Мониторинг осевого сдвига: как настроить защиту упорного подшипника, которая действительно защищает

Отказ упорного подшипника турбины или компрессора может за считаные секунды привести к задеванию ротора о статор. Мониторинг осевого сдвига — единственная защита, которая видит это заранее. Но она хороша ровно настолько, насколько правильно настроена: куда смотрят датчики, где выставлен ноль и как уставки связаны с реальным подшипником.

В этой статье разбираем практическую сторону защиты по осевому сдвигу: зоны осевого разбега, два распространённых метода установки нуля, расчёт уставок по толщине баббита и проверки на объекте при срабатывании сигнализации.

Почему осевой сдвиг — это защита, а не просто мониторинг

Упорный подшипник удерживает ротор в осевом положении против результирующего усилия от технологического процесса: перепада давления пара или газа на ступенях, протечек через разгрузочный поршень, усилий от муфты. Осевые зазоры в проточной части часто составляют всего несколько миллиметров, а иногда и меньше.

Дефекты опорных подшипников обычно развиваются днями и неделями и видны в трендах вибрации. Упорный подшипник может отказать гораздо быстрее. Как только баббит на рабочих колодках выплавлен, ротор смещается в осевом направлении, пока его не остановит что-то другое: лабиринтные уплотнения, рабочие колёса, лопатки или диафрагмы.

Поэтому осевой сдвиг заводят на останов машины, а не просто выводят на экран. Задача — остановить машину после повреждения подшипника, но до контакта ротора со статором. Всё остальное в этой статье — о том, как правильно выбрать эту точку срабатывания.

Как измеряется осевой сдвиг

Осевой сдвиг измеряют вихретоковыми датчиками, установленными параллельно оси вала. Датчик смотрит на поверхность, перпендикулярную валу (торец вала или интегральный бурт), и выдаёт постоянное напряжение, пропорциональное зазору.

Для стандартной системы с датчиком 8 мм ключевые параметры такие:

• Коэффициент преобразования: 200 мВ/мил (7,87 В/мм), калибровка на стали AISI 4140
• Линейный диапазон: около 80 мил (2 мм) зазора
• Выход: отрицательное постоянное напряжение; чем больше зазор, тем отрицательнее напряжение

Три правила установки датчиков важнее любых настроек конфигурации:

1. Датчик должен смотреть на поверхность, составляющую одно целое с валом. Насадной упорный диск или диск на шпонке может сместиться на валу. Если датчик смотрит на сместившийся диск, показания перестают отражать положение ротора.
2. Датчики ставят близко к упорному подшипнику. API 670 требует располагать осевые датчики не дальше 305 мм (12 дюймов) от упорного диска. Дальше тепловое расширение вала между подшипником и датчиком будет выглядеть как ложный осевой сдвиг.
3. Два датчика и логика голосования. Один датчик означает, что один отказавший кабель, разъём или проксиметр может либо остановить машину, либо ослепить защиту. API 670 требует резервирования осевых датчиков, обычно с логикой голосования «2 из 2» для останова.

Если материал вала заметно отличается от стали 4140, реальный коэффициент преобразования тоже будет другим. Это проверяется при калибровке (см. ниже).

Холодная и горячая зоны осевого разбега

Ротор может свободно перемещаться в осевом направлении между рабочими (нагруженными) и нерабочими колодками упорного подшипника. Этот полный осевой зазор — зона осевого разбега, и именно она является точкой отсчёта для всего остального.

Холодная зона разбега — то, что измеряют на остановленной машине: ротор отжимают к одним колодкам, затем к другим и снимают ход по индикатору часового типа. Типичные значения лежат в пределах 10–20 мил (0,25–0,5 мм), но окончательный ориентир — чертёж производителя.

В работе картина меняется. Под нагрузкой ротор лежит на рабочих колодках, но масляная плёнка, колодки и их опоры упруго деформируются. Тепловое расширение корпуса подшипника тоже смещает колодки. В результате появляется горячая зона разбега — диапазон, в котором ротор реально перемещается при нормальной работе. Обычно она смещена в сторону рабочих колодок по сравнению с холодным измерением.

Два практических следствия:

• Показание чуть дальше холодного положения рабочих колодок при нормальной работе — не обязательно износ. Это может быть масляная плёнка и деформация.
• Уставки, рассчитанные только по холодной зоне без учёта горячего состояния, склонны давать ложные срабатывания сигнализации.

Два метода установки нуля

Монитору нужна точка отсчёта — положение ротора, которое он показывает как ноль. На практике распространены два метода. Оба работают, если все, кто смотрит на экран, знают, какой из них использован.

Метод 1: ноль в центре зоны разбега

Ротор отжимают до упора в одну сторону, затем в другую, и зазор датчика выставляют так, чтобы монитор показывал ноль посередине. При разбеге 16 мил (0,4 мм) ротор на рабочих колодках показывает +8 мил (0,2 мм), на нерабочих — −8 мил (−0,2 мм).

• Плюсы: симметричные показания и уставки; легко сравнивать оба направления; рабочая сторона сразу видна как «плюс».
• Минусы: зависит от точности измерения разбега; при нормальной работе показание не равно нулю, что иногда сбивает с толку операторов.

Метод 2: ноль на рабочей стороне

Ротор плотно прижимают к рабочим колодкам упорного подшипника и это положение принимают за ноль. Смещение в сторону нерабочих колодок даёт отрицательные показания, вплоть до полной величины разбега.

• Плюсы: при нормальной работе показание близко к нулю; любой рост в плюс означает, что ротор ушёл за рабочие колодки, а это прямо указывает на износ колодок или чрезмерную деформацию.
• Минусы: несимметричные уставки; небольшая ошибка при отжатии ротора во время настройки целиком попадает в ноль.

Ошибка, которой нужно избегать

Самая частая ошибка на объекте — не выбор «неправильного» метода. Это установка нуля при роторе в произвольном положении, например там, где он остановился после выбега, без отжатия к колодкам. Тогда разбег неизвестен с обеих сторон, и все уставки, построенные от такого нуля, ошибочны на неизвестную величину.

Запишите в протокол пусконаладки использованный метод, измеренный разбег и напряжение зазора в нулевой точке. Следующему инженеру это понадобится.

Установка зазора датчика и проверка калибровки

Зазор датчика в нулевой точке должен оставлять достаточный линейный диапазон в обе стороны. Ротор должен пройти весь разбег, плюс допуск на износ с каждой стороны, плюс запас, не выходя за линейный участок характеристики датчика.

На практике:

1. Отожмите ротор в нулевое положение выбранного метода, установив на торец вала индикатор часового типа как независимую контрольную точку.
2. Выставьте датчик так, чтобы напряжение зазора в нуле оставляло необходимый ход в обе стороны в пределах линейного диапазона. При методе 1 это обычно близко к середине диапазона, при методе 2 — со смещением в сторону нерабочей стороны.
3. Отожмите ротор в противоположную сторону и сравните изменение напряжения зазора с показанием индикатора. При 200 мВ/мил разбег 16 мил должен дать изменение около 3,2 В.
4. Зафиксируйте датчик и запишите напряжение зазора.

Если в шаге 3 значения не совпадают, не подстраивайте монитор, пока не найдёте причину. Проверьте систему на калибраторе (например, на микрометрическом стенде типа TK3) с реальными датчиком, удлинительным кабелем и проксиметром, по возможности на мишени из материала вала. Неправильное сочетание длин датчика и кабеля или нестандартный материал вала меняют коэффициент преобразования, и тогда защита срабатывает при неправильном смещении.

Предупредительные и аварийные уставки

Уставки нужно рассчитывать по подшипнику, а не копировать из конфигурации по умолчанию. Логика простая: берём положение, в котором ротор лежит на колодках, и добавляем ту величину потери баббита, которую готовы допустить до предупреждения и до останова.

Распространённое практическое правило — предупредительная уставка примерно после 5 мил (0,13 мм) потери баббита и аварийная примерно после 10 мил (0,25 мм). Окончательные значения должны учитывать два ограничения от производителя: толщину баббита на колодках и минимальный осевой зазор в проточной части. Аварийная уставка всегда должна остановить машину раньше, чем ротор достанет до статора.

Пример: холодный разбег 16 мил (0,4 мм), предупреждение при 5 мил и авария при 10 мил потери баббита, в обоих направлениях.

Метод 1 — ноль в центре зоны разбега:

• Авария, в сторону рабочих колодок: +18 мил (+0,46 мм)
• Предупреждение, в сторону рабочих колодок: +13 мил (+0,33 мм)
• Ротор на рабочих колодках: +8 мил (+0,20 мм)
• Ротор на нерабочих колодках: −8 мил (−0,20 мм)
• Предупреждение, в сторону нерабочих колодок: −13 мил (−0,33 мм)
• Авария, в сторону нерабочих колодок: −18 мил (−0,46 мм)

Метод 2 — ноль на рабочей стороне:

• Авария, в сторону рабочих колодок: +10 мил (+0,25 мм)
• Предупреждение, в сторону рабочих колодок: +5 мил (+0,13 мм)
• Ротор на рабочих колодках: 0
• Ротор на нерабочих колодках: −16 мил (−0,41 мм)
• Предупреждение, в сторону нерабочих колодок: −21 мил (−0,53 мм)
• Авария, в сторону нерабочих колодок: −26 мил (−0,66 мм)

Физическая точка срабатывания в обоих методах одна и та же. Отличаются только цифры на экране, и именно поэтому метод должен быть задокументирован.

После первого выхода на полную нагрузку сравните рабочее показание с положением рабочих колодок. Если в горячем состоянии показание уже на несколько мил дальше из-за масляной плёнки и деформации, пересмотрите предупредительную уставку вместе с производителем, а не живите с постоянно активной сигнализацией.

Особенности конфигурации в BN 3500

В системе BN 3500 осевой сдвиг обычно настраивается как канал осевого положения (Thrust Position) в мониторе 3500/42M Proximitor/Seismic. Особого внимания заслуживают несколько параметров:

• Нормальное направление осевого усилия. Определяет, какое движение — к датчику или от датчика — является рабочим направлением, а значит, в какую сторону показание растёт в плюс. Ошибка здесь приводит к тому, что уставки рабочей стороны защищают нерабочую.
• Нулевое положение. Напряжение зазора, которое монитор показывает как ноль. Оно должно совпадать с напряжением, записанным в нулевой точке выбранного метода.
• Уставки и задержки. Уставки на превышение и снижение для предупреждения и аварии, каждая с задержкой, чтобы пропускать кратковременные переходные процессы. Аварийные задержки держите короткими: отказ упорного подшипника ждать не будет.
• Голосование. Останов должен формироваться релейной логикой, объединяющей оба канала осевого сдвига, обычно «2 из 2» по аварии.
• Пределы OK и обработка Not OK. Заранее решите, что состояние Not OK одного канала делает с голосованием, и убедитесь, что оно выдаёт сигнализацию в РСУ. Тихо выведенный канал превращает защиту «2 из 2» в отсутствие защиты.

После конфигурации проверьте каждый канал от начала до конца: задайте известное изменение зазора (или отожмите ротор) и подтвердите показание, сигнализацию, срабатывание реле и сигнал в РСУ.

Сработала сигнализация по осевому сдвигу: пять проверок на объекте

Сигнализация по осевому сдвигу прежде всего ставит один вопрос: ротор действительно смещается или врёт измерение? Эти проверки, в таком порядке, обычно дают ответ.

1. Сравните оба канала и тренды. Реальное осевое смещение видно на обоих датчиках одновременно и в одном направлении. Если меняется только один канал, проблема в измерительном тракте. Резкий скачок подозрительнее плавного дрейфа.
2. Проверьте напряжение зазора и измерительный тракт. Показание у края линейного диапазона или скачок до напряжения питания говорят о неисправности кабеля, разъёма или проксиметра. Проверьте питание −24 В и нет ли влаги или масла в клеммных коробках.
3. Проверьте температуры колодок упорного подшипника. Если в колодках установлены термосопротивления или термопары, реальный рост осевой нагрузки проявится ростом температуры рабочих колодок. Осевое смещение при неизменных температурах колодок — повод внимательнее посмотреть на измерение.
4. Проанализируйте режим технологического процесса. Осевая нагрузка зависит от процесса: изменения нагрузки, параметров пара или газа, работы компрессора вблизи помпажа, загрязнения проточной части, износа разгрузочного поршня или лабиринтных уплотнений, который увеличивает протечки и результирующее осевое усилие. Сопоставьте момент срабатывания с тем, что происходило в процессе.
5. Сделайте анализ масла. Частицы баббита (олово, свинец) в масле подтверждают износ колодок. Проверьте также температуру и давление масла на подшипнике: плохая смазка снижает нагрузку, которую может нести упорный подшипник.

Если проверки 1, 3 и 5 указывают в одну сторону, считайте показание реальным и действуйте. Не поднимайте уставки, чтобы сигнализация пропала.

Осевой сдвиг и относительное расширение ротора

На паровых турбинах эти два измерения часто путают, но они отвечают на разные вопросы:

• Осевой сдвиг измеряет положение ротора относительно упорного подшипника. Он защищает упорный подшипник и реагирует за секунды.
• Относительное расширение измеряет положение ротора относительно корпуса, обычно далеко от упорного подшипника. Оно отслеживает разницу тепловых расширений ротора и корпуса при пуске, изменениях нагрузки и останове и защищает осевые зазоры в проточной части.

У них разные места установки датчиков, диапазоны и уставки. Одно не заменяет другое.

Итог

Защита по осевому сдвигу работает, когда выполнены четыре условия: датчики смотрят на интегральную поверхность вала рядом с подшипником, ноль выставлен при роторе, отжатом к колодкам, уставки рассчитаны по реальному разбегу и толщине баббита, а метод задокументирован и понятен каждому инженеру на объекте.

Advance Technology поставляет, монтирует и вводит в эксплуатацию системы вибромониторинга и защиты Bently Nevada для промышленных предприятий Центральной и Восточной Европы. Наши инженеры имеют сертификаты об обучении Bently Nevada. Если вам нужен аудит существующих настроек защиты по осевому сдвигу или пусконаладка новой системы, свяжитесь с нами.