壓縮機軸系儀表在線維護案例分析

于世恒

(上海石油化工股份有限公司 儀控中心，上海 200540)

筆者負責審核單位2019年度儀表故障匯編時，發現一個很典型的案例，相同案例在兩年前也曾發生過，說明這不是普通的案例，值得深入剖析。

1 案例回顧

2019年7月23日，儀表維護人員按照制定的預防性檢查計劃，對焦化裝置富氣壓縮機組接線箱進行在線預防性檢查工作。檢查內容主要有信號線接頭清洗、接線端子緊固、檢查接線箱內是否漏油等。

該項工作于當日上午9：30開具儀表作業票，9：45開具聯鎖工作票，切除聯鎖，然后對接線箱進行在線開蓋檢查作業，于10：20完成壓縮機振動和位移接線箱的檢查工作。隨后保持聯鎖切除狀態，觀察機組運行狀態，經工藝確定數據穩定正常后，恢復聯鎖投用，在聯鎖恢復瞬間發生了壓縮機聯鎖停機。事件序列記錄(SOE)顯示聯鎖原因為軸位移聯鎖。

兩年前，柴油加氫裝置的壓縮機組也曾發生過同樣的事件，當時是該機組軸位移超標報警，儀表維保人員在聯鎖切除后，打開現場軸系儀表接線箱，檢查、清洗軸位移接線端子，消除故障，機組運行平穩后，恢復聯鎖，恢復聯鎖后瞬間發生聯鎖停機。SOE顯示聯鎖原因也是軸位移聯鎖。

相隔兩年，同樣的事件在不同的裝置再次發生，說明該案例絕非偶然，值得深入剖析。兩起事件都是壓縮機軸系儀表在線維護后發生聯鎖停機，雖然壓縮機的軸位移、軸振動都設置了聯鎖保護，但是兩次事件的聯鎖原因都是軸位移而不是軸振動，都是發生在現場軸系儀表接線箱在線檢查維護后，聯鎖功能恢復投用之時。為了更好地了解故障原因，筆者分析了壓縮機軸系聯鎖保護儀表系統的構成、組態、工作原理及現場維護。

2 壓縮機軸系聯鎖保護儀表系統構成及組態

石化企業壓縮機軸系測量儀表大多數采用本特利3300XL系列軸系儀表，該系列儀表由安裝在壓縮機本體上測量軸振動及軸位移的儀表探頭、延伸電纜、前置放大器，以及安裝在機柜間的框架儀表及壓縮機控制系統(CCS)構成。現場探頭傳感器檢測到壓縮機軸承振動信號或位移信號，經趨近器轉換成4～20 mA標準儀表信號，送入機柜間的框架儀表，在框架儀表內經組態設置軸振動及位移的聯鎖值，測量信號一旦達到設定值即以DI 信號送入CCS，在CCS內實現對壓縮機組的聯鎖保護控制。CCS結構如圖1所示。

圖1 CCS結構示意

3 壓縮機軸系振動及位移儀表測量原理

壓縮機軸系振動及位移儀表的測量原理為電渦流原理： 測量探頭是系統的一個重要組成部分，負責采集、感受被測信號，能精確地探測出被測體表面相對于探頭端面間隙的變化。通常探頭由線圈、頭部保護罩、不銹鋼殼體、高頻電纜、高頻接頭組成。其中線圈是探頭的核心部分，它是整個傳感器系統的敏感元件，線圈的電氣參數和物理幾何尺寸決定傳感器系統的線性量程及穩定性。該系列儀表的探頭有8 mm系列和11 mm系列。

當傳感器探頭內線圈通入由框架儀表電源經前置放大器送入的一個交變電流時，在探頭線圈周圍形成磁場。如果將一個導體放入該磁場,根據法拉第電磁感應定律,導體內會激發出電渦流。根據楞茲定律,電渦流的磁場方向與線圈磁場方向正好相反,而這將改變探頭內線圈的阻抗值。該阻抗值的變化與線圈到被測物體之間的距離直接相關。傳感器探頭連接到框架儀表，框架儀表內置程序根據從傳感器探頭內獲得電壓值的變化量,并以此為依據,計算出對應的距離值。

電渦流傳感器采用比例因數將系統輸出轉換成位移值，傳感器電渦流原理如圖2所示，傳感器原理如圖3所示。在一個很寬的位移范圍內保證比例因數不變。在系統線性范圍內，才能用比例因數計算位移值。位移計算公式如式(1)所示：

d=ΔU/S

(1)

式中：d—位移，mm；ΔU—電壓變化；S—比例因數。

圖2 傳感器電渦流原理示意

圖3 傳感器原理示意

4 現場可維護部件的維護

密封安裝在壓縮機內部軸上的探頭不可見，除非檢修解體可以對探頭進行比對校驗，壓縮機正常運轉時，軸系儀表的在線維護，只能在聯鎖旁路的情況下，檢查清洗探頭壓縮機體以外的延伸線纜與前置放大器連接接頭，檢查前置放大器的信號是否正常。有的軸系儀表接線箱安裝在基座上，會隨機身一起振動，需要定期緊固信號線接頭；也有的機組密封不好，機體內的機油會被信號線虹吸到接線箱內，需要定期檢查清洗。

4.1 延伸電纜

作為系統的一個組成部分，延伸電纜用來延長探頭以連接前置器，應該使延伸電纜長度加探頭長度與配置前置放大器所要求的電氣參數的長度一致。即探頭、延伸電纜、前置發達器要相互匹配，如8 mm 探頭配4 m的延伸電纜，可以匹配的前置器為330180-50-00/CN。

采用延伸電纜的目的是為了縮短探頭所帶電纜的長度。延伸電纜的兩端接頭不同，帶內螺紋的接頭(轉接頭)與探頭連接，帶外螺紋的接頭與前置放大器連接。延伸電纜也有阻抗的要求，如8 mm探頭所配4.0 m電纜，線芯電阻(從中心導體到中心導體的阻抗)為(0.88±0.13ω) Ω，外導體電阻(從同軸導體到同軸導體的阻抗)為(0.26±0.05ω) Ω，延伸電纜接頭需要定期清洗維護，接頭被油污染會引起延伸電纜電阻值的變化，影響測量精度，需要定期檢查線纜電阻值的變化。

4.2 前置放大器

前置放大器是信號處理器，一方面前置放大器為探頭線圈提供高頻交流電流；另一方面，前置放大器感受探頭前面由于金屬導體靠近引起探頭參數的變化，經前置放大器的處理，產生隨探頭端面與被測金屬導體間隙線性變化的輸出電壓。前置器檢測電路檢測探頭線圈的感抗變化，再經放大電路將感抗變化量變換放大成相應電壓變化信號輸出。最后經框架監測儀進行轉換輸出。前置器輸出電壓交流分量與直流分量波形如圖4所示。

圖4 前置放大器輸出電壓交流分量與直流分量波形示意

前置放大器與信號線纜的接線端子也需要定期清洗，前置放大器的輸入、輸出信號是否正常，需要定期檢查。

5 故障原因分析

5.1 軸位移聯鎖的原因分析

壓縮機組振動和位移都設置了聯鎖，為什么軸位移總是出現故障？需要從探頭的檢測原理來分析： 探頭與被檢測物體之間的間隙變化，轉變為電壓信號經前置放大器輸入到框架儀表， 根據不同的測量參數的要求將其輸出電壓的直流部分用做位移量的檢測信號，交流部分用做振動值的檢測信號。前置放大器的供電電壓為24 V(DC)。

振動探頭檢測的是前置放大器輸出電壓的交流分量的峰值，反映的是旋轉機械徑向振動狀況，即軸振動測的是交流信號，在預防性維護作業過程中，拆卸振動信號線，信號輸出被中斷，自然就沒有交流信號了，所以振動信號就為零。

而軸位移探頭檢測的是前置放大器輸出電壓的直流分量，相當于算數平均值，反映的是旋轉機械的軸向位置情況。即軸位移測的是直流信號，在線作業過程中無論信號線是否斷開，框架表都能測到直流信號。

電渦流傳感器一般是探頭靠近物體，前置放大器電壓趨近于0，遠離物體時，前置放大器電壓輸出趨近于電源電壓。而軸位移測量一般是趨近時為負，遠離時為正，即趨近時電流向4 mA變化，遠離時電流向20 mA變化。因此，如果軸位移探頭信號輸入至前置放大器的信號線斷開，前置放大器輸出電流會向20 mA變化，如果前置放大器連接框架儀表的信號線斷開，電流會向4 mA變化。

當現場檢查趨近器時，無論是斷開趨近器的輸入信號，還是輸出信號，趨近器的輸出信號都會向兩個極端變化，這個過程就會跨過軸位移聯鎖設置點，觸發框架儀表內的聯鎖設定值，發出聯鎖信號。

5.2 作業結束恢復聯鎖投用時發生停車的原因分析

作業過程中在清洗緊固前置放大器接頭時，斷開信號線，造成前置放大器的輸出信號最大，觸發了聯鎖，由于聯鎖觸發后框架儀表內有邏輯自鎖功能，已經被觸發的軸位移聯鎖信號一直被保持在框架表內，作業過程中聯鎖信號隱而不發是因為CCS的聯鎖被旁路，一旦作業結束后CCS恢復聯鎖，被框架儀表鎖存的該聯鎖信號被釋放，即刻造成聯鎖停機。

正確做法應該是，作業結束后，對軸系框架儀表進行檢查確認，用框架儀表內置的RESET 鍵，復位消除被鎖存在聯鎖邏輯模塊內的聯鎖信號，這樣在恢復聯鎖后，就不會再有聯鎖信號發出。

6 管理上需要改進的問題

6.1 安全儀表在線作業前應進行詳細的安全評估及風險分析

壓縮機軸系監測聯鎖儀表屬于安全儀表管理范疇，尤其是在線作業，作業前要進行安全評估及風險分析，風險分析應建立在對系統及作業的每個環節十分了解熟悉的基礎上。

如果對壓縮機軸系聯鎖保護儀表系統的機理不熟悉，很難分析出像該案例中清洗軸位移接頭會發出聯鎖信號的隱患。

6.2 建立儀表分級管理策略

儀表維護管理中，應根據儀表不同的位置和不同的風險等級，分別制定有針對性的維護策略。像壓縮機軸系儀表這種高風險的在線作業，應從管理上劃歸到A級作業，從作業環節到確認環節都應該非常重視。

6.3 制定有針對性的作業指導書

針對具體的典型的作業，應編制詳細的作業指導書，規范每一步作業，像該案例中作業結束后必須檢查框架儀表，確認有沒有聯鎖值被鎖存，是否在投用系統時進行了有效的復位等。如果嚴格按作業指導書做，就不會重復發生同樣的問題。

6.4 對壓縮機軸系儀表聯鎖系統進行優化改造

可以考慮把框架儀表的聯鎖、保持、復位功能和CCS 上的聯鎖功能進行統一優化設計，通盤考慮，避免功能分散在不同的主機上引起管理上不便及混亂。

7 結束語

安全儀表在線作業是預防性維護不能回避的問題，該類儀表在線作業時，必然存在較大風險，稍不注意就有可能適得其反。如何做到風險分析識別準確，作業環節精準施策，解決問題而不是擴大問題是每一位管理者應該深入思考的問題。