王立新（延长石油北京石油化工工程有限公司 炼油事业部自控室 北京 100107）

【摘要】目前，在工程设计中，旋转机械的保护和状态监测仪表多数都由旋转机械的OEM厂家负责选型与供货，设计人员对这类仪表逐渐生疏。本文详细介绍了旋转机械保护和状态监测仪表的基础知识，帮助设计人员更好地从事这方面的设计工作。

【关键词】振动 轴向位移 热膨胀 轴承温度 转速 键相 偏心。

作者简介：王立新（1966-）1989年毕业于河南广播电视大学电气自动化专业，一直从事石油化工行业仪表及自控设计工作至今，任工程师。

   1. 引言

   在石化行业的工艺装置中，压缩机、鼓风机、汽轮机、烟机、水泵、齿轮箱等旋转机械作为装置的关键设备，对生产的平稳运行起着至关重要的作用。

   为了旋转机械安全、高效率地运行，需要监测旋转机械的运行参数，实现对关键机组的保护和状态监测。典型的监测参数如转轴径向振动，外壳振动，轴向位移，偏心，热膨胀，转速，键相以及轴承温度等。通过以上参数的监测，还可以对设备故障进行早期诊断，例如转子不平衡，不对中，轴承磨损，轴裂纹，转子弯曲，油膜涡动以及摩擦等。

  2 旋转机械主要的测量参数

  2.1 转轴径向振动

   对于滑动轴承，一般要求监测转轴的径向振动。转轴径向振动一般指转轴的径向往复运动。使用电涡流传感器测量转轴径向振动。ISO7919对转轴允许的径向振动做了具体的要求，这里不再详述。

  单个方向的径向振动测量，不能反映转轴在其它方向的振动情况。为了能够进行全面保护和状态监测，在一个轴承上，需要在互相垂直的位置安装两个探头。这两个探头应位于同一个垂直于轴中心线的断面上，并应接近于轴颈轴承。在实际的安装中，两支探头无需一定垂直或水平布置，但其夹角需保证90度（即互相垂直）。如右图所示。
在测轴振时，常常把探头装在轴承壳或者固定在机壳的支架上，这个振动称为转轴相对振动，即相对于机器本体的振动。

  机器本身也是有振动的。如果将机器本体的振动和转轴的相对振动矢量叠加，所得的结果称为转轴的绝对振动，即转轴相对于大地的振动。

  转轴振动的单位一般用位移表示，单位是um pp，pp是peak to peak的缩写，表示峰峰值的意思。

   对于滚珠轴承安装的机器，由于转轴的振动基本全部传递给轴承座，因此一般不直接监测转轴的振动，而是监测轴承座或者机器外壳的振动。

  2.2 外壳振动

  对于滚珠轴承机器，或者齿轮箱振动，一般要监测机器的外壳或者轴承座振动。指的是机器本体相对于大地往复运动。ISO10816对外壳振动允许值进行了详细规定，这里不再累述。

   外壳振动一般用速度或者加速度传感器测量，用振速或者振动加速度表示振动的大小。振速单位一般用mm/s rms，rms是有效值的意思。振动加速度单位一般用mm/s2 pk，pk是peak的缩写，表示单峰值的意思。
外壳振动传感器一般垂直或者水平安装在轴承座上。如图所示。

  2.3 轴向位移

  旋转机械（如汽轮机，压缩机等）在转子的两侧存在压力差，这个压力差导致转子在轴向存在不平衡力，这个力导致转子沿轴向会移动。一般用推力轴承来限制转轴在轴向的移动。

  轴向位移是指转轴沿轴向相对于某个基准的平均位置变化。

   推力轴承是有安装间隙的，而且推力轴承也是会磨损的，所以轴向位移总是存在的。

   由于旋转机械的转动部件和静止部件之间的间隙一般都很小，过量的轴向位移会改变动静部件的相对位置甚至导致动静部件摩擦或者碰撞，从而产生严重的后果。所以在线需要监测轴向位移，起到保护机器的作用。

  使用涡流传感器监测位移，单位一般用mm。

   为了避免热膨胀对轴向位移测量的影响，要求探头尽量安装在推力轴承附近，一般在30cm以内。一般情况下，被测表面是轴上的止推法兰或者轴上其它基准平面。为避免传感器故障导致误测量，影响机器保护，建议并行安装两个探头。

  2.4 偏心

  偏心测量的是转轴的弯曲度。

  一般在转轴比较重而且跨度比较大的旋转机械中监测转轴偏心，比如石化热电中汽轮发电机组。偏心过大，会导致机组在高速旋转时产生很大的径向振动，从而破坏机器。所以在机器低速旋转时要测量转轴的偏心，只有当偏心值在规定范围内时，才可以继续升速运转。

  使用涡流探头测量偏心，用位移表示，单位是um pp。

  偏心探头一般安装在机头处，以能够最大限度测量到转轴的弯曲程度。

  2.5 热膨胀

   转子或者机壳在受热后会产生膨胀，称为热膨胀。

   转子和机壳的膨胀速度是不一样的，转子受热后的膨胀速度会比机壳膨胀快，它们之间膨胀的差值，称为相对膨胀，或者胀差。相对膨胀产生的结果是改变了转动部件和静止部件之间的间隙。如果相对膨胀多大，就会导致动静部件摩擦或者碰撞，从而破坏机器。

   相对膨胀或者胀差一般使用涡流传感器测量，也有使用LVDT传感器测量的。用位移表示，单位为mm。

  有些机组，如汽轮发电机的高压缸，会测量其缸体的绝对膨胀量，称为缸胀，以观察机壳的整体膨胀量。

  2.6 转速

   转速就是机器的旋转速度。通常会有零转速及超速测量的应用。零转速通常会应用在轴系较长，如热电机组，乙烯三机等机组中，避免机组热态停机时，造成转子热弯曲。当机组降到接近静止时，自动启动盘车电机，使得机组保持低速运转，避免热弯曲。超速测量通常是针对透平机组，是非常重要的机组保护，通常会有SIL3认证要求。为了防止旋转机械超速造成严重事故，必须对转速进行监测，并提供超速保护信号。

   转速测量常用的有以下几种传感器：电涡流转速传感器、磁阻式转速传感器、磁敏式转速传感器等。

   通常在转轴上会设计一个多齿齿轮盘，传感器对着齿轮盘径向垂直安装在固定支架上。

   目前石化行业常用的超速仪表如美国本特利的3500，美国AIRPAX转速表等。

  2.7键相位

   振动信号除了有幅值大小外，还有相位关系，本质上是一种时间顺序关系。由于这种相位是通过对转轴上的键槽或者凸键进行感应检测而测量的，故俗称其为键相位，英文名称为Keypahsor,，@Keyphasor是本特利的注册商标。

   有了键相位信号后，不仅可以测量振动的大小，还可以知道振动的方向，能够记录跟踪滤波信号的相位关系。数据采集系统可以利用其进行同步采样。键相信号是振动分析非常重要的元素，也是动平衡所需要的基本信号。

   永久安装的键相传感器通常使用涡流传感器，并在转轴上设计有键槽或者安装有凸键。

   临时安装的键相传感器通常使用光电传感器或者激光传感器，并在转轴上临时粘贴反光带。
键相传感器径向对着键槽/凸键/反光带安装。
由于键相传感器在转轴每旋转一周时记录一个脉冲信号，因而键相信号也可以测量转速。

  2.8轴承温度

  轴承温度指的是支撑轴承的瓦块温度。

   很多机械故障或者润滑油的故障，会导致轴承温度的升高。例如轴承发生了严重磨损（俗称烧瓦），轴承温度通常会迅速升高，倘若机器继续运行下去，会产生更加严重的后果，比如叶片碰摩，密封损坏等。所以需要监测轴承温度，以对机器进行及时保护，同时可以利用轴承温度数据进行故障分析。

   轴承温度测量包括径向支撑轴承和推力轴承两个方面。温度探头一般安装在垂直于旋转方向的下轴承体的活动瓦块上。

   一般选用的测量元件为铂热电阻。分度号为Pt100。

   轴瓦温度探头一般采用埋入式安装

   3 电涡流传感器的工作原理

    电涡流传感器是非接触式测量，具有结构简单，线性范围宽，在线性范围内灵敏度不随初始间隙而变，动态响应好，能连续长期可靠地工作等优点，目前被广泛应用于旋转机械的在线检测和安全监控。

   旋转机械的大部分振动和位移运行参数，都可以应用电涡流式趋近传感器探头进行测量。

  3.1 电涡流传感器的工作原理

根据法拉第电磁感应原理，金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈旋涡状的感应电流，此现象为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流传感器。
前置器产生一个高频信号，该信号在探头端面的线圈中产生交变的磁场，当被测金属靠近这一磁场，则在金属表面上产生电涡流。该电涡流产生一个与探头线圈方向相反的交变磁场，使探头线圈高频电流的幅度和相位得到改变，而前置器可以探测到信号强度的损失。前置器输出信号与探头到被测体表面的间距成正比。
电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测量物体的振动和位移的。它与被测物之间没有直接的机械接触，因此，特别适合于测量具有表面线速度的转子的振动位移。

3.2 电涡流传感器的系统响应特性：
图1为电涡流传感器的系统响应特性，即间隙与输出电压的关系曲线。
固定输入频率时，在线性范围内，探头表面与被测物表面之间的间隙与输出电压成正比，这是电涡流传感器十分重要的特性。

在安装电涡流传感器时，要注意平均间隙的选取。要求平均间隙加上振动间隙，也即总间隙应处在线性范围之内。一般来说，平均间隙选在线性段的中点，这样，在平均间隙两边容许有最大的动态振幅。探头表面与被测物表面之间的距离无论如何变化，都应处在线性范围之内。

3.3 电涡流传感器的频响特性：
电涡流传感器的另一特点是低频响应非常好，频率可以到零。亦即探头表面与被测物表面之间的间隙可以不变，这时前置器具有一个直流输出。频率在1KHz以下，其电压输出均为100% 。亦即没有因为频率较低而使振幅输出有所改变。因而电涡流探头应用非常广泛。

4. 旋转机械测量仪表的组成及选用
石化行业常用的旋转机械测量仪表主要是本特利3300系列电涡流传感器和3500系列框架仪表。下面以本特利3300系列、3500系列仪表为例介绍旋转机械测量仪表的组成及选用。

4.1 本特利3300系列仪表的探头，延伸电缆以及前置器一起构成电涡流传感器系统。
每一个探头都是通过电缆联到前置器上的，电缆可以和探头是一个整体或者不是整体而用延伸电缆。前置器由－24VDC电源供电（一般是由监测器供电）。前置器的输出是一个负的直流电压，该电压的变化正比于探头顶部和被监测对象表面间的距离的变化。
常用的电涡流传感器探头如下：
3300系列8mm探头是最常用的产品，提供最大80mils (2mm) 线性范围，灵敏度：200 mV/mil (7.87V/mm )，主要用于振动和位移测量，以及键相和转速测量。
当需要更大线性范围的测量时，可选11mm探头，它可提供160mils (4mm) 线性范围，灵敏度：100 mV/mil (3.94V/mm )。
燃气轮机和蒸汽透平的高温足以破坏普通的电涡流探头，这时可选用3300耐高温电涡流传感器系统。探头可承受＋350℃高温，提供160mils (4mm) 线性范围，灵敏度：100 mV/mil (3.94V/mm )。
电涡流探头直径越大，线性范围也越大，但灵敏度降低。

4.2 延伸电缆的长度选择
涡流传感器系统有两种规格：5米和9米系统。这里的5米或者9米指的是电气意义长度，而非实际的物理长度，实际物理长度和电气意义长度略有差别。首先要确定系统的总长需要多少，然后选对应于总长5米还是9米的前置器。其次要决定探头所需的电缆长度是多长，传感器系统的总长减去探头上带的电缆长度，就是延伸电缆所需要的长度，探头和延伸电缆的长度加在一起，必需是前置器所需要的长度，这样才能达到正确的匹配。
例如：前置器 330180-51-05 5米电气长度规格的前置器
轴位移探头 330103-00-06-05-02-05 探头自带的电缆长度0.5米
延伸电缆 330130-045-01-00 延伸电缆长度4.5米

4.3 前置器
前置器分两种：前置放大器和前置变送器
（1）对于大型旋转机组，需要对来自传感器的检测信号进行分析，以诊断机械的运行状态是否正常。这时需要配置3500系列框架表。瞬态数据接口（TDI）是3500框架仪表与组态、显示和状态监测软件连接的主要接口。与3500系列框架表相配的是前置放大器。
系统配置：探头＋延伸电缆＋前置放大器＋3500系列框架表
（2）有些机器结构简单，振动测点单一，测点数量很好，不需要进行振动分析时，可以不配置3500系列框架表。前置器选用前置变送器（990/991系列），直接输出4～20mA信号至DCS或SIS系统。
系统配置：探头＋延伸电缆＋前置变送器

4.4 3500系列框架仪表
（1）3500系列框架仪表包括：框架、电源、接口模块、监测器模块、框架组态软件、键相器模块、通讯网关模块等。
3500系列框架仪表与3300系列电涡流传感器系统构成完整的轴系仪表监测系统。
3500系列框架仪表把来自前置放大器的电压信号转换成4～20mA的标准信号，再以硬接线的形式至安全仪表系统。
同时通讯网关可通过以太网TCP/IP和串行(RS232/RS485)通讯协议将所有框架的监测数据和状态传送至过程控制系统。

瞬态数据接口（TDI）是3500监测系统和Bently机械管理软件（System 1）之间的接口。连续采集稳态和瞬态波形数据，并通过以太网将数据传送到上位机，通过动态数据管理系统/瞬态数据管理系统软件，进行故障诊断分析。
（2）当传感器安装于危险地区时，3500框架仪表可以与内部或外部本质安全栅一起使用。但是，3500内部安全栅选项通常比外部安全栅更可取，因为它节约成本，不要求额外框架空间，也没有附加连线。安全性更高。但内部安全栅通常为齐纳栅，需要更高的接地要求，通常要求接地电阻不大于1欧姆。
（3）3500系列框架仪表的键相位模块不能输出4～20mA信号，此模块接收来自电涡流传感器的输入信号，转换为数字键相位信号。仅是作振动分析时使用。如果转变为4～20mA信号输出，也就失去了本身键相的意义。

5 旋转机械的故障诊断
大多数振动故障都是直接与转子运动有关，因此，我们主要是从转子运动中去监测和发现振动故障。不仅要求有较为完整的数据监测和采集系统，而且要求对转子—支承系统的各类振动问题的一般规律及其表现出的现象有深入的了解。只有两者结合，才有可能判断出故障的原因及其在机器上的可能部位。
DDM/TDM是动态数据管理系统/瞬态数据管理系统，可将来自传感器的振动信号进行分析。给出各种图表，图形，各参数的发展趋势以及其它有关信息，借以判断机械工作是否正常，估计设备的运行趋势，提出治理建议。

6．结论：
本文根据工程设计中旋转机械测量仪表的选型经验，详细介绍了旋转机械保护和状态监测测量仪表的各个环节。希望通过作者的介绍，使设计人员全面了解旋转机械测量仪表的基本内容，并对工程设计提供参考。

参考文献
【1】美国本特利公司资料及样本
【2】《轴系仪表的基本知识与维护》 作者：黄钟旺
【3】《机械量测量》
【4】《API670 Machinery Protection Systems》