滑油磨粒監(jiān)測系統(tǒng)在平臺發(fā)動機應(yīng)用研究

馮文奇 董寶柱 郭運校 楊 晨 王鄰睦

（中海油能源發(fā)展油建機械設(shè)備技術(shù)服務(wù)中心 天津）

一、概述

滑油系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著柴油機各部件之間的潤滑、冷卻、防銹、清潔、密封和緩沖等作用，其中一些精密配合部件之間，滑油起到關(guān)鍵性作用。由于柴油機內(nèi)部部件的相互摩擦，相互接觸金屬表面不同方式、不同速度的磨損，造成了滑油系統(tǒng)中存在不同尺寸和形貌的磨粒，這些滑油磨損微粒中攜帶著機械運轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量信息，研究滑油中磨損顆粒的尺寸和分布可以判斷機器磨損所處的階段；分析磨損顆粒的化學(xué)成分，有助于判斷磨損部件、故障的位置；觀察磨損顆粒的形貌，可以判斷磨損類型。因此，對油液中磨粒的在線監(jiān)測與分析是判定機械設(shè)備運行狀態(tài)，進(jìn)行故障診斷的重要而有效的方法。

二、滑油磨粒監(jiān)測技術(shù)

1.滑油磨粒監(jiān)測技術(shù)分類

現(xiàn)有的磨粒監(jiān)測技術(shù)按照其工作原理可分為光譜型、光學(xué)型、電磁型、導(dǎo)電型、微空阻尼型等。不同類型檢測技術(shù)特點應(yīng)用領(lǐng)域不同，其中光譜型及光學(xué)型檢測系統(tǒng)不適合應(yīng)用于在線檢測；導(dǎo)電型及微空阻尼型精度不夠高或系統(tǒng)復(fù)雜；目前應(yīng)用最廣泛安裝最便捷的滑油磨粒在線檢測系統(tǒng)主要為電磁型。其中電磁型中的磁塞技術(shù)應(yīng)用較廣泛，但不能進(jìn)行實時檢測，只能定期觀察磁塞中的金屬顆粒來判斷滑油的狀態(tài)；Metal SCAN系統(tǒng)（滑油磨粒在線監(jiān)測）不僅結(jié)合了磁塞技術(shù)便捷的特點，還加裝了實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以對滑油中鐵磁性和非鐵磁性金屬顆粒的尺寸和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，并對異常及危險狀況報警。

2.滑油磨粒在線監(jiān)測系統(tǒng)

滑油磨粒在線監(jiān)測，即Metal SCAN，是安裝在油路上的潤滑油磨粒實時監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是潤滑系統(tǒng)的在線傳感器。傳感器通過電纜連接到一個安裝在被監(jiān)測設(shè)備附近的控制單元上。設(shè)備現(xiàn)有的控制系統(tǒng)或單獨的監(jiān)控系統(tǒng)通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS232或RS422/485系列接口對Metal SCAN系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，顯示設(shè)備磨損數(shù)據(jù)和當(dāng)前系統(tǒng)狀況以及警告和報警，警示操作人員正在發(fā)展中的或者即將發(fā)生的機器失效。Metal SCAN能夠全液流在線100%地監(jiān)測大顆粒（10~100 μm），識別鐵磁性和非鐵磁性顆粒，同時可統(tǒng)計出各個尺寸范圍內(nèi)的顆粒數(shù)量和質(zhì)量，根據(jù)累積數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析。

警告和報警限值在Metal SCAN系統(tǒng)中由可編程序控制，并可根據(jù)被監(jiān)測的設(shè)備部件狀況進(jìn)行改變。當(dāng)系統(tǒng)探測到反常的金屬磨粒數(shù)量時，將發(fā)送一個警告信號給操作人員。報警限值設(shè)定為需要對設(shè)備停機進(jìn)行詳細(xì)地檢測和維修的時間。傳感器提供軸承和齒輪損傷的早期報警，減少非計劃損耗的發(fā)生。系統(tǒng)監(jiān)控軟件可對油路中的金屬磨粒進(jìn)行計數(shù)，確定尺寸和分級，統(tǒng)計出變化趨勢。

三、滑油磨粒在線監(jiān)測技術(shù)在海洋平臺上的應(yīng)用意義

1.實時預(yù)警

海上平臺油液檢測的常用方法是在平臺采樣后送回陸上委托機構(gòu)送檢測機構(gòu)檢測，檢測結(jié)果再傳送回平臺。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示：50%的離線分析油樣沒有發(fā)現(xiàn)問題，45%的油樣顯示失效即將發(fā)生，僅有5%檢測出嚴(yán)重問題。以某平臺一發(fā)電機組油液采檢測為例，從油樣采集檢測結(jié)果返回整套流程來共用時9天，期間機組已運行216 h，所以現(xiàn)有的滑油檢測方式不能對磨粒狀況做出及時預(yù)警，易造成設(shè)備得不到報警而造成磨損迅速發(fā)展直至機構(gòu)失效。

Metal SCAN直接安裝在油路中，可在線工作，連續(xù)監(jiān)測機器磨損。當(dāng)油流過傳感器時，金屬顆粒即被分類、測定尺寸和計數(shù)。連續(xù)、實時在線監(jiān)測油液系統(tǒng)中磨損顆粒數(shù)量、尺寸和總質(zhì)量；監(jiān)測油液系統(tǒng)中磨損顆粒產(chǎn)生的速率，可建立設(shè)備健康指標(biāo)和預(yù)報界限值的對應(yīng)關(guān)系，這些數(shù)據(jù)可立即顯示給技術(shù)人員。當(dāng)總顆粒數(shù)或總質(zhì)量達(dá)到即將發(fā)生失效的界限時，Metal SCAN向操作人員發(fā)出報警信號，并提供詳細(xì)的顆粒尺寸分布及顆粒產(chǎn)生速率等信息，從而達(dá)到預(yù)警效果。

2.靈敏可靠

某平臺主機因滑油臟污，大量的磨損微粒進(jìn)入連桿軸瓦導(dǎo)致連桿抱死、彎曲進(jìn)而致使彎曲的連桿打碎機體，維修過程除了機體修復(fù)等工作還要將連桿、6 m曲軸換新，造成的直接經(jīng)濟損失只維修費用就需要500多萬元，加上部件換新至少高達(dá)上千萬元。并且維修后，由于與原機匹配度等等因素機組已不能在高負(fù)荷下運行，只能在中低負(fù)荷下維持運行。如果安裝滑油磨粒在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠得到良好的預(yù)警效果，以很小的成本避免極大的損失。并且Metal SCAN在線監(jiān)測技術(shù)可以多個監(jiān)測端共用一控制系統(tǒng)，有效地節(jié)省監(jiān)測成本。

Metal SCAN的可靠性源于其結(jié)構(gòu)簡單及免于維修的設(shè)計。傳感元件包括3個線圈，繞在非導(dǎo)電的管子上，兩個磁場線圈由交流電驅(qū)動，在傳感線圈中產(chǎn)生相反磁場。當(dāng)油液通過此截面時，油中金屬顆粒產(chǎn)生的磁場擾動能夠被準(zhǔn)確識別并在中心傳感線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。與傳統(tǒng)的金屬監(jiān)測系統(tǒng)不同，Metal SCAN不需要清洗，而且不會由于金屬纖維的堆積而出現(xiàn)誤報警。

3.安裝簡便

Metal SCAN傳感器有適用于標(biāo)準(zhǔn)管路的型號尺寸，范圍從3/8英寸(9.5 mm)到1.25英寸(31.75 mm)。使用標(biāo)準(zhǔn)接頭很容易安裝在剛性或軟管油路中，安裝傳感器后不會造成額外的壓力損失。

系統(tǒng)帶有基于DSP的信號處理模塊，安裝在堅固的外殼中，以抗電磁干擾及外界侵蝕。模塊能夠處理多達(dá)6個傳感器傳輸來的原始信號，從中提取有關(guān)所監(jiān)測的金屬磨粒的尺寸和類型（鐵磁的或非鐵磁的）信息，并將這些信息通過RS232或RS422/485接口和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行通訊協(xié)議傳輸給機器控制系統(tǒng)。Metal SCAN不需要在機器控制室安裝額外的顯示儀表板或讀出裝置。

四、滑油磨粒在線檢測技術(shù)在平臺發(fā)動機的應(yīng)用方式

通過對平臺發(fā)動機工作現(xiàn)場的調(diào)研，結(jié)合Metal SCAN系統(tǒng)各組成單元所要求的工作條件，以滑油取樣位置的不同就系統(tǒng)現(xiàn)場安裝方案進(jìn)行分析對比。

（1）取樣裝置安裝于油底殼內(nèi)，直接對活塞連桿潤滑后的油進(jìn)行在線監(jiān)測。優(yōu)點是監(jiān)測最直接也最有針對性。缺點：①曲軸箱內(nèi)部空間狹小，而且曲軸為旋轉(zhuǎn)部件，安裝滑油回收裝置比較困難；②需要安裝至少9個滑油接收裝置才能對所有軸承滑油進(jìn)行監(jiān)測；③為了導(dǎo)出滑油，需要對曲軸箱端蓋打孔。

（2）從主滑油道取樣進(jìn)行在線監(jiān)測。優(yōu)點是主滑油道有預(yù)留油孔，取油方便。缺點：①需要在油底殼盲板處打孔作為回油口；②會分掉部分主油道壓力，影響主機滑油系統(tǒng)壓力。

（3）從增壓器回油管處取樣進(jìn)行在線監(jiān)測。優(yōu)點是可直接檢測增壓器磨損狀態(tài)。缺點是需要對增壓器滑油回油管開孔，由于增壓器回油管線是特殊合金制作，開孔后不易焊接，影響主機運行。

（4）從滑油分油機管路取樣進(jìn)行在線監(jiān)測，見圖1。優(yōu)點：①此路滑油直接從油底殼取油經(jīng)滑油分油機后又進(jìn)油底殼，相當(dāng)于直接監(jiān)測油底殼內(nèi)滑油狀態(tài)；②不在主機滑油系統(tǒng)進(jìn)行改造，不會對主機運行產(chǎn)生任何影響；③有改造以及控制箱安裝空間，方便改造。

圖1 滑油分油機管路取樣在線監(jiān)測示意圖

根據(jù)分析對比可知，從滑油分油機管路取樣進(jìn)行在線監(jiān)測，是平臺發(fā)動機Metal SCAN技術(shù)應(yīng)用最適宜安裝的方式。