和計算機軟件來推斷出是否出現(xiàn)泄漏、并確定泄漏量大小和泄漏點位置。間接檢漏法有：水壓或氣壓試驗檢測、體積或質量平衡法、壓力點分析法（PPA）、負壓波法、光學檢測法、聲發(fā)射技術法、動態(tài)模擬法以及統(tǒng)計檢漏法等。國際上泄漏檢測和定位的方法的研究已有幾十年的歷史，從最簡單的人工分段沿管道巡視發(fā)展到基于分布式數據采集系統(tǒng)的軟硬件相結合的方法，從陸上檢測發(fā)展到海底檢測，甚至利用飛機或衛(wèi)星遙感技術等進行空中對地下管道的檢測等等，涉及范圍之廣，使用方法之多，可見，管道泄漏檢測技術是多學科多領域知識的綜合。盡管我國的管道檢測研究起步較晚，但和發(fā)達國家的技術交流很多，而且國家對管道安全的重視程度也越來越大，因此發(fā)展很快。目前開展這方面研究的單位很多，如中國石油大學、北京科技大學、清華大學、大連理工大學、天津大學、西安交通大學、重慶大學等，提出了一些方法并作出部分產品，目前在實際中的應用較廣泛，取得了較不錯的效果。2.3存在的不足儲運生產系統(tǒng)作為一個完整的水力學、動力學系統(tǒng)，管道與機組，管道自身、機組自身各個部件間都有復雜的耦合作用關系。傳統(tǒng)診斷方法往往忽視了這些耦合關系，“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”。這在很大程度上缺失了信息間整體、內在的關聯(lián)判據，因而無法克服誤報警率高的診斷難點。原油管道輸送是在一個密閉的環(huán)境中進行的，泵和管道組成了一個相對完整的水力學系統(tǒng)，某一方運行工況的改變都會對另一方產生影響。在機組運轉的狀態(tài)下，流體一機械一電磁三部分是相互影響的。例如，當液體流動激起機組轉輪部件振動時，機組軸系也會發(fā)生振動，旋轉軸系振動的影響會導致電機轉子與定子之間氣隙不對稱變化，由此產生的不平衡磁拉力會造成機組軸系的振動，而機組主軸系統(tǒng)的運動狀態(tài)發(fā)生變化后，又會對輸油泵的流場及電機的磁場產生影響。目前國內外對這種耦合作用關系的研究才剛剛開始，現(xiàn)有的研究主要集中在機組自身各個部件間的耦合作用關系上，即機組多種故障耦合診斷的研究，如轉子系統(tǒng)碰摩故障、油膜振蕩及碰摩和油膜振蕩相互作用的耦合故障。中國石油大學（北京）的王明達在其博士論文中首次提出泵機組與管道耦合故障診斷的概念。其基本思路為：對當前的管道壓力進行實時異常捕捉，如果捕捉到管道壓力異常，那么就對管道兩端運行中的機組進行狀態(tài)識別；如果此時機組處于平穩(wěn)輸送狀態(tài)，那么就認為管道發(fā)生了泄漏，否則認為該壓力異常為機組工況改變所引起，取消該管道壓力異常。存在的不足：僅考慮機組對管道的影響，側重于減少管道誤報警；僅考慮機組的工況變化對管道造成影響，未考慮氣蝕、葉片損壞等耦合故障。三、研究內容與技術路線3.1論文主要研究內容（1）泵機組、管道耦變規(guī)律研究①機械設計角度及動力學特征分析。對“泵－管道”研究機組機械傳動原理，分析耦變工況及耦合故障產生原因，研究瞬態(tài)過程中關鍵部件，或子系統(tǒng)，如：離心泵葉輪的分布、止推軸承位置及受力狀態(tài)、入口狀態(tài)，總動水頭、管道輸送工藝變化等的動力學變化規(guī)律；②分別研究轉速、載荷和運行參數標準化后，對診斷準確性的影響，提取敏感特征。尋找系統(tǒng)宏觀動態(tài)性能與水力參數、機械結構參數、電磁參數之間的內在規(guī)律（2）泵機組、管道耦合規(guī)律的實驗驗證①改裝現(xiàn)有“油氣管道及站場設施安全事故模擬”試驗平臺，使其可以模擬啟泵、調閥、分輸等耦合工況以及葉片磨損、氣蝕等耦合故障。安裝電流、振動、壓力、流量等傳感器，采集電流、振動、壓力、流量等信號；②根據泵機組、管道耦合規(guī)律的分析結果，設計實驗方案，模擬不同耦變工況及耦合故障。選擇幾種典型的耦變工況及耦合故障，研究這幾種狀態(tài)下，“泵－管道”各自的行為參數、特征參數變化；（3）泵機組、管道故障診斷與融合決策方法研究①單故障、正常、耦合狀態(tài)工況識別方法研究。②耦合工況的識別與耦合故障診斷方法研究。分析參數的敏感性，選擇合理的狀態(tài)參數建立輸油泵機組與管道的實時狀態(tài)模型。③多傳感器數據融合方法研究。特征層信息融合。利用“主成分分析法”篩選特征，獲取優(yōu)選特征向量；決策層信息融合。對信度函數、似真函數和優(yōu)選特征向量等信息，用D-S證據融合，求解各工況置信度區(qū)間，作為各類工況的邊界。3.2論文采用的技術路線論文采用的技術路線圖四、預期研究成果=1\*GB3①泵機組、管道耦合規(guī)律耦變工況產生及傳播機理等動力學問題研究，系統(tǒng)宏觀動態(tài)性能與水力參數、機械結構參數、電磁參數之間的內在規(guī)律。=2\*GB3②泵機組管道耦合系統(tǒng)實驗平臺改裝現(xiàn)有“油氣管道及站場設施安全事故模擬”試驗平臺，設計實驗方案并進行相關實驗。=3\*GB3③故障診斷與融合決策方法耦合工況的識別與耦合故障診斷方法、多傳感器數據融合方法的實現(xiàn)。五、論文進度安排2011.09-2012.012012.02-2012.052012.06-2012.102012.11-2013.032013.04-2013.05課程學習文獻調研泵機組、管道耦變規(guī)律研究設計實驗方案并進行相關實驗耦合系統(tǒng)故障診斷算法研究數據融合方法研究撰寫論文，畢業(yè)答辯文獻綜述一、引言1.1油氣能源的重要性現(xiàn)在的時代正式工業(yè)全球化的時代，各國對能源的需求處于前所未有的狀況。由OPEC對全球經濟命脈的影響程度，可以清楚的認識到石油天然氣能源所占有的重要而獨特的地位。我國處于工業(yè)化進程加速階段，重化工業(yè)的快速發(fā)展，對能源的需求強勁。同時，由于我國經濟增長方式轉變、產業(yè)結構調整還剛剛起步，實質性提高能源利用效率還需要一段時間。所以，在未來的幾年里我國對能源的強勁需求是毫無疑問的。與此同時，我國東部主力油田已進入中后期，穩(wěn)產難度越來越大，已出現(xiàn)總量遞減趨勢，全國原油產量的穩(wěn)定和增長將主要依靠西部和海上油田的增產。目前，我國石油生產仍處于上升時期,但受資源條件的制約，產量增長十分有限。因此，我國石油的供需缺口將會進一步擴大，經濟增長與能源需求的矛盾日益凸顯[[]任忠寶，張華.我國石油消費現(xiàn)狀及需求預測分析.中國國土資源經濟，2009，01.[]任忠寶，張華.我國石油消費現(xiàn)狀及需求預測分析.中國國土資源經濟，2009，01.中國充滿爆發(fā)力的石油需求一直被視為近兩年來國際油價大漲的關鍵因素。目前中國已取代日本成為全球第二大石油消耗國（僅次于美國），預估10年內中國的石油需求將從目前的每日600萬桶膨脹近一倍至1150萬桶。十年前中國進口石油占整體石油需求的比例才6%，現(xiàn)在已經提高到三分之一，到2020年預期將有60%的石油都必須來自進口。汽車工業(yè)將是汽柴油消費最主要的生意推動力。乙烯工業(yè)的發(fā)展將使化工用油進一步上升，中國需要進口更多的石腦油。今后20年，國內原油產量雖然將繼續(xù)呈上升趨勢，但增幅有限，預計2010年和2020年產量將分別達到1.7億噸和1.8億噸左右[[]張巍柏，賀軍.高油價時代，企業(yè)如何應對.《西部論叢》，2005，10：46-48.[]張巍柏，賀軍.高油價時代，企業(yè)如何應對.《西部論叢》，2005，10：46-48.大量需求能源，歸根結底還是由于人類的各種需求的增長，因此我們的一切工業(yè)活動都應在以人為本的前提下開展，可是各式各樣的能源運送造成了嚴重的環(huán)境污染，影響了人類的生活，造成了能源開發(fā)與環(huán)境保護之間的矛盾。近年來，隨著能源形勢的急劇變化，全球能源安全問題越來越受到國際社會的廣泛關注。盡管各國對能源安全的理解和各自的戰(zhàn)略目標不盡一致，但隨著經濟全球化的深入和能源相互依賴的加深，全球能源安全問題已成為影響未來國際能源形勢發(fā)展的重要趨勢[[]楚海虹.天然氣與管道業(yè)務發(fā)展呈現(xiàn)勃勃生機.中國石油報，2009[]楚海虹.天然氣與管道業(yè)務發(fā)展呈現(xiàn)勃勃生機.中國石油報，2009，1，15，0011.2管道的特點及應用管道運輸是一種新興，經濟的運輸方式，是繼鐵路、公路、水運、航空運輸之后的第五大運輸業(yè)，它在國民經濟和社會發(fā)展中起著十分重要的作用。在油氣運輸上，管道運輸有其獨特的\o"優(yōu)勢"優(yōu)勢，由于它的平穩(wěn)、不間斷輸送，對于現(xiàn)代化大生產來說，油田不停地生產，管道可以做到不停地運輸，煉油化工工業(yè)可以不停地生產成品，在極大程度上滿足國民經濟需要；二是運輸工程量小，占地少；三是安全可靠，保質，無污染，能耗小，成本低，實現(xiàn)了安全運輸，對于油氣來說，汽車、火車運輸均有很大的危險，而管道在地下密閉輸送，具有極高的安全性；四是受氣候影響小。下面是對具體優(yōu)點的描述：①運輸量大：由于管道的特點，一條管道可以不間斷的輸送油氣資源，運輸量只取決于管徑大小與閥門的開合程度，年運輸量可以達到數百萬噸或數千噸，甚至上億噸，效率要超過傳統(tǒng)的汽車、火車、船舶運輸。②運輸工程量小，占地少：歷史上，中國建設\o"大慶"大慶至\o"秦皇島"秦皇島全長1，152公里的輸油管道，僅用了23個月的時間，而若要建設一條同樣運輸量的鐵路，至少需要3年時間，特別是地質地貌條件和氣候條件相對較差，大規(guī)模修建鐵路難度將更大，\o"周期"周期將更長，統(tǒng)計資料表明，管道建設費用比鐵路低60%左右。并且運輸管道通常埋于地下，其占用的\o"土地"土地很少，運輸管道埋藏于地下的部分占管道總長度的95%以上，因而對于土地的永久性占用很少。③安全可靠，保質，無污染，能耗小，成本低；由于石油天然氣易燃、易爆、易揮發(fā)，容易對周邊環(huán)境影響較大，而管道運輸全程都是封閉環(huán)境，不僅減少油氣資源的損耗，保證油氣質量，還減少了由于泄漏造成的對空氣、水和土壤的污染；管道運輸是連續(xù)運輸的類型，不存在空載行程，系統(tǒng)的運輸效率高，理論分析和實踐經驗已證明，管道口徑越大，運輸距離越遠，運輸量越大，運輸成本就越低。④受氣候影響?。捍蟛糠诌\輸管道埋藏于地下，不受氣候影響，且由于管道壁較厚，地上部分受惡劣氣候影響的程度也較小，可以確保運輸系統(tǒng)長期穩(wěn)定地運行。我國的油氣資源大部分分布在東北和西北地區(qū)，而消費市場絕大部分在東南沿海和中南部的大中城市等人口密集地區(qū)，這種產銷市場的嚴重分離使油氣產品的輸送成為油氣資源開發(fā)和利用的最大障礙。管輸是突破這一障礙的最佳手段，與鐵路運輸相比，其建設投資為鐵路的一半，運輸成本更只有三分之一。管道運輸是運量大、安全性更高、更經濟的油氣產品輸送方式。20世紀50年代以前，我國天然氣與管道建設基本屬于空白。建國后，隨著四川盆地天然氣開發(fā)利用步伐加快，我國管道建設開始起步。20世紀70年代，東北、華北、西北地區(qū)相繼開發(fā)諸多大型油田，原油外輸管道進入規(guī)?；ㄔO階段。進入20世紀90年代，在“穩(wěn)定東部、發(fā)展西部”戰(zhàn)略實施過程中，鄂爾多斯、塔里木盆地油氣勘探相繼取得重大發(fā)現(xiàn)，中國油氣管道進入嶄新的發(fā)展階段。與此同時，隨著國民經濟實力增強，我國東部地區(qū)對天然氣需求日趨旺盛，陜京管道、西氣東輸管道等新的能源動脈建設由此提上日程。2004年12月，西氣東輸管道全線正式商業(yè)運營。2002年10月投產的蘭成渝管道，對緩解蘭州成品油外運壓力、保障西南地區(qū)油品供應發(fā)揮了重要作用。2005年7月底提前建成投產的陜京二線工程被譽為“綠色奧運信譽工程”。四穿長江，橫跨渝東山區(qū)的忠武管道實現(xiàn)了“川氣出川”的愿望。澀寧蘭管線、金壇儲氣庫等重點項目，為安全穩(wěn)定供氣奠定了基礎。2006年9月和2007年8月投產的西部成品油管道及原油管道，把新疆、甘肅和東部、西南地區(qū)的輸油管道及石化企業(yè)連接起來。國內首條引進境外天然氣的大型管道工程——中亞管道和西氣東輸二線，以及將成為中國最長成品油管線的蘭鄭長管道等項目的建設正如火如荼。中國當前已經建成了一批油氣管道，包括中石油、中石化、中海油在內，目前中國國內管道總里程已經建成了6萬公里[[]楊敏.中國石油天然氣管道局原局長蘇士峰：2020年中國油氣管道有望達15萬公里.第一財經日報，2009，3，11，A10.]，是1978年的6.6倍，其中原油管道是1.[]楊敏.中國石油天然氣管道局原局長蘇士峰：2020年中國油氣管道有望達15萬公里.第一財經日報，2009，3，11，A10.下面介紹我國各類油氣管道的技術現(xiàn)狀[[]宋艾玲，梁光川，王文耀.世界油氣管道現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.油氣儲運，[]宋艾玲，梁光川，王文耀.世界油氣管道現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.油氣儲運，25(10).=1\*GB3①油管道現(xiàn)狀“九五”期間建成的庫爾勒至鄯善輸油管道代表了我國原油管道的技術現(xiàn)狀，該管道全長475km，管徑為610mm，設計輸量為500×104～1000×104t/a。其技術特點為，采用APIX65等級鋼材；設計采用加降凝劑常溫輸送工藝；管道自動化控制技術采用SCADA系統(tǒng);合理設置減壓站以解決大落差問題；綜合能耗為176kJ/(t·km)，用人指標僅為0.18人/km。②成品油管道現(xiàn)狀代表我國成品油管道目前最高水平的蘭成渝管道全長為1247km，管徑分別為508、457和323mm，建有泵站4座,設計壓力為10MPa，設計輸量為500×104t/a，全線采用密閉順序輸送工藝，沿途設13個分輸點，輸送90號汽油、93號汽油和0號柴油。其技術特點為，設計壓力高，站間距長；全線共建隧道27條(總長22.6km)；油品界面檢測、跟蹤采用密度法、超聲法和計算跟蹤。③天然氣管道現(xiàn)狀[[][]李影，李國義，馬文鑫.我國油氣管道建設現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.中國西部科技，2009，5(中旬)，175.西氣東輸代表了目前我國天然氣管道工程的最高水平。西氣東輸管道設計輸量為120×10m/a；管道全長3898.5km；管徑1016mm；設計壓力10MPa；管道鋼級L485（X70）；全線共設工藝站場35座，線路閥室137座，壓氣站10座。1.3設備系統(tǒng)的故障耦合作用現(xiàn)代設備越來越自動化、智能化，系統(tǒng)規(guī)模逐漸增大，其內部各個子系統(tǒng)/部件之間的故障耦合作用也越來越復雜。要利用現(xiàn)今的一些檢測、診斷、維修手段對其進行有效的控制也越來越難。近年來在國內外，由于故障的耦合作用一些復雜系統(tǒng)一再出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象（如交通系統(tǒng)癱瘓、煤礦事故、化工裝置爆炸、海洋鉆井平臺倒塌、航天飛機失事等），對人民的生活、生命財產以及自然環(huán)境都造成了一些或多或少的影響。如1986年1月28日發(fā)射的“挑戰(zhàn)者”號航天飛機，由于右側助推火箭密封裝置在設計上本身存在著一個小小的缺陷，造成助推火箭連接處的“O”形合成橡膠密封圈失去彈性，無法起到密封作用，并在火箭點火后受熱而發(fā)生了破裂，造成燃料外泄。之后從右面的固體火箭助推器的尾部安裝接頭處爆發(fā)出火焰，噴向外掛燃料箱，并導致外掛燃料箱破裂化為碎片。不到幾毫秒時間，成百噸的火箭燃料被引爆，接著根據計算機的指令，發(fā)動機自動關掉，“挑戰(zhàn)者”號失事?？梢姽收像詈献饔梦：乐?，是系統(tǒng)發(fā)生事故的終極原因。在油氣安全研究領域，隨著我國石油行業(yè)不斷發(fā)展，供油供氣規(guī)模日益擴大，新的生產技術不斷開發(fā)，新工藝、新材料、新設備不斷出現(xiàn)，工藝過程日趨復雜化、連續(xù)化、自動化，其潛在的危險性，以及事故帶來的損失也顯著增加。例如管道與動力機組是油氣儲運行業(yè)的生命線，在其功能與結構方面具有開放性、復雜性、非線性、涌現(xiàn)性以及脆性等特點，屬于復雜系統(tǒng)研究范疇。此類復雜設備系統(tǒng)通過各種介質（流體、電力、能量、信號）傳遞，將離散的設備裝置、零部件連接成一個相互關聯(lián)、高度耦合的復雜機械、電氣、水力系統(tǒng)網絡。在這種復雜設備網絡環(huán)境下，大多數單點故障都具有多重傳播路徑，任何一個局部細小的差錯會通過網絡進行傳播、擴散、積累和放大，從而釀成重大安全事故。據統(tǒng)計，以石油行業(yè)大型離心式壓縮機組系統(tǒng)為例，由故障耦合作用引發(fā)的安全事故主要存在以下特點：①轉子發(fā)生的事故最多。如葉片斷裂、圍帶斷裂、葉輪斷裂（甚至飛出）、斷軸等事故，此外轉子劇烈振動或竄動容易導致動靜碰摩、泄漏，并可能最終導致轉子斷裂、燃燒、中毒、灼傷、爆炸等事故。②相同事故接連不斷，甚至在同一臺設備上連續(xù)發(fā)生多次。如葉輪因設計缺陷和制造缺陷導致葉輪局部應力集中，極易發(fā)生疲勞斷裂。③處理措施不力。任何事故發(fā)生前都表現(xiàn)出一定的征兆，且離心式壓縮機組轉速高、功率大，如不及時采取積極有效措施，事故就不可避免。④經濟損失巨大。離心式壓縮機組發(fā)生事故必然導致停車停產，除直接造成重大的設備損失外，還造成巨大的停產經濟損失。如大化肥裝置停車一天，產值損失在200萬元以上?？梢?，設備最終發(fā)生事故的根源是早期單點故障（或外部干擾因素）在故障耦合作用下能量聚積，連鎖反應，最終導致安全事故，經濟損失嚴重。復雜系統(tǒng)固有的脆性特征[[]吳紅梅．復雜系統(tǒng)脆性理論及在煤礦事故系統(tǒng)中的應用：（碩士學位論文）．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008．[]吳紅梅．復雜系統(tǒng)脆性理論及在煤礦事故系統(tǒng)中的應用：（碩士學位論文）．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008．二、離心泵的結構、工作原理及主要故障形式2.1離心泵的基本構造及工作原理離心泵的種類很多，分類方法常見的有以下幾種方式：=1\*GB3①按葉輪吸入方式分：單吸式離心泵和雙吸式離心泵。=2\*GB3②按葉輪數目分：單級離心泵和多級離心泵。=3\*GB3③按葉輪結構分：敞開式葉輪離心泵、半開式葉輪離心泵和封閉式葉輪離心泵。=4\*GB3④按工作壓力分：低壓離心泵、中壓離心泵、高壓離心泵邊和立式離心泵。離心泵的基本構造是由六部分組成的，分別是葉輪、泵體、泵軸、軸承、密封環(huán)和填料函，如圖2-1。=1\*GB3①葉輪是離心泵的核心部分，它轉速高出力大，葉輪上的葉片又起到主要作用，葉輪在裝配前要通過靜平衡實驗。葉輪上的內外表面要求光滑，以減少水流的摩擦損失。=2\*GB3②泵體也稱泵殼，它是水泵的主體。起到支撐固定作用，并與安裝軸承的托架相連接。=3\*GB3③泵軸的作用是借聯(lián)軸器和電動機相連接，將電動機的轉距傳給葉輪，所以它是傳遞機械能的主要部件。=4\*GB3④軸承是套在泵軸上支撐泵軸的構件，有滾動軸承和滑動軸承兩種。滾動軸承使用牛油作為潤滑劑加油要適當一般為2/3～3/4的體積太多會發(fā)熱，太少又有響聲并發(fā)熱?；瑒虞S承使用的是透明油作潤滑劑的加油到油位線。太多油要沿泵軸滲出并且漂賤，太少軸承又要過熱燒壞造成事故；在水泵運行過程中軸承的溫度最高在85度，一般運行在60度左右，如果高了就要查找原因（是否有雜質，油質是否發(fā)黑，是否進水）并及時處理。=5\*GB3⑤密封環(huán)又稱減漏環(huán)。葉輪進口與泵殼間的間隙過大會造成泵內高壓區(qū)的水經此間隙流向低壓區(qū)，影響泵的出水量，效率降低；間隙過小會造成葉輪與泵殼摩擦產生磨損。為了增加回流阻力減少內漏，延緩葉輪和泵殼的所使用壽命，在泵殼內緣和葉輪外援結合處裝有密封環(huán)，密封的間隙保持在0.25～1.10mm之間為宜。=6\*GB3⑥填料函主要由填料，水封環(huán)，填料筒，填料壓蓋，水封管組成。填料函的作用主要是為了封閉泵殼與泵軸之間的空隙，不讓泵內的水流不流到外面來也不讓外面的空氣進入到泵內，始終保持水泵內的真空。當泵軸與填料摩擦產生熱量就要靠水封管住水到水封圈內使填料冷卻，保持水泵的正常運行。所以在水泵的運行巡回檢查過程中對填料函的檢查是特別要注意。在運行600個小時左右就要對填料進行更換。圖2-1離心泵泵體簡圖1.泵體2.葉輪骨架3.葉輪4.泵體襯里5.泵蓋襯里6.泵蓋7.機封壓蓋8.靜環(huán)9.動環(huán)10.泵軸11.軸承體12.聯(lián)軸器2.2離心泵的工作原理離心泵的主要過流部件有吸水室、葉輪和壓水室。吸水室位于葉輪的進水口前面，起到把液體引向葉輪的作用；壓水室主要有螺旋形壓水室（蝸殼式）、導葉和空間導葉三種形式；葉輪是泵的最重要的工作元件，是過流部件的心臟，葉輪由蓋板和中間的葉片組成。離心泵工作前，先將泵內充滿液體，然后啟動離心泵，葉輪快速轉動，葉輪的葉片驅使液體轉動，液體轉動時依靠慣性向葉輪外緣流去。同時，葉輪從吸入室吸進液體，在這一過程中，葉輪中的液體繞流葉片，在繞流運動中液體作用一升力于葉片，反過來葉片以一個與此升力大小相等、方向相反的力作用于液體，這個力對液體做功，使液體得到能量而流出葉輪，這時液體的動能與壓能均增大。離心泵依靠旋轉葉輪對液體的作用把原動機的機械能傳遞給液體。由于離心泵的作用液體從葉輪進口流向出口的過程中，其速度能和壓力能都得到增加，被葉輪排出的液體經過壓出室，大部分速度能轉換成壓力能，然后沿排出管路輸送出去，這時，葉輪進口處因液體的排出而形成真空或低壓，吸水池中的液體在液面壓力（大氣壓）的作用下，被壓入葉輪的進口，于是，旋轉著的葉輪就連續(xù)不斷地吸入和排出液體，如圖2-2所示。圖2-2離心泵的工作原理圖2.2離心泵的性能參數及曲線（一）離心泵各性能參數的定義及計算（1）揚程泵的揚程是泵的出口與進口的單位機械能之差，是評判泵質量優(yōu)劣的重要技術指標[[]趙立新,李志斌,吳紫峰,等.壓差測量儀在水泵揚程測試中的應用.傳感器技術,2002,20(2):35-37.]，通常用符號H來表示，單位為米水柱，簡稱m(米)。對揚程的測量實際上就是對泵進口壓力和出口壓力的測量[[]陳乃祥,吳玉林.離心泵[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.][]趙立新,李志斌,吳紫峰,等.壓差測量儀在水泵揚程測試中的應用.傳感器技術,2002,20(2):35-37.[]陳乃祥,吳玉林.離心泵[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.式中：P2,P1-分別為泵出口和入口處的壓力，單位為Pa(帕)；z2,z1-分別為泵出口和入口測壓儀器到泵基準面的垂直距離，單位為m(米)；ρ-液體的密度，單位為kg/m3(千克每立方米)；g-重力加速度，對c級試驗取g=9.81m/s2(米每平方秒)；對B級試驗應采取當地的g值。ν2，ν1-分別為泵出口和入口處的水流速度，單位為m/s(米每秒)。（2）流量流量是泵在單位時間內所輸送的液體數量，是單位時間內流過管道某一截面的流體數量的大小[[]王玉昆,任曉力.水泵試驗與試驗裝置設計[]王玉昆,任曉力.水泵試驗與試驗裝置設計[M].北京:中國水利水電出版社,1998.式中：V-流體體積，單位為m3(立方米)；t-時間，單位為s(秒)。泵的大流量點指的是泵工作范圍內大于規(guī)定流量點的邊界點，小流量點指的是泵工作范圍內小于規(guī)定流量點的邊界點。（3）軸功率泵軸功率是指原動機傳送到泵軸上的功率，通常用Pa表示，單位為kw。軸功率的表達式為:Pa=Mn*10-3（2-3）式中：M-扭矩，單位為N·M(牛·米)；n-轉速，單位為r/min(轉每分)。（4）效率泵的效率是評判泵性能優(yōu)劣的一個重要技術指標，也是判定測試系統(tǒng)精度等級的重要依據。泵的有效功率亦即泵的輸出功率，它是表征泵內流體通過泵出口后實際得到的能量，即泵傳遞給流體的功率。其大小可根據泵的流量和揚程計算而得，計算公式為:Pc=（2-4）式中：ρ-液體的密度，單位為kg/m3(千克每立方米)；g-重力加速度，對c級試驗取g=9.8lm/s2(米每平方秒)；對B級試驗應采取當地的g值。Q—泵的流量，單位為m3/S(立方米每秒)；H—泵的揚程，單位為m(米)。泵的效率指泵的有效功率與軸功率之比值，用符號η表示，其計算公式為:η=(Pe/Pa)*100%（2-5）（5）汽蝕余量[[]曹愛紅[]曹愛紅.水泵綜合參數自動測試系統(tǒng)的研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2006.=1\*GB3①必需汽蝕余量(NPSH)r必需汽蝕余量(NPSH)r是指在規(guī)定的轉速和流量下必需的NPSH值，它由設計制造時給出。=2\*GB3②裝置汽蝕余量(NPSH)a裝置汽蝕余量(NPSH)a又稱為有效汽蝕余量，是指在泵的進口處單位重量的液體具有的超過汽化水頭壓力的富裕能量。裝置汽蝕余量是由吸入裝置提供的，隨著裝置參數的改變而變化，單位為m(米)，計算公式為:(NPSH)a=z1+Pb/(ρg)+P1/(ρg)+Pv/(ρg)+ν21/2g（2-6）式中：Pb-大氣壓力，單位為Pa(帕)；Pv-汽化壓力值，單位為Pa(帕)；Pl-泵入口處的壓力值，單位為Pa(帕)；ρ-液體的密度，單位為kg/m3(千克每立方米)；g-重力加速度，對c級試驗取g=9.81m/s2米每平方秒)；對B級試驗應采取當地的g值。ν1-泵入口處的水流速度，單位為m/s(米每秒)；zl-泵入口測壓儀器到泵基準面的垂直距離，單位為m(米)。=3\*GB3③臨界汽蝕余量(NPSH)c通過汽蝕試驗測得汽蝕余量臨界值，該臨界值是在給定的流量下，在第一級內引起第一級揚程或效率下降(2+K/2)%時的汽蝕余量值;或在給定的揚程下，在第一級內引起流量或效革下降(2+K/2)%時的汽蝕余量值。用符號(NPSH)c表示。其中k為型式數，計算公式為:k=2πnQ1/2/[60(gh)3/4]（2-7）式中：Qˊ-每一吸入口的體積流量，單位為m3/s(立方米每秒)；Hˊ-泵的單級揚程，單位為m(米)；g-重力加速度，對c級試驗取g=9.81m/s2(米每平方秒)；對B級試驗應采取當地的g值。n-轉速，單位為r/min(轉每分)。（6）換算為規(guī)定轉速下的性能當用電動機帶動泵試驗時，試驗轉速n隨負載不同而變化，在與規(guī)定轉速nsp相偏離的轉速下得到的所有試驗數據均應換算為以規(guī)定轉速nsp為基準的數據[[]曹愛紅.水泵綜合參數自動測試系統(tǒng)的研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2006.][]曹愛紅.水泵綜合參數自動測試系統(tǒng)的研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2006.[]彭利國.船用離心泵監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].武漢理工大學,2009.QT=Q*nsp/n（2-8）HT=H*(nsp/n)2（2-9）PT=P*(nsp/n)*ρsp/ρ（2-10）ηT=η（2-11）(NPSH)T=(NPSH)*(nsp/n)2（2-12）式中:QT、HT、PT、ηT、(NPSH)T-換算到規(guī)定轉速下的性能數據；ρsp-規(guī)定液體的密度；ρ-試驗液體的密度。（二）離心泵重要性能曲線水泵的性能參數如流量Q、揚程H、軸功率N、轉速n和效率η之間存在的一定關系。他們之間量值變化關系用曲線來表示，這種曲線就稱為水泵性能曲線-水泵性能參數之間的相互變化關系及相互制約性。

水泵性能曲線主要有三條曲線：流量—揚程曲線、流量—功率曲線和流量—效率曲線。（1）流量—揚程特性曲線它是離心泵的基本的性能曲線。比轉速小于80的離心泵具有上升和下降的特點（既中間凸起，兩邊下彎）稱駝峰性能曲線。比轉速在80～150之間的離心泵具有平坦的性能曲線。比轉數在150以上的離心泵具有陡降性能曲線。一般的說，當流量小時，揚程就高，隨著流量的增加揚程就逐漸下降。（2）流量—功率曲線軸功率是隨著流量而增加的，當流量Q=0時，相應的軸功率并不等于零，而為一定值（約正常運行的60%左右）。這個功率主要消耗于機械損失上。此時水泵里是充滿水的，如果長時間的運行，會導致泵內溫度不斷升高，泵殼，軸承會發(fā)熱，嚴重時可能使泵體熱力變形，我們稱為“悶水頭”，此時揚程為最大值，當出水閥逐漸打開時，流量就會逐漸增加，軸功率亦緩慢的增加。（3）流量—效率曲線它的曲線象山頭形狀，當流量為零時，效率也等于零，隨著流量的增大，效率也逐漸的增加，但增加到一定數值之后效率就下降了，效率有一個最高值，在最高效率點附近，效率都比較高，這個區(qū)域稱為高效率區(qū)。2.3離心泵常見故障分析（1）轉子不平衡故障轉子不平衡是由于轉子部件質量偏心或轉子部件出現(xiàn)缺損造成的故障,它是旋轉機械最常見的故障。通常設備的一個轉子是一根軸和多個輪盤組成的,每個輪盤都可能存在質量偏心,2個以上的輪盤可能將多質點的質量偏心合成一個或多個矢量,造成轉子的力不平衡型平衡類問題或造成偶不平衡型平衡類問題,以及力與偶復合型不平衡問題。（2）偏心轉子的故障偏心是指定子與轉子之間不同心的一種故障。當旋轉泵有幾何偏心時,除會產生一階頻率振動外,還會由于流體不平衡造成葉輪葉片通過頻率倍頻的振動。由偏心造成的激振力與負荷有關,而與轉速沒有直接關系。因此,對偏心故障的診斷,一般需要改變負荷情況進行對比測試才能肯定。（3）轉子彎曲故障轉子彎曲故障多發(fā)生在設備較長時間停用后重新開機情況下,這多半是設備停用后產生了轉子彎曲的故障。轉子有永久性彎曲和暫時性彎曲2種情況。永久性彎曲是指轉子軸呈弓形,造成永久彎曲的原因有設計制造缺陷、長期停放方法不當、熱態(tài)停機時未及時盤車或涼水急冷所致；臨時性彎曲指可恢復的彎曲,造成臨時性彎曲的原因有預負荷過大、開機運行時暖機不充分、升速過快等致使轉子熱變形不均勻。轉子彎曲的振動特征類似動不平衡,時域波形為近似的等幅正弦波；振動以基頻為主,如果彎曲靠近聯(lián)軸節(jié),也可產生2倍頻率振動，類似于不對中,通常振幅穩(wěn)定，軸向和徑向均有很大的響應。（4）轉子不對中故障轉子不對中通常分為:角度不對中、平行不對中、復合不對中和軸承不對中。不對中既可產生徑向振動,又會產生軸向振動；既會造成臨近聯(lián)軸節(jié)處支承的振動,也會造成遠離聯(lián)軸節(jié)的自由端的振動。不對中易產生2倍頻率振動,嚴重的不對中有時會產生類似松動的高諧波振動。轉子不對中振動特征譜的特點:徑向振幅中的2倍頻振幅大；轉子軸向振幅超標2倍頻偏大主要是軸線平行偏移型不對中；1倍頻偏大主要是兩軸線夾角偏移型不對中)；聯(lián)軸節(jié)兩側的軸頸振動較大；轉子徑向振動、軸向振動隨負荷增大而增加。（5）轉子與定子摩擦故障轉子與定子摩擦又分為輕微摩擦和嚴重摩擦。輕微摩擦如:聯(lián)軸器罩磨軸；嚴重摩擦如:電動機轉子與定子接觸。轉子在轉動過程中與定子的摩擦會造成嚴重的設備故障。在摩擦過程中,轉子剛度發(fā)生改變從而改變轉子系統(tǒng)的固有頻率,可能造成系統(tǒng)共振。碰磨時振幅突然增大；頻譜成分較豐富,譜線密集,呈齒形分布,以1倍頻及其高次諧波為主,時域波形有削頂現(xiàn)象，嚴重時出現(xiàn)大量的亞諧波,并伴隨有噪音。而且摩擦會造成功耗上升和效率下降,同時局部會有溫升,因此工藝參數對轉子與定子摩擦的故障診斷非常重要。（6）滾動軸承的故障滾動軸承在運轉過程中可能會由于各種原因引起損壞,如裝配不當、潤滑不量、水分和異物侵入、腐蝕和過載等都會導致軸承過早損壞。即使在安裝、潤滑和使用維護都正常的情況下,經過一段時間運轉,軸承也會出現(xiàn)疲勞剝落和磨損而不能正常工作。滾動軸承的主要故障形式：疲勞剝落、磨損、塑性變形、銹蝕、斷裂、膠合、保持架損壞等。對滾動軸承進行故障診斷的實用方法是振動分析,振動信號的簡易診斷法有以下幾種:=1\*GB3①振幅值診斷法=2\*GB3②波形因數診斷法=3\*GB3③波峰因數診斷法=4\*GB3④峭度系數診斷法（7）轉子支承部件松動的故障轉子支承部件連接松動是指系統(tǒng)結合面存在間隙或連接剛度不足,造成機械阻尼偏低、機組運行振動過大的一種故障。支承系統(tǒng)結合面間隙過大,緊力不足,在外力或溫升作用下產生間隙，固定螺栓強度不足導致斷裂或缺乏防松措施造成部件松動，基礎施工質量欠佳等都是造成松動的常見原因。常見的機械松動有3種:結構框架或底座松動、軸承座松動、軸承等部件配合松動。（8）齒式聯(lián)軸器卡死的故障一般情況下,齒式聯(lián)軸器允許軸系存在一定的不對中,但不對中量超過聯(lián)軸器許用位移或聯(lián)軸器內零件潤滑不當,聯(lián)軸器便會處于卡死狀態(tài),使轉軸之間變?yōu)閯傂月?lián)接引起振動。（9）轉軸橫向裂紋的故障轉軸裂紋故障概率比其他故障小得多,但因能造成軸裂紋的因素有很多,如各種因素造成的應力集中、復雜的受力狀態(tài)、惡劣的工作條件及環(huán)境等等,而且裂紋對振動的響應不夠敏感,有可能發(fā)生斷軸事故,因此危害是很大的。橫向軸裂紋的振動帶有非線性性質,出現(xiàn)2倍、3倍等高倍分量，隨著裂紋擴展,剛度進一步下降,1倍、2倍等頻率幅值隨之增大[[]盧軍民[]盧軍民,劉照,荀杰.離心泵常見故障的診斷.煤礦機械,2007,28(6).三、故障診斷現(xiàn)狀及趨勢3.1故障診斷現(xiàn)狀故障診斷技術的開端是1971年美國麻省理工學院Beard提出的解析冗余方法。國內部分學者于20世紀80年代開始對故障診斷技術進行較深入的研究。經過20余年的研究與發(fā)展，雖然我國機械故障診斷研究成果比較多，但是故障診斷技術是一門綜合性學科，隨著模糊集理論、遺傳算法、支持向量機、專家系統(tǒng)、神經網絡技術和小波分析理論的發(fā)展以及測試技術、計算機技術和電子通訊技術等相關領域學科的進一步發(fā)展，設備故障診斷技術正朝著智能化方向發(fā)展。目前故障診斷技術由于根據系統(tǒng)采用的特征描述和決策方法的差異，形成了不同的診斷方法，主要是基于信號處理的方法、基于知識的方法（即智能故障診斷方法）[[]AndrewK.S.Jardine,DamingLin,DraganBanjevic.Areviewonmachinerydiagnosticsandprognosticsimplementingcondition-basedmaintenance[]AndrewK.S.Jardine,DamingLin,DraganBanjevic.Areviewonmachinerydiagnosticsandprognosticsimplementingcondition-basedmaintenance.MechanicalSystemsandSignalProcessing,2006(20):1483-1510.美國是在機械設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術方面最早開展研究的國家。1967年，美國海軍研究室（ONR）主持成立了美國機械故障預防小組（MFPG）。美國西屋公司（WHCC）從1976年開始從事旋轉機械故障診斷技術研究并在1990年開發(fā)了網絡化的汽輪發(fā)電機組智能化故障診斷系統(tǒng)，發(fā)揮了巨大的作用。美國本特利公司（BentlyNevada）開發(fā)了DM2000網絡系統(tǒng)，能對不同地區(qū)、不同企業(yè)多臺設備進行在線監(jiān)測和智能診斷。歐洲日本等發(fā)達國家在狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷某些方面也有著自己先進的技術。如丹麥的聲發(fā)射技術、挪威的船舶診斷技術、瑞典的SPM軸承監(jiān)測技術。日本依靠其國內科研機構及大型企業(yè)等的研究，在設備監(jiān)測與故障診斷發(fā)面也取得了突出的成就[[]ShuDawen[]ShuDawen,Xujichang.ApplicationandResearchofEquipmentFaultDiagnosisTechniqueinMiningMachineryinChina.JournalofKunmingUniversityofScienceandTechnology,1998,23(2):68-71.上世紀70年代末，我國一些高等院校與科研機構開始了相關方面的研究。經過30多年的發(fā)展，有關研究單位在故障診斷的理論研究、測試技術研究和監(jiān)測儀器研制方面，并開發(fā)出了相應的設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，取得了一定的成果，提高了我國設備監(jiān)測維護的水平。國內開發(fā)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)有：中國石油大學（北京）故障診斷試驗室開發(fā)的EDES-4診斷系統(tǒng)；哈爾濱工業(yè)大學等單位研制的3MD系統(tǒng)；西安交通大學故障監(jiān)測與診斷研究室的RMMDS系統(tǒng)；西安交通大學潤滑理論及軸承研究室的RB20-1系統(tǒng)；重慶太笛公司的CDMS系統(tǒng)；西北工業(yè)大學的MD3905系統(tǒng)；阿爾斯通——創(chuàng)為實公司S8000在線振動監(jiān)測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)采集機組振動信號并提供豐富的圖譜顯示機組振動狀態(tài)，并具備使用有效的故障診斷功能，在機械設備振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方面應用效果良好[[]胡萬明.氯氣離心式壓縮機振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷分析:(碩士學位論文[]胡萬明.氯氣離心式壓縮機振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷分析:(碩士學位論文）.杭州:浙江工業(yè)大學,2007.近年來，國外的研究主要集中在三個方面：故障診斷策略與模式的研究；智能診斷方法與技術的研究；故障特征分析與特征量的提取。國內研究的主要內容有：故障形成機理的研究（故障的生成、發(fā)生與發(fā)展規(guī)律），生產條件下信號的實時采集和全方位測試，小樣本信號處理，動態(tài)系統(tǒng)適用模型及參數估計，多變量非線性系統(tǒng)建模，系統(tǒng)知識獲取和機器自學習，系統(tǒng)綜合識別、遠程監(jiān)測和綜合診斷，產品故障診斷與CAD、CAM的集成一體化等。設備故障診斷技術不斷吸取現(xiàn)代科學技術發(fā)展的新成果，從理論到實際應用都有迅速的發(fā)展，至今已經發(fā)展為集數學、物理、力學、化學、電子技術、計算機技術、信息處理、人工智能等各種現(xiàn)代科學技術于一體的新興交叉學科。由于電子技術的突飛猛進，振動測試、分析和信號處理技術己成為轉動機械故障中的重要手段?？勺鳛闄C械設備狀態(tài)監(jiān)測和診斷的信息是多種多樣的，主要有：振動、聲音、變形、應力、裂紋、磨損、腐蝕、溫度、壓力、流量等多種參數[[]馮二浩,陸輝山,潘宏俠[]馮二浩,陸輝山,潘宏俠.柴油機故障診斷研究綜述[J].機械管理開發(fā),2010,2(4):109-111.[]車立志,徐文尚,劉倩婧.旋轉機械系統(tǒng)故障診斷發(fā)展綜述[J].礦山機械,2008,12:6-9.目前機械設備診斷的方法很多，有代表性的分類方法是將故障診斷方法分為三類：基于數學模型的方法、基于數據分析的方法和基于知識的方法[[[]王凱,[]王凱,張永祥,李軍.泵的故障診斷研究綜述[J].水泵技術,2007(l):1-5.（1）基于數學模型的方法基于數學模型的方法，是在獲得診斷對象數學模型的基礎上按一定的數學方法對被測信息進行處理診斷。主要通過重構被診斷過程的狀態(tài)或者參數估計，并構成包含各種故障信息的殘差序列，在此序列基礎上通過構造適當的模型并采用統(tǒng)計檢驗法，檢出故障并做進一步的分離、估計和決策。根據殘差產生的方式，基于數學模型的方法可以分為以下三類：l）狀態(tài)觀測法當故障與執(zhí)行器、傳感器密切相關時，基于狀態(tài)觀測法是一種有效的故障診斷方法。使用狀態(tài)觀測器（比如卡爾曼濾波器等）重構被控過程的狀態(tài)，與可測變量相比較構成殘差序列，通過統(tǒng)計檢驗對殘差進行分析，當殘差超過了設定的閾值就可以確認檢測到故障的發(fā)生[[]周東華,葉銀忠.現(xiàn)代故障診斷與容錯控制[M].北京:清華大學出版社,2000[]周東華,葉銀忠.現(xiàn)代故障診斷與容錯控制[M].北京:清華大學出版社,2000.[]RengaswamyR,DlnkarMylaraswamy,ArzenKEetal.Acomparisonofmodel-basedandneuralnetwork-baseddiagnosticmethods[J].EngineeringapplicationsofArtificialIntelligence,2001,14(16):805-818.[]JoaoF.Martins,VitorF.Pires,TitoAmaral.Inductionmotorfaultdetectionanddiagnosisusingacurrentstatespacepatternrecognition[J].PatternRecognitionLetters32(2011):321–328.2）參數估計法模型的參數和實際的物理對象存在復雜的聯(lián)系，故障通常會影響物理參數，而這種影響會反映到模型參數中，因為不是所有的物理運行參數都是直接可以測量的，所以可以通過估計模型的參數來計算物理運行參數。參數估計法通過建立故障與過程參數間的精確關系，根據參數變化的統(tǒng)計特性來檢測故障的發(fā)生，而后進行故障分離、估計和分類。這種方法要求模型參數和物理系數之間的關系必須是唯一的，而且是非常精確地被掌握，這是非常難以做到的。3）等價關系法該方法是要檢查系統(tǒng)數學模型和系統(tǒng)運行狀態(tài)的一致性。用廣義殘差方程來觀測系統(tǒng)的殘差，通過設計合適的傳遞函數，使得殘差與未知輸入（故障）解禍。當無故障時，未知輸入為零，系統(tǒng)的輸入輸出與系統(tǒng)數學模型一致，廣義殘差小于統(tǒng)計閾值。當故障發(fā)生時，系統(tǒng)的廣義殘差超出預設的統(tǒng)計閉值，由于傳遞函數已經對未知輸入進行了解藕，因此可以通過對殘差的分析來分離故障。文獻[[]ChiangLH,RuessellEL,BraatzRD.Faultdetectionanddiagnosisinindustrialsystems[M].S[]ChiangLH,RuessellEL,BraatzRD.Faultdetectionanddiagnosisinindustrialsystems[M].SpringerVerlagPress,2001.（2）基于數據分析的方法基于數據分析的方法，也稱為基于信號處理的方法[[]魏曉賓[]魏曉賓,馬小平,李亞朋.故障診斷技術綜述[J].煤礦機電,2009,1:63-65.l）傅立葉分析法以傅立葉變換為核心的方法在機械設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中發(fā)揮了巨大作用，這些處理方法主要包括：頻譜分析、相關分析、相干分析、傳遞函數分析、細化譜分析、時間序列分析、倒譜分析、包絡分析等等[[[]屈梁生,史東峰.全息譜十年:回顧與展望[J].振動、測試與診斷,1998,18(4):235-242.]]。這些方法對于旋轉機械來講可以起到比較有效的監(jiān)測作用，但對故障探測的靈敏度較差，提供的系統(tǒng)狀態(tài)信息量少。又由于振動信號的頻譜成分包含許多雜波成分，正確的故障判斷要求對設備在各種不同的正常運行狀態(tài)下的頻譜特征有充分的了解。因此該技術在實踐中只能應用頻譜特征己知的故障，對有限的故障進行分析和判斷，應用范圍較窄。豐田利夫指出有3%的設備在發(fā)生故障后，其振值不是變大而是變小，例如水泵就曾有過這樣的情況[[[]屈梁生,史東峰.全息譜十年:回顧與展望[J].振動、測試與診斷,1998,18(4):235-242.[]黃紹毅.在寶鋼診斷技術研討會上豐田利夫報告要點[J].設備管理與維修,2002,(l):48-49,56.2）小波分析法小波分析是20世紀80年代中期形成的一門新的數學理論，在信號處理、模式識別、圖像處理等領域有著廣泛的應用。它在時域和頻域同時具有良好的局部化性質，被譽為信號分析的顯微鏡[[]黃忠富.小波分析在離心泵汽蝕故障診斷中的應用研究[D].江蘇大學,2005.]。動態(tài)系統(tǒng)故障通常會導致系統(tǒng)的觀測信號發(fā)生突然性變化，利用連續(xù)小波分析檢測信號的奇異點，就可以檢測出系統(tǒng)故障。再利用小波分析提取故障的特征，就可以進行故障的辨識[[][]黃忠富.小波分析在離心泵汽蝕故障診斷中的應用研究[D].江蘇大學,2005.[]陳玉東,施頌椒,翁正新.動態(tài)系統(tǒng)的故障診斷方法綜述[J].化工自動化及儀表,2001,28(3):1-14.[]周小勇,葉銀忠.小波分析技術在故障診斷中的應用[J].上海海運學院學報,2001,22(3):117-119.3）獨立分量分析法近年來，獨立分量分析法已成功應用于諸如通訊、語音與圖像處理等領域。在其不斷完善和應用領域不斷擴大的過程中，其在機械設備故障診斷中的應用動向受到了關注。例如，Ympa在研究旋轉機械振動及聲混疊的基礎上，分別利用二階及高階盲源方法分離了機械振動源和聲源，并初步應用于工業(yè)泵故障診斷[[]YPmaA,LeshemA,DuinRPWetal.Blindseparationofrotatingmachinesources:bilinearformsandconvolutivemixers[J].Neurocomputing,2002,49(12):349-368.,[]YPmaA,TaxDMJ,DuinRPW.Robustmachinefaultdetectionwithindependentcomponentanalysisandsupportvectordescription[C][]YPmaA,LeshemA,DuinRPWetal.Blindseparationofrotatingmachinesources:bilinearformsandconvolutivemixers[J].Neurocomputing,2002,49(12):349-368.[]YPmaA,TaxDMJ,DuinRPW.Robustmachinefaultdetectionwithindependentcomponentanalysisandsupportvectordescription[C].The1999IEEESignalProcessingSocietyWorkshop(NNSP，99)Madison,Wisconsin,USA,Aug,1999.[]GelleG,ColasM,DelauayG.Blindsourcesseparationappliedtorotatingmachinesmonitoringbyacousticalandvibrationsanalysis[Jl.MechanicalSystemsandSignalProcessing,2000.[]趙沖沖.基于支持向量機的旋轉機械故障診斷[D].西北工業(yè)大學,2003.[]馮一長建.HMM動態(tài)模式識別理論、方法以及在旋轉機械故障診斷中的應用[D].浙江大學,2002.[]鄧曉剛,田學民.生產過程故障診斷方法研究現(xiàn)狀及展望[J].石油大學學報(自然科學版),2005,06:151-158.基于數據的分析法適用于信號量小的簡單系統(tǒng)。對于信號量大的復雜系統(tǒng)，由于對某些信號采取片面的趨向性分析，有可能因忽視對系統(tǒng)或設備的宏觀考慮而造成對整個系統(tǒng)工作狀態(tài)的錯誤判斷。尤其是當機械設備系統(tǒng)發(fā)生工作于原有數據訓練域以外過程狀態(tài)；過程物理條件的改變或者在制品改變；監(jiān)控過程儀表故障或者信號缺失等情況時，可能導致上述數據分析方法的失效。（3）基于知識的方法基于知識的故障診斷方法與基于信號的故障診斷方法類似，也不需要定量的數學模型。不同之處在于，它引入了診斷對象的許多信息，特別是可以充分利用專家診斷知識等。基于知識的故障診斷方法主要分為：基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法、基于模式識別的故障診斷方法、基于因果分析、模糊理論等案例推理的故障診斷方法、基于故障樹的故障診斷方法等以及上述各種方法的綜合方法。l）專家系統(tǒng)[[][]張雪江,何永勇,許飛云,鐘秉林,黃仁.汽輪發(fā)電機組故障診斷專家系統(tǒng)的研究[J].計算機工程與設計,1996,4(2):3-9.專家系統(tǒng)是典型的基于規(guī)則推論的方法。專家系統(tǒng)適用于推理思考而不是數據計算領域。在專家系統(tǒng)中計算機使用符號的、推理的、源于經驗的知識，運用像人一樣的思維。專家系統(tǒng)特別適合于解決兩類典型問題：第一類是組合問題。它可以立即將大多數“可能性”排除在外，集中力量注意那些比較有希望的“可能性”[[]吳今培[]吳今培,肖建華.智能故障診斷與專家系統(tǒng)[M].北京:科學出版社,1997.2）模式識別方法機械設備診斷本質與關鍵在于識別設備的狀態(tài)。只有弄清楚設備的有關狀態(tài)，才能知道有無故障，才能查明故障的位置與趨向，才能針對實際情況做出處理與決策。從這個角度理解，故障診斷可以看作一種模式分類和識別問題，目的是要識別出設備所處狀態(tài)。模式識別方法都是基于歷史數據有效性假設基礎上的，用于故障監(jiān)測與診斷的模式分類和識別方法主要有統(tǒng)計模式分類方法和神經網絡方法。統(tǒng)計模式識別方法在旋轉機械故障診斷中有著廣泛的應用，比如貝葉斯決策理論（BayesianDecisionTheory）。神經網絡技術憑借其良好的并行處理能力、自適應能力及聯(lián)想記憶能力解決了很多挑戰(zhàn)性的工程實際問題。神經網絡作為一種自適應的模式識別技術，并不需要預先給出有關模式的經驗知識和判別函數，它被一組數據訓練后，通過自身的學習機制自動形成所要求的從測量空間到決策空間的映射關系。網絡的特性由其拓撲結構、神經元特性、學習和訓練規(guī)則所決定。神經網絡已經被證明可以通過振動信號分析，實現(xiàn)機械設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。雖然神經網絡自身仍然有不少未解決的問題，但其已經在機械設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中得到了廣泛的應用。新的未知數據可以通過訓練好的神經網絡尋找到決策空間對應值，從而確定所對應的設備狀態(tài)，實現(xiàn)故障監(jiān)測與診斷[[]BaillieDC,MathewJ.Acomparisonofautoregressivemodelingtechniquesforfaultdiagnosisofrollingelementbearings[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing,1996,10(l):1-17.[]BaillieDC,MathewJ.Acomparisonofautoregressivemodelingtechniquesforfaultdiagnosisofrollingelementbearings[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing,1996,10(l):1-17.3）因果分析法因果分析法[[]VenkatasubramanianV,RengaswamyR,KavuriSNetal.AreviewofProcessfaultdetectionanddiagnosis(part11):qualitivemodelsandsearchstrategies[J].ComputersandChemicalEngineering,2003,27(3):313-326.[]VenkatasubramanianV,RengaswamyR,KavuriSNetal.AreviewofProcessfaultdetectionanddiagnosis(part11):qualitivemodelsandsearchstrategies[J].ComputersandChemicalEngineering,2003,27(3):313-326.4）模糊理論模糊理論是1965年Zadeh提出的，它是處理廣泛存在不精確、模糊事件的理論工具，為復雜系統(tǒng)的故障診斷提供了重要的理論方法[[]王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程[M].北京:清華大學出版社,2003.[]王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程[M].北京:清華大學出版社,2003.5）基于故障樹的分析方法故障樹分析法（FaultTreeanalysis）是1961年由貝爾電話實驗室的Watson和Mearns提出的，目前已廣泛應用于航空航天、核能、機械、化工等領域。故障樹是把各種失效模式用邏輯和與邏輯積的關系制成一個倒掛樹形關系線圖。把不希望發(fā)生的故障可能會產生的后果作為頂事件，然后層層剖析造成頂事件發(fā)生的中間事件及最基本事件（原因），將其邏輯關系用“或門”或“與門”等聯(lián)接起來，確定發(fā)生故障的各種組合，找出基本事件發(fā)生概率，計算出頂事件發(fā)生概率，找出糾正措施，從而提高設備的安全可靠性。文獻[[]IsermannR.Model-basedfaultdetectionanddiagnosismethods[C].ProceedingoftheAmericanControlConference,Seattle,Washington,June,1995.][]IsermannR.Model-basedfaultdetectionanddiagnosismethods[C].ProceedingoftheAmericanControlConference,Seattle,Washington,June,1995.6）基于潤滑油的光譜、鐵譜分析的診斷方法轉動設備在異常狀態(tài)下工作時，軸承、齒輪、連桿等摩擦副會有不同程度的磨損，金屬零件的磨損碎屑會在潤滑油中迅速增加，測定油中各種金屬元素的含量、磨粒大小和磨粒的分布狀況，就可以知道機器零部件的磨損程度，判斷機器工作是否正常。潤滑油的光譜分析有自動吸收光譜測定法和發(fā)射光譜測定法。這兩種方法都是利用元素原子在受激后吸收或放出能量，并產生特征波長的光，測定各元素特征波長的譜線和強度，就可以判斷某種元素的存在及其含量。潤滑油的鐵譜分析是利用潤滑油流過一塊具有極高磁場梯度的玻璃片，磨屑粒子就按其粒子大小在不同位置上沉積下來，也就是鐵粉記錄圖。在掃描電鏡或雙色顯微鏡下觀察，就可以詳細顯示出磨粒的尺寸、形狀和數量，由此可對潤滑部件的磨損情況做出評價。鐵譜分析較光譜分析所能測定的粒子尺寸范圍大，并能測定粒子的形狀和大小分布，在測定含鐵屑元素時比光譜分析更為敏感。7）基于噪聲分析的診斷方法離心泵在工作中像軸承、葉輪等零件均會發(fā)出包含各種頻率成分的噪聲，使用精密聲級計在適當部位進行探測，再對采集到的噪聲信號進行分析，可以診斷出這些零部件的故障狀態(tài)。在機械設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中，噪聲監(jiān)測也是最基本的監(jiān)測方法之一。噪聲監(jiān)測中的一項重要內容就是通過噪聲測量和分析來確定機器設備故障的部位和程度，因此首先必須找出產生噪聲的聲源，進而分析其頻率組成和各分量的變化情況，從而提取機器運行狀況的信息。噪聲識別的方法主要有以下幾種：（l）主觀評價和估計法——利用人耳的噪聲測量與鑒別能力，經過長期實踐鍛煉，主觀判別噪聲源的頻率和位置、是否正常，估計造成異常噪聲的零件及其原因；（2）近場測量法——用測量儀器在靠近機器的表面掃描，從指示值的大小來確定主噪聲源的位置；（3）表面振速測量法——測表面各點輻射聲能；（4）頻譜分析法——區(qū)別峰值頻率，識別主聲源；（5）聲強法——測噪聲發(fā)射概率。3.2故障診斷發(fā)展趨勢從發(fā)展趨勢看，近年在國內外研究的人不斷增多，研究的手段和方法也日新月異，七十年代以來，發(fā)展尤其迅速，與古老的啟蒙時期比較，在診斷方法上已經從用感官直接判斷進入到充分利用近代測試、監(jiān)控技術的階段。各種先進的技術在機械故障診斷中都找到了用武之地，例如，計算機模擬、動態(tài)信息處理、機械圖象分析、潤滑油樣分析，等等，已經形成了各具特色的流派和分支。從近期看，機械故障診斷的原理和方法將會在一些對機器故障十分敏感的領域，例如，飛機發(fā)動機、航天、化工機械，船舶發(fā)動機等方而首先得到應用，同時也將逐步推廣到其他一些機械行業(yè)。根據當前開展的情況，下面一些研究方向將會得到迅速發(fā)展。1）力在數理統(tǒng)計理論的指導下發(fā)展完善的判別方法，在一些關鍵機械設備上推廣故障樹分析技術，制訂合理的診斷程序。2）從時域和頻域兩個方面發(fā)展機械圖象分析技術和計算機信息處理，特別是機器振動和噪聲的分析；提高信噪比，改善對故障診斷的靈敏度和可靠性。3）機器故障的計算機模擬和模型分析方法。4）典型機器部件（軸承、齒輪箱、液壓系統(tǒng)等）的失效機理及其在二次信息中的反映。5）動發(fā)展復雜自動化機械系統(tǒng)的在線監(jiān)控、預警技術和人工智能、專家系統(tǒng)。6）發(fā)展和推廣先進的診斷方法和手段。例如，直接在液壓系統(tǒng)運行過程中在導管外壁采用測量流量的超聲流量計，聲發(fā)射技術，以及在滾動軸承運行中監(jiān)視的光纖傳感器件等。四、管道泄漏檢測方法綜述目前國內外發(fā)展了多種泄漏檢測方法，涉及多個學科的知識。每種檢漏方法的技術要素不同、實施手段不同，側重點不同就有不同的分類方法。本文從公認的軟件、硬件角度進行分類研究。基于硬件的泄漏檢測方法（1）人工巡線法這種方法利用人工對管道沿線進行巡查，通過看、聞的方式查看管道沿線是否有動土的痕跡、油污存在。這種方法比較簡單，對較大的泄漏識別準確率高，但這種方法的效果與巡線人的責任心、經驗有很大關系。這種方法無法實現(xiàn)海底管道的泄漏檢測、對諸如沙漠、沼澤等環(huán)境中的管道實施檢漏