于世恒

(上海石油化工股份有限公司 仪控中心，上海 200540)

笔者负责审核单位2019年度仪表故障汇编时，发现一个很典型的案例，相同案例在两年前也曾发生过，说明这不是普通的案例，值得深入剖析。

1 案例回顾

2019年7月23日，仪表维护人员按照制定的预防性检查计划，对焦化装置富气压缩机组接线箱进行在线预防性检查工作。检查内容主要有信号线接头清洗、接线端子紧固、检查接线箱内是否漏油等。

该项工作于当日上午9：30开具仪表作业票，9：45开具联锁工作票，切除联锁，然后对接线箱进行在线开盖检查作业，于10：20完成压缩机振动和位移接线箱的检查工作。随后保持联锁切除状态，观察机组运行状态，经工艺确定数据稳定正常后，恢复联锁投用，在联锁恢复瞬间发生了压缩机联锁停机。事件序列记录(SOE)显示联锁原因为轴位移联锁。

两年前，柴油加氢装置的压缩机组也曾发生过同样的事件，当时是该机组轴位移超标报警，仪表维保人员在联锁切除后，打开现场轴系仪表接线箱，检查、清洗轴位移接线端子，消除故障，机组运行平稳后，恢复联锁，恢复联锁后瞬间发生联锁停机。SOE显示联锁原因也是轴位移联锁。

相隔两年，同样的事件在不同的装置再次发生，说明该案例绝非偶然，值得深入剖析。两起事件都是压缩机轴系仪表在线维护后发生联锁停机，虽然压缩机的轴位移、轴振动都设置了联锁保护，但是两次事件的联锁原因都是轴位移而不是轴振动，都是发生在现场轴系仪表接线箱在线检查维护后，联锁功能恢复投用之时。为了更好地了解故障原因，笔者分析了压缩机轴系联锁保护仪表系统的构成、组态、工作原理及现场维护。

2 压缩机轴系联锁保护仪表系统构成及组态

石化企业压缩机轴系测量仪表大多数采用本特利3300XL系列轴系仪表，该系列仪表由安装在压缩机本体上测量轴振动及轴位移的仪表探头、延伸电缆、前置放大器，以及安装在机柜间的框架仪表及压缩机控制系统(CCS)构成。现场探头传感器检测到压缩机轴承振动信号或位移信号，经趋近器转换成4～20 mA标准仪表信号，送入机柜间的框架仪表，在框架仪表内经组态设置轴振动及位移的联锁值，测量信号一旦达到设定值即以DI 信号送入CCS，在CCS内实现对压缩机组的联锁保护控制。CCS结构如图1所示。

图1 CCS结构示意

3 压缩机轴系振动及位移仪表测量原理

压缩机轴系振动及位移仪表的测量原理为电涡流原理： 测量探头是系统的一个重要组成部分，负责采集、感受被测信号，能精确地探测出被测体表面相对于探头端面间隙的变化。通常探头由线圈、头部保护罩、不锈钢壳体、高频电缆、高频接头组成。其中线圈是探头的核心部分，它是整个传感器系统的敏感元件，线圈的电气参数和物理几何尺寸决定传感器系统的线性量程及稳定性。该系列仪表的探头有8 mm系列和11 mm系列。

当传感器探头内线圈通入由框架仪表电源经前置放大器送入的一个交变电流时，在探头线圈周围形成磁场。如果将一个导体放入该磁场,根据法拉第电磁感应定律,导体内会激发出电涡流。根据楞兹定律,电涡流的磁场方向与线圈磁场方向正好相反,而这将改变探头内线圈的阻抗值。该阻抗值的变化与线圈到被测物体之间的距离直接相关。传感器探头连接到框架仪表，框架仪表内置程序根据从传感器探头内获得电压值的变化量,并以此为依据,计算出对应的距离值。

电涡流传感器采用比例因数将系统输出转换成位移值，传感器电涡流原理如图2所示，传感器原理如图3所示。在一个很宽的位移范围内保证比例因数不变。在系统线性范围内，才能用比例因数计算位移值。位移计算公式如式(1)所示：

d=ΔU/S

(1)

式中：d—位移，mm；ΔU—电压变化；S—比例因数。

图2 传感器电涡流原理示意

图3 传感器原理示意

4 现场可维护部件的维护

密封安装在压缩机内部轴上的探头不可见，除非检修解体可以对探头进行比对校验，压缩机正常运转时，轴系仪表的在线维护，只能在联锁旁路的情况下，检查清洗探头压缩机体以外的延伸线缆与前置放大器连接接头，检查前置放大器的信号是否正常。有的轴系仪表接线箱安装在基座上，会随机身一起振动，需要定期紧固信号线接头；也有的机组密封不好，机体内的机油会被信号线虹吸到接线箱内，需要定期检查清洗。

4.1 延伸电缆

作为系统的一个组成部分，延伸电缆用来延长探头以连接前置器，应该使延伸电缆长度加探头长度与配置前置放大器所要求的电气参数的长度一致。即探头、延伸电缆、前置发达器要相互匹配，如8 mm 探头配4 m的延伸电缆，可以匹配的前置器为330180-50-00/CN。

采用延伸电缆的目的是为了缩短探头所带电缆的长度。延伸电缆的两端接头不同，带内螺纹的接头(转接头)与探头连接，带外螺纹的接头与前置放大器连接。延伸电缆也有阻抗的要求，如8 mm探头所配4.0 m电缆，线芯电阻(从中心导体到中心导体的阻抗)为(0.88±0.13ω) Ω，外导体电阻(从同轴导体到同轴导体的阻抗)为(0.26±0.05ω) Ω，延伸电缆接头需要定期清洗维护，接头被油污染会引起延伸电缆电阻值的变化，影响测量精度，需要定期检查线缆电阻值的变化。

4.2 前置放大器

前置放大器是信号处理器，一方面前置放大器为探头线圈提供高频交流电流；另一方面，前置放大器感受探头前面由于金属导体靠近引起探头参数的变化，经前置放大器的处理，产生随探头端面与被测金属导体间隙线性变化的输出电压。前置器检测电路检测探头线圈的感抗变化，再经放大电路将感抗变化量变换放大成相应电压变化信号输出。最后经框架监测仪进行转换输出。前置器输出电压交流分量与直流分量波形如图4所示。

图4 前置放大器输出电压交流分量与直流分量波形示意

前置放大器与信号线缆的接线端子也需要定期清洗，前置放大器的输入、输出信号是否正常，需要定期检查。

5 故障原因分析

5.1 轴位移联锁的原因分析

压缩机组振动和位移都设置了联锁，为什么轴位移总是出现故障？需要从探头的检测原理来分析： 探头与被检测物体之间的间隙变化，转变为电压信号经前置放大器输入到框架仪表， 根据不同的测量参数的要求将其输出电压的直流部分用做位移量的检测信号，交流部分用做振动值的检测信号。前置放大器的供电电压为24 V(DC)。

振动探头检测的是前置放大器输出电压的交流分量的峰值，反映的是旋转机械径向振动状况，即轴振动测的是交流信号，在预防性维护作业过程中，拆卸振动信号线，信号输出被中断，自然就没有交流信号了，所以振动信号就为零。

而轴位移探头检测的是前置放大器输出电压的直流分量，相当于算数平均值，反映的是旋转机械的轴向位置情况。即轴位移测的是直流信号，在线作业过程中无论信号线是否断开，框架表都能测到直流信号。

电涡流传感器一般是探头靠近物体，前置放大器电压趋近于0，远离物体时，前置放大器电压输出趋近于电源电压。而轴位移测量一般是趋近时为负，远离时为正，即趋近时电流向4 mA变化，远离时电流向20 mA变化。因此，如果轴位移探头信号输入至前置放大器的信号线断开，前置放大器输出电流会向20 mA变化，如果前置放大器连接框架仪表的信号线断开，电流会向4 mA变化。

当现场检查趋近器时，无论是断开趋近器的输入信号，还是输出信号，趋近器的输出信号都会向两个极端变化，这个过程就会跨过轴位移联锁设置点，触发框架仪表内的联锁设定值，发出联锁信号。

5.2 作业结束恢复联锁投用时发生停车的原因分析

作业过程中在清洗紧固前置放大器接头时，断开信号线，造成前置放大器的输出信号最大，触发了联锁，由于联锁触发后框架仪表内有逻辑自锁功能，已经被触发的轴位移联锁信号一直被保持在框架表内，作业过程中联锁信号隐而不发是因为CCS的联锁被旁路，一旦作业结束后CCS恢复联锁，被框架仪表锁存的该联锁信号被释放，即刻造成联锁停机。

正确做法应该是，作业结束后，对轴系框架仪表进行检查确认，用框架仪表内置的RESET 键，复位消除被锁存在联锁逻辑模块内的联锁信号，这样在恢复联锁后，就不会再有联锁信号发出。

6 管理上需要改进的问题

6.1 安全仪表在线作业前应进行详细的安全评估及风险分析

压缩机轴系监测联锁仪表属于安全仪表管理范畴，尤其是在线作业，作业前要进行安全评估及风险分析，风险分析应建立在对系统及作业的每个环节十分了解熟悉的基础上。

如果对压缩机轴系联锁保护仪表系统的机理不熟悉，很难分析出像该案例中清洗轴位移接头会发出联锁信号的隐患。

6.2 建立仪表分级管理策略

仪表维护管理中，应根据仪表不同的位置和不同的风险等级，分别制定有针对性的维护策略。像压缩机轴系仪表这种高风险的在线作业，应从管理上划归到A级作业，从作业环节到确认环节都应该非常重视。

6.3 制定有针对性的作业指导书

针对具体的典型的作业，应编制详细的作业指导书，规范每一步作业，像该案例中作业结束后必须检查框架仪表，确认有没有联锁值被锁存，是否在投用系统时进行了有效的复位等。如果严格按作业指导书做，就不会重复发生同样的问题。

6.4 对压缩机轴系仪表联锁系统进行优化改造

可以考虑把框架仪表的联锁、保持、复位功能和CCS 上的联锁功能进行统一优化设计，通盘考虑，避免功能分散在不同的主机上引起管理上不便及混乱。

7 结束语

安全仪表在线作业是预防性维护不能回避的问题，该类仪表在线作业时，必然存在较大风险，稍不注意就有可能适得其反。如何做到风险分析识别准确，作业环节精准施策，解决问题而不是扩大问题是每一位管理者应该深入思考的问题。