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(fù)責(zé)審核單位2019年度儀表故障匯編時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)很典型的案例，相同案例在兩年前也曾發(fā)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(hù)人員按照制定的預(yù)防性檢查計(jì)劃，對(duì)焦化裝置富氣壓縮機(jī)組接線箱進(jìn)行在線預(yù)防性檢查工作。檢查內(nèi)容主要有信號(hào)線接頭清洗、接線端子緊固、檢查接線箱內(nèi)是否漏油等。

該項(xiàng)工作于當(dāng)日上午9：30開具儀表作業(yè)票，9：45開具聯(lián)鎖工作票，切除聯(lián)鎖，然后對(duì)接線箱進(jìn)行在線開蓋檢查作業(yè)，于10：20完成壓縮機(jī)振動(dòng)和位移接線箱的檢查工作。隨后保持聯(lián)鎖切除狀態(tài)，觀察機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)工藝確定數(shù)據(jù)穩(wěn)定正常后，恢復(fù)聯(lián)鎖投用，在聯(lián)鎖恢復(fù)瞬間發(fā)生了壓縮機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)。事件序列記錄(SOE)顯示聯(lián)鎖原因?yàn)檩S位移聯(lián)鎖。

兩年前，柴油加氫裝置的壓縮機(jī)組也曾發(fā)生過同樣的事件，當(dāng)時(shí)是該機(jī)組軸位移超標(biāo)報(bào)警，儀表維保人員在聯(lián)鎖切除后，打開現(xiàn)場(chǎng)軸系儀表接線箱，檢查、清洗軸位移接線端子，消除故障，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)后，恢復(fù)聯(lián)鎖，恢復(fù)聯(lián)鎖后瞬間發(fā)生聯(lián)鎖停機(jī)。SOE顯示聯(lián)鎖原因也是軸位移聯(lián)鎖。

相隔兩年，同樣的事件在不同的裝置再次發(fā)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(jī)軸系儀表在線維護(hù)后發(fā)生聯(lián)鎖停機(jī)，雖然壓縮機(jī)的軸位移、軸振動(dòng)都設(shè)置了聯(lián)鎖保護(hù)，但是兩次事件的聯(lián)鎖原因都是軸位移而不是軸振動(dòng)，都是發(fā)生在現(xiàn)場(chǎng)軸系儀表接線箱在線檢查維護(hù)后，聯(lián)鎖功能恢復(fù)投用之時(shí)。為了更好地了解故障原因，筆者分析了壓縮機(jī)軸系聯(lián)鎖保護(hù)儀表系統(tǒng)的構(gòu)成、組態(tài)、工作原理及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。

2 壓縮機(jī)軸系聯(lián)鎖保護(hù)儀表系統(tǒng)構(gòu)成及組態(tài)

石化企業(yè)壓縮機(jī)軸系測(cè)量?jī)x表大多數(shù)采用本特利3300XL系列軸系儀表，該系列儀表由安裝在壓縮機(jī)本體上測(cè)量軸振動(dòng)及軸位移的儀表探頭、延伸電纜、前置放大器，以及安裝在機(jī)柜間的框架儀表及壓縮機(jī)控制系統(tǒng)(CCS)構(gòu)成?，F(xiàn)場(chǎng)探頭傳感器檢測(cè)到壓縮機(jī)軸承振動(dòng)信號(hào)或位移信號(hào)，經(jīng)趨近器轉(zhuǎn)換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)儀表信號(hào)，送入機(jī)柜間的框架儀表，在框架儀表內(nèi)經(jīng)組態(tài)設(shè)置軸振動(dòng)及位移的聯(lián)鎖值，測(cè)量信號(hào)一旦達(dá)到設(shè)定值即以DI 信號(hào)送入CCS，在CCS內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)組的聯(lián)鎖保護(hù)控制。CCS結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CCS結(jié)構(gòu)示意

3 壓縮機(jī)軸系振動(dòng)及位移儀表測(cè)量原理

壓縮機(jī)軸系振動(dòng)及位移儀表的測(cè)量原理為電渦流原理： 測(cè)量探頭是系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，負(fù)責(zé)采集、感受被測(cè)信號(hào)，能精確地探測(cè)出被測(cè)體表面相對(duì)于探頭端面間隙的變化。通常探頭由線圈、頭部保護(hù)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(gè)傳感器系統(tǒng)的敏感元件，線圈的電氣參數(shù)和物理幾何尺寸決定傳感器系統(tǒng)的線性量程及穩(wěn)定性。該系列儀表的探頭有8 mm系列和11 mm系列。

當(dāng)傳感器探頭內(nèi)線圈通入由框架儀表電源經(jīng)前置放大器送入的一個(gè)交變電流時(shí)，在探頭線圈周圍形成磁場(chǎng)。如果將一個(gè)導(dǎo)體放入該磁場(chǎng),根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,導(dǎo)體內(nèi)會(huì)激發(fā)出電渦流。根據(jù)楞茲定律,電渦流的磁場(chǎng)方向與線圈磁場(chǎng)方向正好相反,而這將改變探頭內(nèi)線圈的阻抗值。該阻抗值的變化與線圈到被測(cè)物體之間的距離直接相關(guān)。傳感器探頭連接到框架儀表，框架儀表內(nèi)置程序根據(jù)從傳感器探頭內(nèi)獲得電壓值的變化量,并以此為依據(jù),計(jì)算出對(duì)應(yīng)的距離值。

電渦流傳感器采用比例因數(shù)將系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)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(gè)很寬的位移范圍內(nèi)保證比例因數(shù)不變。在系統(tǒng)線性范圍內(nèi)，才能用比例因數(shù)計(jì)算位移值。位移計(jì)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(shù)。

圖2 傳感器電渦流原理示意

圖3 傳感器原理示意

4 現(xiàn)場(chǎng)可維護(hù)部件的維護(hù)

密封安裝在壓縮機(jī)內(nèi)部軸上的探頭不可見，除非檢修解體可以對(duì)探頭進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)，壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸系儀表的在線維護(hù)，只能在聯(lián)鎖旁路的情況下，檢查清洗探頭壓縮機(jī)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(hào)是否正常。有的軸系儀表接線箱安裝在基座上，會(huì)隨機(jī)身一起振動(dòng)，需要定期緊固信號(hào)線接頭；也有的機(jī)組密封不好，機(jī)體內(nèi)的機(jī)油會(huì)被信號(hào)線虹吸到接線箱內(nèi)，需要定期檢查清洗。

4.1 延伸電纜

作為系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，延伸電纜用來延長(zhǎng)探頭以連接前置器，應(yīng)該使延伸電纜長(zhǎng)度加探頭長(zhǎng)度與配置前置放大器所要求的電氣參數(shù)的長(zhǎng)度一致。即探頭、延伸電纜、前置發(fā)達(dá)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(zhǎng)度。延伸電纜的兩端接頭不同，帶內(nèi)螺紋的接頭(轉(zhuǎn)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(dǎo)體到中心導(dǎo)體的阻抗)為(0.88±0.13ω) Ω，外導(dǎo)體電阻(從同軸導(dǎo)體到同軸導(dǎo)體的阻抗)為(0.26±0.05ω) Ω，延伸電纜接頭需要定期清洗維護(hù)，接頭被油污染會(huì)引起延伸電纜電阻值的變化，影響測(cè)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(hào)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(dǎo)體靠近引起探頭參數(shù)的變化，經(jīng)前置放大器的處理，產(chǎn)生隨探頭端面與被測(cè)金屬導(dǎo)體間隙線性變化的輸出電壓。前置器檢測(cè)電路檢測(cè)探頭線圈的感抗變化，再經(jīng)放大電路將感抗變化量變換放大成相應(yīng)電壓變化信號(hào)輸出。最后經(jīng)框架監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行轉(zhuǎn)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(hào)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(hào)是否正常，需要定期檢查。

5 故障原因分析

5.1 軸位移聯(lián)鎖的原因分析

壓縮機(jī)組振動(dòng)和位移都設(shè)置了聯(lián)鎖，為什么軸位移總是出現(xiàn)故障？需要從探頭的檢測(cè)原理來分析： 探頭與被檢測(cè)物體之間的間隙變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)經(jīng)前置放大器輸入到框架儀表， 根據(jù)不同的測(cè)量參數(shù)的要求將其輸出電壓的直流部分用做位移量的檢測(cè)信號(hào)，交流部分用做振動(dòng)值的檢測(cè)信號(hào)。前置放大器的供電電壓為24 V(DC)。

振動(dòng)探頭檢測(cè)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(zhuǎn)機(jī)械徑向振動(dòng)狀況，即軸振動(dòng)測(cè)的是交流信號(hào)，在預(yù)防性維護(hù)作業(yè)過程中，拆卸振動(dòng)信號(hào)線，信號(hào)輸出被中斷，自然就沒有交流信號(hào)了，所以振動(dòng)信號(hào)就為零。

而軸位移探頭檢測(cè)的是前置放大器輸出電壓的直流分量，相當(dāng)于算數(shù)平均值，反映的是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸向位置情況。即軸位移測(cè)的是直流信號(hào)，在線作業(yè)過程中無論信號(hào)線是否斷開，框架表都能測(cè)到直流信號(hào)。

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(yuǎn)離物體時(shí)，前置放大器電壓輸出趨近于電源電壓。而軸位移測(cè)量一般是趨近時(shí)為負(fù)，遠(yuǎn)離時(shí)為正，即趨近時(shí)電流向4 mA變化，遠(yuǎn)離時(shí)電流向20 mA變化。因此，如果軸位移探頭信號(hào)輸入至前置放大器的信號(hào)線斷開，前置放大器輸出電流會(huì)向20 mA變化，如果前置放大器連接框架儀表的信號(hào)線斷開，電流會(huì)向4 mA變化。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)檢查趨近器時(shí)，無論是斷開趨近器的輸入信號(hào)，還是輸出信號(hào)，趨近器的輸出信號(hào)都會(huì)向兩個(gè)極端變化，這個(gè)過程就會(huì)跨過軸位移聯(lián)鎖設(shè)置點(diǎn)，觸發(fā)框架儀表內(nèi)的聯(lián)鎖設(shè)定值，發(fā)出聯(lián)鎖信號(hào)。

5.2 作業(yè)結(jié)束恢復(fù)聯(lián)鎖投用時(shí)發(fā)生停車的原因分析

作業(yè)過程中在清洗緊固前置放大器接頭時(shí)，斷開信號(hào)線，造成前置放大器的輸出信號(hào)最大，觸發(fā)了聯(lián)鎖，由于聯(lián)鎖觸發(fā)后框架儀表內(nèi)有邏輯自鎖功能，已經(jīng)被觸發(fā)的軸位移聯(lián)鎖信號(hào)一直被保持在框架表內(nèi)，作業(yè)過程中聯(lián)鎖信號(hào)隱而不發(fā)是因?yàn)镃CS的聯(lián)鎖被旁路，一旦作業(yè)結(jié)束后CCS恢復(fù)聯(lián)鎖，被框架儀表鎖存的該聯(lián)鎖信號(hào)被釋放，即刻造成聯(lián)鎖停機(jī)。

正確做法應(yīng)該是，作業(yè)結(jié)束后，對(duì)軸系框架儀表進(jìn)行檢查確認(rèn)，用框架儀表內(nèi)置的RESET 鍵，復(fù)位消除被鎖存在聯(lián)鎖邏輯模塊內(nèi)的聯(lián)鎖信號(hào)，這樣在恢復(fù)聯(lián)鎖后，就不會(huì)再有聯(lián)鎖信號(hào)發(fā)出。

6 管理上需要改進(jìn)的問題

6.1 安全儀表在線作業(yè)前應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的安全評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)分析

壓縮機(jī)軸系監(jiān)測(cè)聯(lián)鎖儀表屬于安全儀表管理范疇，尤其是在線作業(yè)，作業(yè)前要進(jìn)行安全評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)分析，風(fēng)險(xiǎn)分析應(yīng)建立在對(duì)系統(tǒng)及作業(yè)的每個(gè)環(huán)節(jié)十分了解熟悉的基礎(chǔ)上。

如果對(duì)壓縮機(jī)軸系聯(lián)鎖保護(hù)儀表系統(tǒng)的機(jī)理不熟悉，很難分析出像該案例中清洗軸位移接頭會(huì)發(fā)出聯(lián)鎖信號(hào)的隱患。

6.2 建立儀表分級(jí)管理策略

儀表維護(hù)管理中，應(yīng)根據(jù)儀表不同的位置和不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，分別制定有針對(duì)性的維護(hù)策略。像壓縮機(jī)軸系儀表這種高風(fēng)險(xiǎn)的在線作業(yè)，應(yīng)從管理上劃歸到A級(jí)作業(yè)，從作業(yè)環(huán)節(jié)到確認(rèn)環(huán)節(jié)都應(yīng)該非常重視。

6.3 制定有針對(duì)性的作業(yè)指導(dǎo)書

針對(duì)具體的典型的作業(yè)，應(yīng)編制詳細(xì)的作業(yè)指導(dǎo)書，規(guī)范每一步作業(yè)，像該案例中作業(yè)結(jié)束后必須檢查框架儀表，確認(rèn)有沒有聯(lián)鎖值被鎖存，是否在投用系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行了有效的復(fù)位等。如果嚴(yán)格按作業(yè)指導(dǎo)書做，就不會(huì)重復(fù)發(fā)生同樣的問題。

6.4 對(duì)壓縮機(jī)軸系儀表聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造

可以考慮把框架儀表的聯(lián)鎖、保持、復(fù)位功能和CCS 上的聯(lián)鎖功能進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化設(shè)計(jì)，通盤考慮，避免功能分散在不同的主機(jī)上引起管理上不便及混亂。

7 結(jié)束語

安全儀表在線作業(yè)是預(yù)防性維護(hù)不能回避的問題，該類儀表在線作業(yè)時(shí)，必然存在較大風(fēng)險(xiǎn)，稍不注意就有可能適得其反。如何做到風(fēng)險(xiǎn)分析識(shí)別準(zhǔn)確，作業(yè)環(huán)節(jié)精準(zhǔn)施策，解決問題而不是擴(kuò)大問題是每一位管理者應(yīng)該深入思考的問題。