大型旋轉機械狀態監測技術與工程應用分析

鄧震宇 李成偉 于寶全 馬建和

(1.中沙(天津)石化有限公司，天津 300271；2.天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津 300072)

大型旋轉機械是基礎工業的核心設備，基于這些大型機械的重要性，一旦故障可能會導致機組非計劃停機或企業非計劃停產等事故發生，進而導致嚴重的經濟損失和環境影響。通過對旋轉機械運行狀況的監測，可以合理化制定維護策略，減少或降低突發性事故發生的概率，避免重大經濟損失、人員傷害和環境污染事故的發生，提高設備的安全性與可靠性。筆者以某大型中外合資石化企業的S8000系統為例，對大型旋轉機械狀態監測系統的技術原理與工程應用加以分析，為大型旋轉機械狀態監測系統的設計、選型和使用維護提供借鑒。

1 旋轉機械狀態監測系統結構①

1.1 數據采集系統

數據采集系統主要由探頭、延伸電纜及前置器等組成。用于距離測量的傳感器有磁電式、電容式、光纖式及電渦流式等[1]。其中電渦流傳感器可以靜態或動態地測量被測金屬導體表面與電渦流探頭之間的距離，是一種非接觸式的線性化測量儀器，具有結構簡單、不受油污影響及穩定性高等特點[2]，在石化及冶金等行業的旋轉機械在線監測中廣泛使用。傳感器探頭和前置器之間通過延伸電纜進行連接，同時可匹配系統阻抗確保測量精度；前置器為探頭提供高頻電流信號，并將采集到的信號進行檢波、濾波及溫度補償等處理后傳輸至數據處理系統。

1.2 數據處理系統

數據處理系統大多采用卡片式服務器形式安裝于控制室機柜內，S8000的數據處理系統為現場數據監測器NET8000。現場信號進入NET8000后，原始的振動和位移信號經濾波及采樣等處理后轉換為相應的軸心軌跡圖、振動趨勢圖及極坐標圖等專業頻譜圖。NET8000的技術參數[3]：每臺NET8000支持4路鍵相信號、24路振動信號、12路通過硬接線得到的位移、溫度和壓力信號與255路通信信號的采集；應用多種軟件技術，如數字預測倍頻技術、軟件修正技術及鍵相無鍵采集技術等；采用多通道高速并行同步整周期數據采集技術和基于靈敏監測的數據采集技術；每路ADC具有16位精度，最高可配置2.2Mbit/s采樣頻率，分析譜線數可達3 200線，精度誤差小于0.1%，轉數相對誤差小于1.0%。

1.3 數據存儲與發布系統

數據存儲與發布系統由服務器和應用軟件構成，是狀態監測系統的核心單元，負責實時數據的存儲、網絡傳輸及Web發布等。服務器硬件采用磁盤陣列(RAID)模式，如有條件可配置雙機冗余熱備；數據庫建議使用Microsoft SQL Server系列或其他安全性較高的數據庫平臺，以確保存儲數據的安全可靠。

S8000數據存儲與發布系統為中心服務器Web8000，現場數據經過NET8000處理后，經網線或光纖傳輸到中心服務器。Web8000內置有專用數據管理及分析診斷等軟件，可滿足數據分析及遠程診斷等功能的需要，并可進行長周期數據存儲和管理。S8000系統架構如圖1所示。

圖1 S8000系統架構示意圖

2 電渦流傳感器工作原理

電渦流傳感器的工作原理是法拉第電磁感應定律，當通過閉合回路的磁通量φ發生變化時，回路中就會產生感應電流。由于這種感應電流呈旋渦狀，又稱為電渦流或渦電流[4]。前置器通電后會產生一個高頻信號，高頻信號傳輸到電渦流探頭，并在探頭周圍產生交變磁場H1，該磁場強度隨電流強度而變化。如果在有效測量范圍內存在滿足條件的金屬導體，根據法拉第電磁感應定律，在金屬導體上會產生一個阻礙H1變化的磁場H2，該磁場將阻礙原磁場H1磁通量的變化。由于H2的阻礙作用隨探頭與金屬導體之間的距離而不同，探頭頭部線圈的阻抗及感抗等就會因H2的影響而改變。這種變化不僅與電渦流效應有關，還與被測金屬材料的電導率、磁導率、線圈自身參數、表面粗糙度、幾何尺寸、激勵電流大小以及線圈距金屬導體之間的距離等參數有關[5]。

2.1 電渦流傳感器等效電路分析

電渦流傳感器的等效電路如圖2所示。

圖2 電渦流傳感器等效電路

設傳感器探頭線圈電阻為R1，電感為L1，角頻率為ω，無被測金屬靠近時其阻抗為：

Z0=R1+jωL1

(1)

圖中R2和L2為被測金屬導體的電阻和電感，U0為高頻激勵電壓。當被測金屬導體靠近時，探頭線圈與被測金屬導體之間便產生互感，互感系數M根據距離d的不同而變化。根據克希霍夫電壓(KVL)定律，可得：

(2)

通過式(2)可以計算出探頭線圈受被測金屬導體影響后的原邊回路電流I1為：

(3)

探頭線圈受被測金屬導體影響后，等效阻抗Z為：

(4)

等效電阻R和電感L為：

(5)

探頭線圈不受影響時的品質因數Q為：

(6)

2.2 前置器信號輸出

當探頭與被測金屬導體之間的距離d變化時，互感M相應改變，導致線圈的阻抗Z、感抗L和品質因數Q都將隨之發生改變。當被測金屬導體的電導率、磁導率、被測物體厚度、線圈激勵電流及線圈特性等參數都為恒定值時，阻抗Z、感抗L或品質因數Q即為距離d的單一函數。使用調頻或調幅電路將阻抗Z、感抗L或品質因數Q的任一變化轉換為電壓或電流輸出，即可測得距離d的大小。

圖3為前置器輸出電壓特性曲線。傳感器系統只有在d1～d2范圍內呈線性，因此探頭多選擇安裝在線性中點d0處作為其靜態位置，以獲得最佳線性度。以國內、外石化行業廣泛使用的美國Bently公司電渦流探頭為例，Bently電渦流探頭的5.00mm或8.00mm探頭的線性中點間隙電壓為-10V，精度為7.87mV/μm(200.00mV/mil(1mil=0.025 4mm))，計算可得線性中點位置距被測金屬導體約1.27mm。

圖3 前置器輸出電壓特性曲線

3 旋轉機械狀態監測系統的應用

旋轉機械狀態監測系統的主要用途是為預防性、預測性維護和事后故障診斷提供詳實的數據支持，以便優化維修計劃、降低故障損失并方便查找故障原因等。

以可靠性工程中典型的產品故障率浴盆曲線(圖4)為例，大部分設備的故障率可分為3個階段：早期故障期、偶然故障期和耗損故障期[6]。

圖4 產品故障率浴盆曲線

早期故障期的故障率較高，但多為設計及制造等原因所致，可以通過環境應力篩選等加以控制。

耗損故障期是指設備長時間運行后，因疲勞、老化、腐蝕或磨損等原因造成設備故障率增高直至最后報廢[6]。當通過試驗獲得耗損故障區的起始點后，可在耗損起始點到來之前停止使用或進行預防性維護來延長設備的使用壽命，使設備盡可能向理想曲線發展。

而旋轉機械狀態監測系統重點關注的是設備在偶然故障期內的運行狀況，結合數據分析和預防性維護使設備的耗損故障期盡可能延后[6]。

在乙烯及煉油等石化行業中，大型旋轉機械狀態監測系統可監測振動、位移、偏心及相位等參數的實時數據，其結果可為軸系碰摩、轉子機械損傷、轉子不平衡及油膜渦動等典型故障提供數據支持。筆者以工程中常見的軸系碰摩故障和轉子機械損傷故障為例進行應用技術說明。

3.1 軸系碰摩故障

由于轉子質量不平衡、不對中及熱彎曲等原因，可能產生轉子與靜子的軸系碰摩情況。這種摩擦又會造成轉子的熱不穩定，進一步加劇轉子的熱彎曲[7]，反過來促使摩擦加劇造成振動和位移值升高，因此觸發導致非計劃停機事件。

3.1.1碰摩分類與特點

軸系碰摩可分為局部碰摩和全周期碰摩：

a. 局部碰摩。當碰摩為單點局部接觸時，轉子軸心軌跡可為內八字形狀；當碰摩為多點局部接觸時，軸心軌跡會出現許多小圓圈而使軌跡類似花瓣形狀。但是當碰摩能量并不大時，軸心軌跡也可能仍為圓形或橢圓形，此時要參考軸心軌跡、振動幅值、振動頻譜和是否出現反進動來進行綜合判斷。

b. 全周期碰摩。全周期碰摩時軸心軌跡仍為圓形或橢圓形，但通常出現反進動情況，通過振動波形圖可以看到振幅顯著升高并產生削波現象。所謂削波是指在基頻信號上疊加了不同頻率的高頻信號，使得振動波形峰值被削去的現象[8]。

3.1.2故障現象與原因分析

某廠多級壓縮機在一次啟動時，軸承各測點振動值同時增大，最終觸發聯鎖停機。在重啟過程中，機組幾次在2 000r/min左右停留時，均因振動值急劇上升而導致聯鎖停機。

通過觀察分析S8000提純和一倍頻的軸心軌跡圖，可初步判斷轉子是否出現碰摩。當磨損較嚴重使得軸承間隙或油膜剛度存在方向上的較大差異時，該不平衡量將引起一個弓狀回轉渦動的一倍頻振動，此時一倍頻的軸心軌跡就會變成一個很扁的橢圓形[9]。圖5所示為機組低壓缸軸承測點提純軸心軌跡圖，可以看到該組測點的軸心軌跡已經形成了一個很扁的橢圓形并出現了反進動，表明轉子發生了碰摩情況。同時對比其振動趨勢圖(圖6)，頻譜中工頻占主要成分且幅值異常大，波峰和波谷均出現了削波現象，再次驗證了機組轉子已經發生了接觸摩擦。

圖5 機組低壓缸軸承測點提純軸心軌跡

圖6 機組低壓缸軸承測點振動趨勢

結合監測數據和技術分析，2 000r/min處于壓縮機低壓缸的一階臨界轉速附近，機組在此停留時間過長導致低壓缸發生劇烈振動。同時該轉速也是高壓缸的半臨界轉速，因此轉子系統的二倍諧波引起了高壓缸的共振，導致高壓缸轉子也發生劇烈振動，強大的振動引起缸體內部發生轉軸全周期碰摩進而引發聯鎖停機。該次故障最終導致機組檢修和裝置非計劃停產，造成了較嚴重的經濟損失。

3.2 轉子機械損傷故障

大型機組的檢修周期為3～5年，在此期間通常不會對機組進行長時間停機維護。因此在檢修或安裝過程中，如果對轉軸造成了某些物理損傷且沒有及時發現，此故障可能會連續存在幾年直至下一檢修周期，嚴重時會使機組無法正常投用。

某裝置核心壓縮機組在檢修后發現，軸系同一測點兩個振動值均超過報警值。由于該監測值已非常接近聯鎖停機值，一旦出現干擾或偏差很有可能導致機組非計劃停機。為確保機組的連續穩定運行，工廠被迫摘除該振動聯鎖，而聯鎖摘除意味著該組振動信號無法對機組進行實時有效的監控和保護。經技術分析，如果因機組異常導致軸系振動升高，則轉軸其他監測點應同時變化；如果是測量回路或回路中儀表元件發生故障，則兩個回路同時故障屬小概率事件。經核對S8000監測數據，機組其他各測點的振動頻譜圖及軸心軌跡圖等均無異常變化。進一步分析波形頻譜圖發現，這組測點在每個旋轉周期均產生一次尖峰信號，正是由于尖峰信號導致了該點振動值的升高，并且尖峰信號每周都出現在固定位置，即同一個采樣點上，如圖7所示。

圖7 軸系劃痕波形

據此分析機械轉軸可能出現了某些機械損傷，且損傷部位正好處于振動探頭的測量范圍之內。經機組解體檢查確認，在該機組振動探頭監測位置，有一個月牙形的物理凹痕，由于凹痕的存在導致測得的振動值超標。

4 結束語

筆者分析介紹了旋轉機械狀態監測系統的工作原理和應用技術，并以石化行業廣泛使用的S8000系統為例對大型旋轉機械狀態監測系統的典型案例進行了工程應用分析，為狀態監測系統的選型、使用及旋轉機械的預防性維護和故障分析等提供了實踐參考。

[1] 歐陽濤.旋轉葉片震動性能參數測試技術研究[D].天津:天津大學,2008.

[2] 文丹.基于虛擬儀器的電渦流測距儀的研究[D].武漢:華中科技大學,2009.

[3] 馬芙蓉.大型機械設備在線監測系統的研究[D].天津:天津大學,2010.

[4] 司倩倩.電渦流傳感器穩定性評價與實驗研究[D].北京:北京化工大學,2011.

[5] 李君.渦流檢測技術在化工設備檢測中的應用[D].大連:大連理工大學,2009.

[6] 李良巧.可靠性工程師手冊[M].北京:中國人民大學出版社,2012:18～20.

[7] 陳進.機械設備故障診斷技術及其應用[M].上海:上海交通大學出版社,2001:90.

[8] 韓清凱,于曉光.基于振動分析的現代機械故障診斷原理及應用[M].北京:科學出版社,2010:18.

[9] 嚴國斐.泵站機組遠程狀態監測和故障診斷研究與實現[D].揚州:揚州大學,2012.