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    王立新（延長石油北京石油化工工程有限公司 煉油事業(yè)部自控室 北京 100107）

【摘要】目前，在工程設(shè)計中，旋轉(zhuǎn)機械的保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測儀表多數(shù)都由旋轉(zhuǎn)機械的OEM廠家負(fù)責(zé)選型與供貨，設(shè)計人員對這類儀表逐漸生疏。本文詳細(xì)介紹了旋轉(zhuǎn)機械保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測儀表的基礎(chǔ)知識，幫助設(shè)計人員更好地從事這方面的設(shè)計工作。

【關(guān)鍵詞】振動 軸向位移 熱膨脹 軸承溫度 轉(zhuǎn)速 鍵相 偏心。

作者簡介：王立新（1966-）1989年畢業(yè)于河南廣播電視大學(xué)電氣自動化專業(yè)，一直從事石油化工行業(yè)儀表及自控設(shè)計工作至今，任工程師。

   1. 引言

   在石化行業(yè)的工藝裝置中，壓縮機、鼓風(fēng)機、汽輪機、煙機、水泵、齒輪箱等旋轉(zhuǎn)機械作為裝置的關(guān)鍵設(shè)備，對生產(chǎn)的平穩(wěn)運行起著至關(guān)重要的作用。

   為了旋轉(zhuǎn)機械安全、高效率地運行，需要監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機械的運行參數(shù)，實現(xiàn)對關(guān)鍵機組的保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測。典型的監(jiān)測參數(shù)如轉(zhuǎn)軸徑向振動，外殼振動，軸向位移，偏心，熱膨脹，轉(zhuǎn)速，鍵相以及軸承溫度等。通過以上參數(shù)的監(jiān)測，還可以對設(shè)備故障進(jìn)行早期診斷，例如轉(zhuǎn)子不平衡，不對中，軸承磨損，軸裂紋，轉(zhuǎn)子彎曲，油膜渦動以及摩擦等。

  2 旋轉(zhuǎn)機械主要的測量參數(shù)

  2.1 轉(zhuǎn)軸徑向振動

   對于滑動軸承，一般要求監(jiān)測轉(zhuǎn)軸的徑向振動。轉(zhuǎn)軸徑向振動一般指轉(zhuǎn)軸的徑向往復(fù)運動。使用電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)軸徑向振動。ISO7919對轉(zhuǎn)軸允許的徑向振動做了具體的要求，這里不再詳述。

  單個方向的徑向振動測量，不能反映轉(zhuǎn)軸在其它方向的振動情況。為了能夠進(jìn)行全面保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測，在一個軸承上，需要在互相垂直的位置安裝兩個探頭。這兩個探頭應(yīng)位于同一個垂直于軸中心線的斷面上，并應(yīng)接近于軸頸軸承。在實際的安裝中，兩支探頭無需一定垂直或水平布置，但其夾角需保證90度（即互相垂直）。如右圖所示。
在測軸振時，常常把探頭裝在軸承殼或者固定在機殼的支架上，這個振動稱為轉(zhuǎn)軸相對振動，即相對于機器本體的振動。

  機器本身也是有振動的。如果將機器本體的振動和轉(zhuǎn)軸的相對振動矢量疊加，所得的結(jié)果稱為轉(zhuǎn)軸的絕對振動，即轉(zhuǎn)軸相對于大地的振動。

  轉(zhuǎn)軸振動的單位一般用位移表示，單位是um pp，pp是peak to peak的縮寫，表示峰峰值的意思。

   對于滾珠軸承安裝的機器，由于轉(zhuǎn)軸的振動基本全部傳遞給軸承座，因此一般不直接監(jiān)測轉(zhuǎn)軸的振動，而是監(jiān)測軸承座或者機器外殼的振動。

  2.2 外殼振動

  對于滾珠軸承機器，或者齒輪箱振動，一般要監(jiān)測機器的外殼或者軸承座振動。指的是機器本體相對于大地往復(fù)運動。ISO10816對外殼振動允許值進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，這里不再累述。

   外殼振動一般用速度或者加速度傳感器測量，用振速或者振動加速度表示振動的大小。振速單位一般用mm/s rms，rms是有效值的意思。振動加速度單位一般用mm/s2 pk，pk是peak的縮寫，表示單峰值的意思。
外殼振動傳感器一般垂直或者水平安裝在軸承座上。如圖所示。

  2.3 軸向位移

  旋轉(zhuǎn)機械（如汽輪機，壓縮機等）在轉(zhuǎn)子的兩側(cè)存在壓力差，這個壓力差導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在軸向存在不平衡力，這個力導(dǎo)致轉(zhuǎn)子沿軸向會移動。一般用推力軸承來限制轉(zhuǎn)軸在軸向的移動。

  軸向位移是指轉(zhuǎn)軸沿軸向相對于某個基準(zhǔn)的平均位置變化。

   推力軸承是有安裝間隙的，而且推力軸承也是會磨損的，所以軸向位移總是存在的。

   由于旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)動部件和靜止部件之間的間隙一般都很小，過量的軸向位移會改變動靜部件的相對位置甚至導(dǎo)致動靜部件摩擦或者碰撞，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。所以在線需要監(jiān)測軸向位移，起到保護(hù)機器的作用。

  使用渦流傳感器監(jiān)測位移，單位一般用mm。

   為了避免熱膨脹對軸向位移測量的影響，要求探頭盡量安裝在推力軸承附近，一般在30cm以內(nèi)。一般情況下，被測表面是軸上的止推法蘭或者軸上其它基準(zhǔn)平面。為避免傳感器故障導(dǎo)致誤測量，影響機器保護(hù)，建議并行安裝兩個探頭。

  2.4 偏心

  偏心測量的是轉(zhuǎn)軸的彎曲度。

  一般在轉(zhuǎn)軸比較重而且跨度比較大的旋轉(zhuǎn)機械中監(jiān)測轉(zhuǎn)軸偏心，比如石化熱電中汽輪發(fā)電機組。偏心過大，會導(dǎo)致機組在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生很大的徑向振動，從而破壞機器。所以在機器低速旋轉(zhuǎn)時要測量轉(zhuǎn)軸的偏心，只有當(dāng)偏心值在規(guī)定范圍內(nèi)時，才可以繼續(xù)升速運轉(zhuǎn)。

  使用渦流探頭測量偏心，用位移表示，單位是um pp。

  偏心探頭一般安裝在機頭處，以能夠最大限度測量到轉(zhuǎn)軸的彎曲程度。

  2.5 熱膨脹

   轉(zhuǎn)子或者機殼在受熱后會產(chǎn)生膨脹，稱為熱膨脹。

   轉(zhuǎn)子和機殼的膨脹速度是不一樣的，轉(zhuǎn)子受熱后的膨脹速度會比機殼膨脹快，它們之間膨脹的差值，稱為相對膨脹，或者脹差。相對膨脹產(chǎn)生的結(jié)果是改變了轉(zhuǎn)動部件和靜止部件之間的間隙。如果相對膨脹多大，就會導(dǎo)致動靜部件摩擦或者碰撞，從而破壞機器。

   相對膨脹或者脹差一般使用渦流傳感器測量，也有使用LVDT傳感器測量的。用位移表示，單位為mm。

  有些機組，如汽輪發(fā)電機的高壓缸，會測量其缸體的絕對膨脹量，稱為缸脹，以觀察機殼的整體膨脹量。

  2.6 轉(zhuǎn)速

   轉(zhuǎn)速就是機器的旋轉(zhuǎn)速度。通常會有零轉(zhuǎn)速及超速測量的應(yīng)用。零轉(zhuǎn)速通常會應(yīng)用在軸系較長，如熱電機組，乙烯三機等機組中，避免機組熱態(tài)停機時，造成轉(zhuǎn)子熱彎曲。當(dāng)機組降到接近靜止時，自動啟動盤車電機，使得機組保持低速運轉(zhuǎn)，避免熱彎曲。超速測量通常是針對透平機組，是非常重要的機組保護(hù)，通常會有SIL3認(rèn)證要求。為了防止旋轉(zhuǎn)機械超速造成嚴(yán)重事故，必須對轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測，并提供超速保護(hù)信號。

   轉(zhuǎn)速測量常用的有以下幾種傳感器：電渦流轉(zhuǎn)速傳感器、磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器、磁敏式轉(zhuǎn)速傳感器等。

   通常在轉(zhuǎn)軸上會設(shè)計一個多齒齒輪盤，傳感器對著齒輪盤徑向垂直安裝在固定支架上。

   目前石化行業(yè)常用的超速儀表如美國本特利的3500，美國AIRPAX轉(zhuǎn)速表等。

  2.7鍵相位

   振動信號除了有幅值大小外，還有相位關(guān)系，本質(zhì)上是一種時間順序關(guān)系。由于這種相位是通過對轉(zhuǎn)軸上的鍵槽或者凸鍵進(jìn)行感應(yīng)檢測而測量的，故俗稱其為鍵相位，英文名稱為Keypahsor,，@Keyphasor是本特利的注冊商標(biāo)。

   有了鍵相位信號后，不僅可以測量振動的大小，還可以知道振動的方向，能夠記錄跟蹤濾波信號的相位關(guān)系。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以利用其進(jìn)行同步采樣。鍵相信號是振動分析非常重要的元素，也是動平衡所需要的基本信號。

   永久安裝的鍵相傳感器通常使用渦流傳感器，并在轉(zhuǎn)軸上設(shè)計有鍵槽或者安裝有凸鍵。

   臨時安裝的鍵相傳感器通常使用光電傳感器或者激光傳感器，并在轉(zhuǎn)軸上臨時粘貼反光帶。
鍵相傳感器徑向?qū)χI槽/凸鍵/反光帶安裝。
由于鍵相傳感器在轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周時記錄一個脈沖信號，因而鍵相信號也可以測量轉(zhuǎn)速。

  2.8軸承溫度

  軸承溫度指的是支撐軸承的瓦塊溫度。

   很多機械故障或者潤滑油的故障，會導(dǎo)致軸承溫度的升高。例如軸承發(fā)生了嚴(yán)重磨損（俗稱燒瓦），軸承溫度通常會迅速升高，倘若機器繼續(xù)運行下去，會產(chǎn)生更加嚴(yán)重的后果，比如葉片碰摩，密封損壞等。所以需要監(jiān)測軸承溫度，以對機器進(jìn)行及時保護(hù)，同時可以利用軸承溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析。

   軸承溫度測量包括徑向支撐軸承和推力軸承兩個方面。溫度探頭一般安裝在垂直于旋轉(zhuǎn)方向的下軸承體的活動瓦塊上。

   一般選用的測量元件為鉑熱電阻。分度號為Pt100。

   軸瓦溫度探頭一般采用埋入式安裝

   3 電渦流傳感器的工作原理

    電渦流傳感器是非接觸式測量，具有結(jié)構(gòu)簡單，線性范圍寬，在線性范圍內(nèi)靈敏度不隨初始間隙而變，動態(tài)響應(yīng)好，能連續(xù)長期可靠地工作等優(yōu)點，目前被廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機械的在線檢測和安全監(jiān)控。

   旋轉(zhuǎn)機械的大部分振動和位移運行參數(shù)，都可以應(yīng)用電渦流式趨近傳感器探頭進(jìn)行測量。

  3.1 電渦流傳感器的工作原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈旋渦狀的感應(yīng)電流，此現(xiàn)象為電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流傳感器。
前置器產(chǎn)生一個高頻信號，該信號在探頭端面的線圈中產(chǎn)生交變的磁場，當(dāng)被測金屬靠近這一磁場，則在金屬表面上產(chǎn)生電渦流。該電渦流產(chǎn)生一個與探頭線圈方向相反的交變磁場，使探頭線圈高頻電流的幅度和相位得到改變，而前置器可以探測到信號強度的損失。前置器輸出信號與探頭到被測體表面的間距成正比。
電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體（導(dǎo)電體）間的間隙變化來測量物體的振動和位移的。它與被測物之間沒有直接的機械接觸，因此，特別適合于測量具有表面線速度的轉(zhuǎn)子的振動位移。

3.2 電渦流傳感器的系統(tǒng)響應(yīng)特性：
圖1為電渦流傳感器的系統(tǒng)響應(yīng)特性，即間隙與輸出電壓的關(guān)系曲線。
固定輸入頻率時，在線性范圍內(nèi)，探頭表面與被測物表面之間的間隙與輸出電壓成正比，這是電渦流傳感器十分重要的特性。

在安裝電渦流傳感器時，要注意平均間隙的選取。要求平均間隙加上振動間隙，也即總間隙應(yīng)處在線性范圍之內(nèi)。一般來說，平均間隙選在線性段的中點，這樣，在平均間隙兩邊容許有最大的動態(tài)振幅。探頭表面與被測物表面之間的距離無論如何變化，都應(yīng)處在線性范圍之內(nèi)。

3.3 電渦流傳感器的頻響特性：
電渦流傳感器的另一特點是低頻響應(yīng)非常好，頻率可以到零。亦即探頭表面與被測物表面之間的間隙可以不變，這時前置器具有一個直流輸出。頻率在1KHz以下，其電壓輸出均為100% 。亦即沒有因為頻率較低而使振幅輸出有所改變。因而電渦流探頭應(yīng)用非常廣泛。

4. 旋轉(zhuǎn)機械測量儀表的組成及選用
石化行業(yè)常用的旋轉(zhuǎn)機械測量儀表主要是本特利3300系列電渦流傳感器和3500系列框架儀表。下面以本特利3300系列、3500系列儀表為例介紹旋轉(zhuǎn)機械測量儀表的組成及選用。

4.1 本特利3300系列儀表的探頭，延伸電纜以及前置器一起構(gòu)成電渦流傳感器系統(tǒng)。
每一個探頭都是通過電纜聯(lián)到前置器上的，電纜可以和探頭是一個整體或者不是整體而用延伸電纜。前置器由－24VDC電源供電（一般是由監(jiān)測器供電）。前置器的輸出是一個負(fù)的直流電壓，該電壓的變化正比于探頭頂部和被監(jiān)測對象表面間的距離的變化。
常用的電渦流傳感器探頭如下：
3300系列8mm探頭是最常用的產(chǎn)品，提供最大80mils (2mm) 線性范圍，靈敏度：200 mV/mil (7.87V/mm )，主要用于振動和位移測量，以及鍵相和轉(zhuǎn)速測量。
當(dāng)需要更大線性范圍的測量時，可選11mm探頭，它可提供160mils (4mm) 線性范圍，靈敏度：100 mV/mil (3.94V/mm )。
燃?xì)廨啓C和蒸汽透平的高溫足以破壞普通的電渦流探頭，這時可選用3300耐高溫電渦流傳感器系統(tǒng)。探頭可承受＋350℃高溫，提供160mils (4mm) 線性范圍，靈敏度：100 mV/mil (3.94V/mm )。
電渦流探頭直徑越大，線性范圍也越大，但靈敏度降低。

4.2 延伸電纜的長度選擇
渦流傳感器系統(tǒng)有兩種規(guī)格：5米和9米系統(tǒng)。這里的5米或者9米指的是電氣意義長度，而非實際的物理長度，實際物理長度和電氣意義長度略有差別。首先要確定系統(tǒng)的總長需要多少，然后選對應(yīng)于總長5米還是9米的前置器。其次要決定探頭所需的電纜長度是多長，傳感器系統(tǒng)的總長減去探頭上帶的電纜長度，就是延伸電纜所需要的長度，探頭和延伸電纜的長度加在一起，必需是前置器所需要的長度，這樣才能達(dá)到正確的匹配。
例如：前置器 330180-51-05 5米電氣長度規(guī)格的前置器
軸位移探頭 330103-00-06-05-02-05 探頭自帶的電纜長度0.5米
延伸電纜 330130-045-01-00 延伸電纜長度4.5米

4.3 前置器
前置器分兩種：前置放大器和前置變送器
（1）對于大型旋轉(zhuǎn)機組，需要對來自傳感器的檢測信號進(jìn)行分析，以診斷機械的運行狀態(tài)是否正常。這時需要配置3500系列框架表。瞬態(tài)數(shù)據(jù)接口（TDI）是3500框架儀表與組態(tài)、顯示和狀態(tài)監(jiān)測軟件連接的主要接口。與3500系列框架表相配的是前置放大器。
系統(tǒng)配置：探頭＋延伸電纜＋前置放大器＋3500系列框架表
（2）有些機器結(jié)構(gòu)簡單，振動測點單一，測點數(shù)量很好，不需要進(jìn)行振動分析時，可以不配置3500系列框架表。前置器選用前置變送器（990/991系列），直接輸出4～20mA信號至DCS或SIS系統(tǒng)。
系統(tǒng)配置：探頭＋延伸電纜＋前置變送器

4.4 3500系列框架儀表
（1）3500系列框架儀表包括：框架、電源、接口模塊、監(jiān)測器模塊、框架組態(tài)軟件、鍵相器模塊、通訊網(wǎng)關(guān)模塊等。
3500系列框架儀表與3300系列電渦流傳感器系統(tǒng)構(gòu)成完整的軸系儀表監(jiān)測系統(tǒng)。
3500系列框架儀表把來自前置放大器的電壓信號轉(zhuǎn)換成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，再以硬接線的形式至安全儀表系統(tǒng)。
同時通訊網(wǎng)關(guān)可通過以太網(wǎng)TCP/IP和串行(RS232/RS485)通訊協(xié)議將所有框架的監(jiān)測數(shù)據(jù)和狀態(tài)傳送至過程控制系統(tǒng)。

瞬態(tài)數(shù)據(jù)接口（TDI）是3500監(jiān)測系統(tǒng)和Bently機械管理軟件（System 1）之間的接口。連續(xù)采集穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)波形數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到上位機，通過動態(tài)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)/瞬態(tài)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件，進(jìn)行故障診斷分析。
（2）當(dāng)傳感器安裝于危險地區(qū)時，3500框架儀表可以與內(nèi)部或外部本質(zhì)安全柵一起使用。但是，3500內(nèi)部安全柵選項通常比外部安全柵更可取，因為它節(jié)約成本，不要求額外框架空間，也沒有附加連線。安全性更高。但內(nèi)部安全柵通常為齊納柵，需要更高的接地要求，通常要求接地電阻不大于1歐姆。
（3）3500系列框架儀表的鍵相位模塊不能輸出4～20mA信號，此模塊接收來自電渦流傳感器的輸入信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字鍵相位信號。僅是作振動分析時使用。如果轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA信號輸出，也就失去了本身鍵相的意義。

5 旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷
大多數(shù)振動故障都是直接與轉(zhuǎn)子運動有關(guān)，因此，我們主要是從轉(zhuǎn)子運動中去監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)振動故障。不僅要求有較為完整的數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集系統(tǒng)，而且要求對轉(zhuǎn)子—支承系統(tǒng)的各類振動問題的一般規(guī)律及其表現(xiàn)出的現(xiàn)象有深入的了解。只有兩者結(jié)合，才有可能判斷出故障的原因及其在機器上的可能部位。
DDM/TDM是動態(tài)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)/瞬態(tài)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可將來自傳感器的振動信號進(jìn)行分析。給出各種圖表，圖形，各參數(shù)的發(fā)展趨勢以及其它有關(guān)信息，借以判斷機械工作是否正常，估計設(shè)備的運行趨勢，提出治理建議。

6．結(jié)論：
本文根據(jù)工程設(shè)計中旋轉(zhuǎn)機械測量儀表的選型經(jīng)驗，詳細(xì)介紹了旋轉(zhuǎn)機械保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測測量儀表的各個環(huán)節(jié)。希望通過作者的介紹，使設(shè)計人員全面了解旋轉(zhuǎn)機械測量儀表的基本內(nèi)容，并對工程設(shè)計提供參考。

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