石化装置机组轴系仪表的应用及常见故障处理

刘海洋

(洛阳三隆安装检修有限公司 , 河南 洛阳 471012)

0 前言

中国石化洛阳石化公司两套催化裂化装置主风机气压机轴系仪表应用美国本特利3300/3500系列，由振动/位移/转速检测探头、延伸电缆、前置放大器构成，测量信号引入机组控制系统CCS实现实时检测、显示、超限报警或联锁。振动/位移/转速检测探头测量原理上属于电涡流传感器类型，电涡流传感器具有长期工作稳定、可靠性高、灵敏度高、非接触测量、抗干扰能力强、响应速度快、不受油水等介质影响的优点，可以非接触方式测量转动机械的轴系振动位移转速等状态，可有效保护大型转动机械设备，指导预测性维修，因此被广泛用于对大型旋转机械的轴系状态实时监测与报警联锁。

1 轴系仪表测量回路构成及原理

机组轴系仪表测量回路由振动/位移/转速检测探头、延伸电缆、前置放大器构成，测量信号引入机组控制系统CCS实现实时检测、显示、超限报警或联锁。振动/位移/转速检测探头测量原理上属于电涡流传感器类型。

1.1 电涡流传感器——探头

电涡流传感器采用的是电涡流原理，是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量。如图1所示，电涡流传感器的探头端部被置入了一个扁平的线圈，当通有交变电流时，探头会产生一个交变的磁场H1。此时把探头靠近金属导体，此金属导体会产生电涡流，电涡流将产生一个与探头产生的磁场方向相反的磁场H2。该磁场会抵消部分探头产生的磁场，从而使探头的有效阻抗发生变化。通过测量阻抗的变化即可测量探头与金属导体的距离d。

图1 电涡流传感器的原理

1.2 延伸电缆

在实际生产过程中，由于前置放大器的接线盒与探头安装位置距离较远，探头自带电缆很难直接连接到前置放大器，这时就需要使用延伸电缆。延伸电缆用于传输探头的原始信号，增加探头信号的传输距离，并且可以缩短探头尾部电缆的长度、便于维护和安装。

1.3 前置放大器

电涡流传感器测量需要交流信号的输入，并且其输出的阻抗信号也不能直接被控制系统接收，因此需要一种可以给电涡流传感器提供交流信号并且可以将传感器的输出信号转化成控制系统可以接收的信号类型的设备，这就是前置放大器。前置放大器内部可以产生高频电流信号送往探头端部的线圈，并将探头线圈的阻抗变化转换成电压输出。

2 轴系仪表的实际应用

按公司主风机气压机轴系仪表实际应用经验，不论新品或是机组检修利旧回装，都是先对轴系仪表校验，校验数据符合测量标准仪器后，再安装、调试。

2.1 探头的校验

为保证探头完好能正常使用，在安装探头前需要对探头进行校验并保存记录以便查验。在校验前，需要对探头及其附件进行检查，确保探头及组成电缆组件完好。探头端部的保护层不应脱落或有划痕，紧固件完好，接头完好无氧化现象，测量插针与插头外壳间的电阻值应在7.0～9.0 Ω。如果电阻<1.0 Ω说明探头短路，如果电阻>100 Ω说明探头断路；检查延伸电缆完整，无短路断路，接头完好无氧化现象，保护层完好无破损；前置放大器安装如图2所示。安装盒应完好，前置放大器与安装盒之间应有完好的屏蔽层，确保信号电缆屏蔽层接地良好，并单点接地；前置放大器部件完好，功能正常，零点准确。

图2 前置放大器安装示意图

探头的校验有静态校验和动态校验，都需要使用本特利TK3-2E校验仪，数字万用表。静态校验如图3所示。校验时将探头和延伸电缆连接好，并将延伸电缆的另一端接到前置放大器，前置放大器电源端接入-24VDC电源，万用表正端接COM端，负端接OUT端。将探头固定在探头座上，使探头顶部接触到校验靶片，调节校验仪上的螺旋千分尺，记下初始的示值(最好将初始的示值控制在0)，每次增加0.25 mm，直到螺旋千分尺示值为2.5 mm，记录每次的输出电压值。以公司气压机轴位移ZT-01为例，其探头静态校验数据见表1。当探头间隙在0.25～2.5 mm内，其输出值为接近线性。

图3 探头的静态校验示意图

表1 电涡流传感器校验数据表

探头传感器动态校验回路图见图4。将探头固定在设备上，将具有刻度盘的千分尺安装在摇臂架上，转动到相应的位置，测量其与转子斜面盘的间隙大小。固定好探头，调整振幅范围为0.05～0.25 mm。用数字万用表测量其电压输出值，将其与标准值对比，判断探头性能的符合性。

图4 探头动态校验

2.2 振动探头的安装

振动探头的安装，应保证测量轴表面光洁，不能存在刻痕，否则会影响探头的测量，因此在安装探头之前，应该与钳工共同确认轴表面的光洁程度，如果存在刻痕应对轴重新打磨。安装振动探头之前，应保证安装孔内无异物堵塞，机组检修时，应对安装孔做好封堵，防止异物进入安装孔，如果是螺纹安装孔应保证螺纹良好。在把探头拧入固定支架时，应保证探头电缆随探头自由转动，不能有扭力。安装时先将探头装入安装孔，然后将探头、延伸电缆、前置放大器连接好，数字万用表测量前置放大器的输出电压，根据校验记录，缓慢调整探头，使万用表指示的电压大概为间隙-电压曲线线性范围中间值的电压，经验值额定电压为9 V，然后将探头支架固定好即可完成振动探头的安装。

2.3 位移探头的安装

位移探头的安装应与专业人员配合，机组安装或检修完成尚未安装联轴节时，由专业人员把轴撬到零位参考位置。此位置一般为轴位移量的中间位置，将探头、延伸电缆、前置放大器连接好并连接万用表，观察万用表示值，将探头安装在探头特性曲线线性区间的中点位置，经验值额定电压为10 V。探头安装完成后，由专业人员配合将轴撬到非零位参考位置的两端，观察监控画面所指示的上下行窜量是否与钳工人员用千分表测得的一致，若一致则完成位移探头的安装，若不一致则需分析原因，再次调整探头安装位置，直到结果一致。

2.4 探头及附件安装注意事项

探头和延伸电缆安装时应注意探头所带电缆的长度和延伸电缆的长度之和不能超过前置放大器允许的最大长度，如果探头或延伸电缆故障需要更换时不能改变原有长度，否则会造成测量不准。探头选型时，应保证探头与延伸电缆的连接处位于机壳的外部，这样可避免连接处转换头被机器内部的润滑油污染，另外应使探头与延伸电缆的连接处位于就近的接线盒内，不能置于穿线管中，方便维护和更换探头或延伸电缆。

为了防止在安装过程中损坏接头和电缆，避免接头与穿线管或机壳接触，加强接头的密封性，对电缆和接头要进行外套热缩管或使用聚四氟乙烯密封带缠绕后穿线安装，但是不能用带有黏性的电工胶布缠绕绝缘接头，因为油雾会溶解胶带上的黏性物，从而导致密封不严。

3 机组轴系仪表常见故障与处理

振动和位移的准确测量对于机组的稳定运行至关重要，一般振动和位移探头都是成对安装的，并且多数都设有报警、联锁，如果其中一个不正常，需要及时处理。此时若观察其他工艺参数正常且另一个探头显示没有问题，就可以判断该探头测量故障。

3.1 测量线路问题与排查

轴系仪表监测系统回路如图5所示。

图5 电涡流传感器系统连接图

引起故障的原因有以下几个方面：探头与延伸电缆的连接处松动或接地，延伸电缆与前置放大器连接松动，前置放大器接线松动。这时就要逐一检查，在检查前，如果仪表有联锁先摘除联锁。检查探头与延伸电缆处的热缩管或聚四氟乙烯密封带有没有破损，连接处有没有接地，连接处是否松动，若有这些情况，紧固连接处并用热缩管或聚四氟乙烯密封带重新包裹缠绕连接处。检查延伸电缆与前置放大器连接处是否松动，如果松动则重新紧固。检查前置放大器接线有没有松动，端子有是否有腐蚀的现象，如果这些问题，重新紧固端子，若端子生锈则需要对端子除锈。在排除以上原因之后，还应考虑前置放大器的供电是否正常。测量电压，当测量回路有安全栅时，电压正常范围为-26～-23.5 V，没有安全栅时正常范围应为-26～-17.5 V，若电压不在范围内，应检查供电线路有无异常以及系统供电是否异常。

3.2 探头及其附件问题排查

首先检查探头，脱开探头与延伸电缆的连接，测量探头的电阻是否正常，电阻正常值如表2所示。若电阻异常，需要停下机组更换同型号探头。检查延伸电缆，脱开延伸电缆与前置放大器和探头的连接，测量延伸电缆两端内芯阻值和两端外芯阻值，正常阻值如表3所示。若阻值不在正常范围，则应更换同型号延伸电缆。检查探头和延伸电缆无故障后应检查前置放大器，先将监测系统连接好，用万用表测量前置放大器输出端，脱开延伸电缆与前置放大器的连接，观察万用表的示数有无变化；若无变化，则前置放大器故障，更换同型号前置放大器。

表2 探头阻值表

表3 延伸电缆阻值表

3.3 轴系仪表典型干扰问题及解决

二催化装置主风机首次安装开机后，出现多次轴系仪表测量瞬间跳动、超限联锁停机现象。为了保证机组正常运行，采取摘除轴系仪表联锁方式。运行一个周期后，排查出测量瞬间跳动的原因，是施工单位为了施工穿管方便，把多芯电缆外层保护皮剥掉了，裸露的屏蔽层与金属管接触，形成多点对地，失去了信号干扰防护屏障。为了解决问题，重新更换新的信号线，开机运行以后，再没有出现过干扰导致轴系仪表测量的问题。

3.4 轴系监测误报问题与预防

由于测量回路中接线松动、接触不良、干扰、线路烤坏等原因，导致轴系仪表出现振动、位移波动、瞬间跳动等失灵情况，出现误报警或错误联锁，造成机组停机，切断进料。

为预防轴系仪表测量失灵或误报的情况，采取了联锁触发时间延迟3 s，联锁逻辑改为“二取二”，避免了多次轴系仪表测量误报造成的机组停车。

3.5 烟机非联轴端振动探头及延伸电缆经常高温烤坏故障与解决方法

一催化主风机烟机非连轴端蜗壳振动探头原安装方式为通过支架固定安装在蜗壳预留的安装孔，但是在烟机运行过程中会导致蜗壳温度过高，出现烤坏探头及延伸电缆的现象。解决方案是通过改造将探头安装位置移至蜗壳内部。改造方案中，探头固定架制作要求：①板材加工后厚度为10 mm，用L250角钢整体加工成型，两平面的垂直角度偏差≤0.02 mm，表面粗糙度Ra≤3.2 μm。②支架的螺栓丝孔为M8 mm×1.25 mm，深度为20 mm，探头内孔螺栓M10 mm×1 mm，支架两个螺栓孔在探头螺栓孔中心线两边对称布置，各螺帽均需要配套防松垫片。③支架在探头垂直微调后涂抹固持胶进行固定或对支架进行电焊固定。

4 结论

大型机组状态监测轴系仪表采用本特利等主流进口品牌产品，仪表性能稳定质量可靠，轴系仪表应用中常见故障大部分是接线松动或线路烤坏等问题，安装质量或安装方式等问题。因此在安装探头时要注意正确安装，以及做好对探头和延伸电缆的保护，并且在安装前和机组检修拆除探头后要及时做好探头的校验，如果发现校验数据不符合标准要求，排查原因后及时更换探头或附件。

为了提高仪表检维修人员对轴系仪表的安装技能，2021年11月，培训基地安装了两台压缩机，装配了本特利的振动/位移/转速等轴系仪表，搭建了实训平台，并制定了2022年作业层员工轴系仪表专项安装与调试培训计划，大大提升了公司对大型机组轴系仪表安装检修及维护水平。