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

【摘要】目前，在工程設計中，旋轉機械的保護和狀態監測儀表多數都由旋轉機械的OEM廠家負責選型與供貨，設計人員對這類儀表逐漸生疏。本文詳細介紹了旋轉機械保護和狀態監測儀表的基礎知識，幫助設計人員更好地從事這方面的設計工作。

【關鍵詞】振動 軸向位移 熱膨脹 軸承溫度 轉速 鍵相 偏心。

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

   1. 引言

   在石化行業的工藝裝置中，壓縮機、鼓風機、汽輪機、煙機、水泵、齒輪箱等旋轉機械作為裝置的關鍵設備，對生產的平穩運行起著至關重要的作用。

   為了旋轉機械安全、高效率地運行，需要監測旋轉機械的運行參數，實現對關鍵機組的保護和狀態監測。典型的監測參數如轉軸徑向振動，外殼振動，軸向位移，偏心，熱膨脹，轉速，鍵相以及軸承溫度等。通過以上參數的監測，還可以對設備故障進行早期診斷，例如轉子不平衡，不對中，軸承磨損，軸裂紋，轉子彎曲，油膜渦動以及摩擦等。

  2 旋轉機械主要的測量參數

  2.1 轉軸徑向振動

   對于滑動軸承，一般要求監測轉軸的徑向振動。轉軸徑向振動一般指轉軸的徑向往復運動。使用電渦流傳感器測量轉軸徑向振動。ISO7919對轉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，不能反映轉軸在其它方向的振動情況。為了能夠進行全面保護和狀態監測，在一個軸承上，需要在互相垂直的位置安裝兩個探頭。這兩個探頭應位于同一個垂直于軸中心線的斷面上，并應接近于軸頸軸承。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軸的相對振動矢量疊加，所得的結果稱為轉軸的絕對振動，即轉軸相對于大地的振動。

  轉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，由于轉軸的振動基本全部傳遞給軸承座，因此一般不直接監測轉軸的振動，而是監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運動。ISO10816對外殼振動允許值進行了詳細規定，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

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

  軸向位移是指轉軸沿軸向相對于某個基準的平均位置變化。

   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。

   由于旋轉機械的轉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致動靜部件摩擦或者碰撞，從而產生嚴重的后果。所以在線需要監測軸向位移，起到保護機器的作用。

  使用渦流傳感器監測位移，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。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平面。為避免傳感器故障導致誤測量，影響機器保護，建議并行安裝兩個探頭。

  2.4 偏心

  偏心測量的是轉軸的彎曲度。

  一般在轉軸比較重而且跨度比較大的旋轉機械中監測轉軸偏心，比如石化熱電中汽輪發電機組。偏心過大，會導致機組在高速旋轉時產生很大的徑向振動，從而破壞機器。所以在機器低速旋轉時要測量轉軸的偏心，只有當偏心值在規定范圍內時，才可以繼續升速運轉。

  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軸的彎曲程度。

  2.5 熱膨脹

   轉子或者機殼在受熱后會產生膨脹，稱為熱膨脹。

   轉子和機殼的膨脹速度是不一樣的，轉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。相對膨脹產生的結果是改變了轉動部件和靜止部件之間的間隙。如果相對膨脹多大，就會導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 轉速

   轉速就是機器的旋轉速度。通常會有零轉速及超速測量的應用。零轉速通常會應用在軸系較長，如熱電機組，乙烯三機等機組中，避免機組熱態停機時，造成轉子熱彎曲。當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，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，通常會有SIL3認證要求。為了防止旋轉機械超速造成嚴重事故，必須對轉速進行監測，并提供超速保護信號。

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

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

   目前石化行業常用的超速儀表如美國本特利的3500，美國AIRPAX轉速表等。

  2.7鍵相位

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

   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系。數據采集系統可以利用其進行同步采樣。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，并在轉軸上設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，并在轉軸上臨時粘貼反光帶。
鍵相傳感器徑向對著鍵槽/凸鍵/反光帶安裝。
由于鍵相傳感器在轉軸每旋轉一周時記錄一個脈沖信號，因而鍵相信號也可以測量轉速。

  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，會導致軸承溫度的升高。例如軸承發生了嚴重磨損（俗稱燒瓦），軸承溫度通常會迅速升高，倘若機器繼續運行下去，會產生更加嚴重的后果，比如葉片碰摩，密封損壞等。所以需要監測軸承溫度，以對機器進行及時保護，同時可以利用軸承溫度數據進行故障分析。

   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，具有結構簡單，線性范圍寬，在線性范圍內靈敏度不隨初始間隙而變，動態響應好，能連續長期可靠地工作等優點，目前被廣泛應用于旋轉機械的在線檢測和安全監控。

   旋轉機械的大部分振動和位移運行參數，都可以應用電渦流式趨近傳感器探頭進行測量。

  3.1 電渦流傳感器的工作原理

根據法拉第電磁感應原理，金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內將產生呈旋渦狀的感應電流，此現象為電渦流效應。根據電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流傳感器。
前置器產生一個高頻信號，該信號在探頭端面的線圈中產生交變的磁場，當被測金屬靠近這一磁場，則在金屬表面上產生電渦流。該電渦流產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子的振動位移。

3.2 電渦流傳感器的系統響應特性：
圖1為電渦流傳感器的系統響應特性，即間隙與輸出電壓的關系曲線。
固定輸入頻率時，在線性范圍內，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，也即總間隙應處在線性范圍之內。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，都應處在線性范圍之內。

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。因而電渦流探頭應用非常廣泛。

4. 旋轉機械測量儀表的組成及選用
石化行業常用的旋轉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成電渦流傳感器系統。
每一個探頭都是通過電纜聯到前置器上的，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（一般是由監測器供電）。前置器的輸出是一個負的直流電壓，該電壓的變化正比于探頭頂部和被監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，以及鍵相和轉速測量。
當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 )。
燃氣輪機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。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
渦流傳感器系統有兩種規格：5米和9米系統。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。首先要確定系統的總長需要多少，然后選對應于總長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，這樣才能達到正確的匹配。
例如：前置器 330180-51-05 5米電氣長度規格的前置器
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）對于大型旋轉機組，需要對來自傳感器的檢測信號進行分析，以診斷機械的運行狀態是否正常。這時需要配置3500系列框架表。瞬態數據接口（TDI）是3500框架儀表與組態、顯示和狀態監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）有些機器結構簡單，振動測點單一，測點數量很好，不需要進行振動分析時，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。
系統配置：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、監測器模塊、框架組態軟件、鍵相器模塊、通訊網關模塊等。
3500系列框架儀表與3300系列電渦流傳感器系統構成完整的軸系儀表監測系統。
3500系列框架儀表把來自前置放大器的電壓信號轉換成4～20mA的標準信號，再以硬接線的形式至安全儀表系統。
同時通訊網關可通過以太網TCP/IP和串行(RS232/RS485)通訊協議將所有框架的監測數據和狀態傳送至過程控制系統。

瞬態數據接口（TDI）是3500監測系統和Bently機械管理軟件（System 1）之間的接口。連續采集穩態和瞬態波形數據，并通過以太網將數據傳送到上位機，通過動態數據管理系統/瞬態數據管理系統軟件，進行故障診斷分析。
（2）當傳感器安裝于危險地區時，3500框架儀表可以與內部或外部本質安全柵一起使用。但是，3500內部安全柵選項通常比外部安全柵更可取，因為它節約成本，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，轉換為數字鍵相位信號。僅是作振動分析時使用。如果轉變為4～20mA信號輸出，也就失去了本身鍵相的意義。

5 旋轉機械的故障診斷
大多數振動故障都是直接與轉子運動有關，因此，我們主要是從轉子運動中去監測和發現振動故障。不僅要求有較為完整的數據監測和采集系統，而且要求對轉子—支承系統的各類振動問題的一般規律及其表現出的現象有深入的了解。只有兩者結合，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是動態數據管理系統/瞬態數據管理系統，可將來自傳感器的振動信號進行分析。給出各種圖表，圖形，各參數的發展趨勢以及其它有關信息，借以判斷機械工作是否正常，估計設備的運行趨勢，提出治理建議。

6．結論：
本文根據工程設計中旋轉機械測量儀表的選型經驗，詳細介紹了旋轉機械保護和狀態監測測量儀表的各個環節。希望通過作者的介紹，使設計人員全面了解旋轉機械測量儀表的基本內容，并對工程設計提供參考。

參考文獻
【1】美國本特利公司資料及樣本
【2】《軸系儀表的基本知識與維護》 作者：黃鐘旺
【3】《機械量測量》
【4】《API670 Machinery Protection Systems》