Моніторинг осьового зсуву: як налаштувати захист упорного підшипника, який справді захищає

Відмова упорного підшипника турбіни або компресора може за лічені секунди призвести до тертя ротора об статор. Моніторинг осьового зсуву — єдиний захист, який бачить це заздалегідь. Але він добрий рівно настільки, наскільки правильно налаштований: куди дивляться датчики, де виставлено нуль і як уставки пов’язані з реальним підшипником.

У цій статті розглядаємо практичний бік захисту за осьовим зсувом: зони осьового розбігу, два поширені методи встановлення нуля, розрахунок уставок за товщиною бабіту та перевірки на об’єкті під час спрацювання сигналізації.

Чому осьовий зсув — це захист, а не просто моніторинг

Упорний підшипник утримує ротор у осьовому положенні проти результуючого зусилля від технологічного процесу: перепаду тиску пари або газу на ступенях, перетікань через розвантажувальний поршень, зусиль від муфти. Осьові зазори в проточній частині часто становлять лише кілька міліметрів, а інколи й менше.

Дефекти опорних підшипників зазвичай розвиваються днями чи тижнями і видні в трендах вібрації. Упорний підшипник може відмовити набагато швидше. Щойно бабіт на робочих колодках виплавлено, ротор зміщується в осьовому напрямку, доки його не зупинить щось інше: лабіринтові ущільнення, робочі колеса, лопатки або діафрагми.

Саме тому осьовий зсув заводять на зупинку машини, а не просто виводять на екран. Завдання — зупинити машину після пошкодження підшипника, але до контакту ротора зі статором. Усе інше в цій статті — про те, як правильно обрати цю точку спрацювання.

Як вимірюється осьовий зсув

Осьовий зсув вимірюють вихрострумовими датчиками, встановленими паралельно осі валу. Датчик дивиться на поверхню, перпендикулярну валу (торець валу або інтегральний бурт), і видає постійну напругу, пропорційну зазору.

Для стандартної системи з датчиком 8 мм ключові параметри такі:

• Коефіцієнт перетворення: 200 мВ/міл (7,87 В/мм), калібрування на сталі AISI 4140
• Лінійний діапазон: близько 80 міл (2 мм) зазору
• Вихід: від’ємна постійна напруга; чим більший зазор, тим від’ємніша напруга

Три правила встановлення датчиків важливіші за будь-які налаштування конфігурації:

1. Датчик повинен дивитися на поверхню, що становить одне ціле з валом. Насадний упорний диск або диск на шпонці може зміститися на валу. Якщо датчик дивиться на зміщений диск, покази перестають відображати положення ротора.
2. Датчики встановлюють близько до упорного підшипника. API 670 вимагає розташовувати осьові датчики не далі ніж 305 мм (12 дюймів) від упорного диска. Далі теплове розширення валу між підшипником і датчиком виглядатиме як хибний осьовий зсув.
3. Два датчики та логіка голосування. Один датчик означає, що один несправний кабель, роз’єм або проксиметр може або зупинити машину, або зробити захист сліпим. API 670 вимагає резервування осьових датчиків, зазвичай з логікою голосування «2 з 2» для зупинки.

Якщо матеріал валу помітно відрізняється від сталі 4140, реальний коефіцієнт перетворення також буде іншим. Це перевіряється під час калібрування (див. нижче).

Холодна та гаряча зони осьового розбігу

Ротор може вільно переміщуватися в осьовому напрямку між робочими (навантаженими) та неробочими колодками упорного підшипника. Цей повний осьовий зазор — зона осьового розбігу, і саме вона є точкою відліку для всього іншого.

Холодна зона розбігу — те, що вимірюють на зупиненій машині: ротор відтискають до одних колодок, потім до інших і знімають хід за індикатором годинникового типу. Типові значення лежать у межах 10–20 міл (0,25–0,5 мм), але остаточний орієнтир — креслення виробника.

Під час роботи картина змінюється. Під навантаженням ротор лежить на робочих колодках, але масляна плівка, колодки та їхні опори пружно деформуються. Теплове розширення корпусу підшипника також зміщує колодки. У результаті з’являється гаряча зона розбігу — діапазон, у якому ротор справді переміщується під час нормальної роботи. Зазвичай вона зміщена в бік робочих колодок порівняно з холодним виміром.

Два практичні наслідки:

• Показ трохи далі за холодне положення робочих колодок під час нормальної роботи — не обов’язково знос. Це може бути масляна плівка та деформація.
• Уставки, розраховані лише за холодною зоною без урахування гарячого стану, схильні давати хибні спрацювання сигналізації.

Два методи встановлення нуля

Монітору потрібна точка відліку — положення ротора, яке він показує як нуль. На практиці поширені два методи. Обидва працюють, якщо всі, хто дивиться на екран, знають, який саме застосовано.

Метод 1: нуль у центрі зони розбігу

Ротор відтискають до упору в один бік, потім в інший, і зазор датчика виставляють так, щоб монітор показував нуль посередині. За розбігу 16 міл (0,4 мм) ротор на робочих колодках показує +8 міл (0,2 мм), на неробочих — −8 міл (−0,2 мм).

• Переваги: симетричні покази та уставки; легко порівнювати обидва напрямки; робочий бік одразу видно як «плюс».
• Недоліки: залежить від точності вимірювання розбігу; під час нормальної роботи показ не дорівнює нулю, що інколи збиває з пантелику операторів.

Метод 2: нуль на робочому боці

Ротор щільно притискають до робочих колодок упорного підшипника і це положення приймають за нуль. Зміщення в бік неробочих колодок дає від’ємні покази, аж до повної величини розбігу.

• Переваги: під час нормальної роботи показ близький до нуля; будь-яке зростання в плюс означає, що ротор вийшов за робочі колодки, а це прямо вказує на знос колодок або надмірну деформацію.
• Недоліки: несиметричні уставки; невелика помилка під час відтискання ротора при налаштуванні цілком потрапляє в нуль.

Помилка, якої слід уникати

Найпоширеніша помилка на об’єкті — не вибір «неправильного» методу. Це встановлення нуля, коли ротор у довільному положенні, наприклад там, де він зупинився після вибігу, без відтискання до колодок. Тоді розбіг невідомий з обох боків, і всі уставки, побудовані від такого нуля, хибні на невідому величину.

Запишіть у протокол пусконалагодження застосований метод, виміряний розбіг і напругу зазору в нульовій точці. Наступному інженеру це знадобиться.

Встановлення зазору датчика та перевірка калібрування

Зазор датчика в нульовій точці має залишати достатній лінійний діапазон в обидва боки. Ротор повинен пройти весь розбіг, плюс допуск на знос з кожного боку, плюс запас, не виходячи за лінійну ділянку характеристики датчика.

На практиці:

1. Відтисніть ротор у нульове положення обраного методу, встановивши на торець валу індикатор годинникового типу як незалежну контрольну точку.
2. Виставте датчик так, щоб напруга зазору в нулі залишала необхідний хід в обидва боки в межах лінійного діапазону. За методу 1 це зазвичай близько до середини діапазону, за методу 2 — зі зміщенням у бік неробочої сторони.
3. Відтисніть ротор у протилежний бік і порівняйте зміну напруги зазору з показом індикатора. За 200 мВ/міл розбіг 16 міл має дати зміну близько 3,2 В.
4. Зафіксуйте датчик і запишіть напругу зазору.

Якщо на кроці 3 значення не збігаються, не підлаштовуйте монітор, доки не знайдете причину. Перевірте систему на калібраторі (наприклад, на мікрометричному стенді типу TK3) з реальними датчиком, подовжувальним кабелем і проксиметром, за можливості на мішені з матеріалу валу. Неправильне поєднання довжин датчика і кабелю або нестандартний матеріал валу змінюють коефіцієнт перетворення, і тоді захист спрацьовує за неправильного зміщення.

Попереджувальні та аварійні уставки

Уставки треба розраховувати за підшипником, а не копіювати з конфігурації за замовчуванням. Логіка проста: беремо положення, у якому ротор лежить на колодках, і додаємо ту величину втрати бабіту, яку готові допустити до попередження і до зупинки.

Поширене практичне правило — попереджувальна уставка приблизно після 5 міл (0,13 мм) втрати бабіту і аварійна приблизно після 10 міл (0,25 мм). Остаточні значення мають враховувати два обмеження від виробника: товщину бабіту на колодках і мінімальний осьовий зазор у проточній частині. Аварійна уставка завжди має зупинити машину раніше, ніж ротор дістане до статора.

Приклад: холодний розбіг 16 міл (0,4 мм), попередження при 5 міл і аварія при 10 міл втрати бабіту, в обох напрямках.

Метод 1 — нуль у центрі зони розбігу:

• Аварія, у бік робочих колодок: +18 міл (+0,46 мм)
• Попередження, у бік робочих колодок: +13 міл (+0,33 мм)
• Ротор на робочих колодках: +8 міл (+0,20 мм)
• Ротор на неробочих колодках: −8 міл (−0,20 мм)
• Попередження, у бік неробочих колодок: −13 міл (−0,33 мм)
• Аварія, у бік неробочих колодок: −18 міл (−0,46 мм)

Метод 2 — нуль на робочому боці:

• Аварія, у бік робочих колодок: +10 міл (+0,25 мм)
• Попередження, у бік робочих колодок: +5 міл (+0,13 мм)
• Ротор на робочих колодках: 0
• Ротор на неробочих колодках: −16 міл (−0,41 мм)
• Попередження, у бік неробочих колодок: −21 міл (−0,53 мм)
• Аварія, у бік неробочих колодок: −26 міл (−0,66 мм)

Фізична точка спрацювання в обох методах однакова. Відрізняються лише цифри на екрані, і саме тому метод має бути задокументований.

Після першого виходу на повне навантаження порівняйте робочий показ із положенням робочих колодок. Якщо в гарячому стані показ уже на кілька міл далі через масляну плівку та деформацію, перегляньте попереджувальну уставку разом із виробником, а не живіть із постійно активною сигналізацією.

Особливості конфігурації в BN 3500

У системі BN 3500 осьовий зсув зазвичай налаштовується як канал осьового положення (Thrust Position) у моніторі 3500/42M Proximitor/Seismic. Особливої уваги заслуговують кілька параметрів:

• Нормальний напрямок осьового зусилля. Визначає, який рух — до датчика чи від датчика — є робочим напрямком, а отже, у який бік показ зростає в плюс. Помилка тут призводить до того, що уставки робочого боку захищають неробочий.
• Нульове положення. Напруга зазору, яку монітор показує як нуль. Вона має збігатися з напругою, записаною в нульовій точці обраного методу.
• Уставки та затримки. Уставки на перевищення та зниження для попередження й аварії, кожна із затримкою, щоб пропускати короткочасні перехідні процеси. Аварійні затримки тримайте короткими: відмова упорного підшипника чекати не буде.
• Голосування. Зупинка має формуватися релейною логікою, що об’єднує обидва канали осьового зсуву, зазвичай «2 з 2» за аварією.
• Межі OK та обробка Not OK. Заздалегідь вирішіть, що стан Not OK одного каналу робить із голосуванням, і переконайтеся, що він видає сигналізацію в РСК. Тихо виведений канал перетворює захист «2 з 2» на відсутність захисту.

Після конфігурування перевірте кожен канал від початку до кінця: задайте відому зміну зазору (або відтисніть ротор) і підтвердіть показ, сигналізацію, спрацювання реле та сигнал у РСК.

Спрацювала сигналізація за осьовим зсувом: п’ять перевірок на об’єкті

Сигналізація за осьовим зсувом передусім ставить одне питання: ротор справді зміщується чи бреше вимірювання? Ці перевірки, у такому порядку, зазвичай дають відповідь.

1. Порівняйте обидва канали та тренди. Реальне осьове зміщення видно на обох датчиках одночасно і в одному напрямку. Якщо змінюється лише один канал, проблема в вимірювальному тракті. Різкий стрибок підозріліший за плавний дрейф.
2. Перевірте напругу зазору та вимірювальний тракт. Показ біля краю лінійного діапазону або стрибок до напруги живлення свідчать про несправність кабелю, роз’єму або проксиметра. Перевірте живлення −24 В і чи немає вологи або масла в клемних коробках.
3. Перевірте температури колодок упорного підшипника. Якщо в колодках встановлені термоопори або термопари, реальне зростання осьового навантаження проявиться зростанням температури робочих колодок. Осьове зміщення за незмінних температур колодок — привід уважніше подивитися на вимірювання.
4. Проаналізуйте режим технологічного процесу. Осьове навантаження залежить від процесу: змін навантаження, параметрів пари або газу, роботи компресора поблизу помпажу, забруднення проточної частини, зносу розвантажувального поршня або лабіринтових ущільнень, який збільшує перетікання та результуюче осьове зусилля. Зіставте момент спрацювання з тим, що відбувалося в процесі.
5. Зробіть аналіз масла. Частинки бабіту (олово, свинець) у маслі підтверджують знос колодок. Перевірте також температуру та тиск масла на підшипнику: погане змащення знижує навантаження, яке може нести упорний підшипник.

Якщо перевірки 1, 3 і 5 вказують в один бік, вважайте показ реальним і дійте. Не піднімайте уставки, щоб сигналізація зникла.

Осьовий зсув і відносне розширення ротора

На парових турбінах ці два вимірювання часто плутають, але вони відповідають на різні питання:

• Осьовий зсув вимірює положення ротора відносно упорного підшипника. Він захищає упорний підшипник і реагує за секунди.
• Відносне розширення вимірює положення ротора відносно корпусу, зазвичай далеко від упорного підшипника. Воно відстежує різницю теплових розширень ротора і корпусу під час пуску, змін навантаження та зупинки і захищає осьові зазори в проточній частині.

У них різні місця встановлення датчиків, діапазони та уставки. Одне не замінює іншого.

Підсумок

Захист за осьовим зсувом працює, коли виконано чотири умови: датчики дивляться на інтегральну поверхню валу поряд із підшипником, нуль виставлено з ротором, відтиснутим до колодок, уставки розраховані за реальним розбігом і товщиною бабіту, а метод задокументований і зрозумілий кожному інженеру на об’єкті.

Advance Technology постачає, монтує та вводить в експлуатацію системи вібромоніторингу та захисту Bently Nevada для промислових підприємств Центральної та Східної Європи. Наші інженери мають сертифікати про навчання Bently Nevada. Якщо вам потрібен аудит наявних налаштувань захисту за осьовим зсувом або пусконалагодження нової системи, зв’яжіться з нами.