核電循泵齒輪箱在線油液監(jiān)測系統(tǒng)研究*

劉 肖 杜鵬程 侯曉宇 楊 濤 黃 恒

(1.福建福清核電有限公司 福建福清 350300;2.廣州機械科學(xué)研究院有限公司 廣東 廣州 510000)

目前，對于核電重要轉(zhuǎn)動設(shè)備的潤滑監(jiān)測方式主要為人工定期取樣進行離線檢測。由于離線檢測具有取樣難、周期長等缺點，不能反映設(shè)備潤滑的實時狀態(tài)；另外，在測試過程中污染侵入環(huán)節(jié)較多，對采集的油樣處理會造成信息損失；此外，離線檢測對實驗操作員的經(jīng)驗和水平依賴程度較高，不利于機械系統(tǒng)故障的早期診斷和預(yù)防[1-3]。

在線油液監(jiān)測是指在系統(tǒng)或設(shè)備不停止工作的情況下，通過系統(tǒng)或設(shè)備的在線傳感器對在用油的理化、污染、磨損性能參數(shù)進行連續(xù)不間斷的原位監(jiān)測，根據(jù)所監(jiān)測的油品參數(shù)變化來判定或預(yù)測系統(tǒng)或設(shè)備的運行工況和狀態(tài)，診斷系統(tǒng)或設(shè)備的異常部件，為開展針對性維護和修理提供依據(jù)，從而及時有效避免事故發(fā)生的一門監(jiān)測技術(shù)[4-5]。

智能制造代表著未來先進制造業(yè)的發(fā)展方向[6]，推進潤滑管理的智能化、科學(xué)化，開展基于在線油液監(jiān)測的轉(zhuǎn)動設(shè)備潤滑監(jiān)測與智能運維，有利于通過大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)潤滑故障預(yù)測診斷，提高設(shè)備潤滑可靠性和潤滑技術(shù)管理水平[7-9]。

本文作者設(shè)計核電CRF循泵的潤滑狀態(tài)油液在線監(jiān)測系統(tǒng)，對油品的狀態(tài)實現(xiàn)實時監(jiān)測，并基于大數(shù)據(jù)和故障規(guī)則，對設(shè)備的故障進行預(yù)警，來保障設(shè)備的運行安全。

1 在線監(jiān)測方案

1.1 檢測原理

在線監(jiān)測儀由各傳感器組成，通過傳感器對油液的指標(biāo)進行監(jiān)測，經(jīng)過信號采集和傳輸，在輸出端顯示。傳感器主要分為油質(zhì)傳感器和磨損傳感器。污染度傳感器采用激光和光纖探測技術(shù)，當(dāng)光照射污染后的油液時會發(fā)生散射和反射現(xiàn)象，同時有一部分光被吸收，剩余部分透過油液，通過測試透射光的強度可判斷油液的污染度[10-11]。顆粒傳感器采用磁學(xué)法，電磁式顆粒傳感器采樣信息豐富，可區(qū)分金屬顆粒和非金屬顆粒，不受油液中其他雜質(zhì)干擾。水分傳感器采用薄膜電容探測技術(shù)，輔以溫度補償和電子技術(shù)，測量油液中的含水量[12-14]。

傳感器實時采集潤滑油的黏度、介電常數(shù)、鐵磁顆粒、非鐵磁顆粒、水分、污染度、溫度等參數(shù)數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實時呈現(xiàn)在用油液的質(zhì)量狀態(tài)，反映設(shè)備磨損狀態(tài)變化，而無需多次人工離線檢測。

1.2 監(jiān)測指標(biāo)

根據(jù)設(shè)備潤滑需求和監(jiān)測現(xiàn)狀，選擇循泵齒輪箱作為研究對象，開展在線油液監(jiān)測工作。該設(shè)備使用美孚DTE重級循環(huán)系統(tǒng)油VG100，設(shè)備運行溫度為18～58 ℃，油箱系統(tǒng)壓力為常壓，冷卻器前系統(tǒng)壓力為0.2 MPa，潤滑點為齒輪、導(dǎo)瓦和推力瓦。運行期間，要求污染度等級不超過8級(NAS 1638)，水分不超過0.2%(質(zhì)量分數(shù))，離線檢測指標(biāo)主要包括外觀、黏度、水分、金屬含量、顆粒度。

在潤滑系統(tǒng)中，油中的水分主要來自油冷器泄漏或空氣污染。水分將促進油品氧化變質(zhì)，增加油泥，惡化油質(zhì)，促進添加劑水解反失效，所以水分含量應(yīng)控制在盡可能低的范圍。黏度是流體運動時內(nèi)摩擦力的度量，用于衡量油品在特定溫度下抵抗流動的能力，黏度異常將導(dǎo)致設(shè)備潤滑不良，使機械表面產(chǎn)生異常磨損，如點蝕、剝落等。磨損顆粒污染指油中含有的固體顆粒含量，包括金屬顆粒和非金屬顆粒，會導(dǎo)致磨損、堵塞等問題，其主要來源于外界的粉塵、砂礫、密封膠質(zhì)物，也有來源于系統(tǒng)內(nèi)部的油品氧化產(chǎn)物(油泥)、過濾器的玻璃纖維、油管中的銹蝕顆粒以及摩擦副表面的磨損顆粒等[4]。

基于設(shè)備運行油溫、壓力和監(jiān)測需求，在線油液監(jiān)測參數(shù)指標(biāo)范圍如表1所示。

表1 在線油液監(jiān)測參數(shù)指標(biāo)Table 1 Online oil monitoring indicators

1.3 方案設(shè)計

油液在線監(jiān)測系統(tǒng)包括在線油液監(jiān)測儀、油路循環(huán)單元、通信單元和監(jiān)測系統(tǒng)軟件。根據(jù)監(jiān)測參數(shù)指標(biāo)方案，選擇相應(yīng)量程和精度的傳感器；根據(jù)設(shè)備位置選擇相應(yīng)的通信信號和傳輸設(shè)備。在線監(jiān)測系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 在線監(jiān)控系統(tǒng)Fig 1 On-line monitoring system

微量泵、水分傳感器、黏度傳感器、污染傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成下位機與上位機進行通信。上下位機可通過有線或者無線方式連接，系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)拓兼容多個下位機，上位機同時接收多個下位機信號，構(gòu)成遠程在線分布式監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件集成油品實時監(jiān)測、趨勢分析、報表查詢，故障預(yù)測及報警等功能。

2 現(xiàn)場部署

為反映在用油實際狀態(tài)，在線油液監(jiān)測儀安裝在循泵齒輪箱的回油管路與出油管路之間、過濾器之前。如圖2所示。

圖2 油液在線監(jiān)測儀現(xiàn)場部署示意Fig 2 On-site schematic of oil online monitor

安裝潤滑監(jiān)測系統(tǒng)后，系統(tǒng)與循泵齒輪箱的潤滑回路呈并聯(lián)關(guān)系，即流出循泵齒輪箱的油有少量經(jīng)過智能潤滑監(jiān)測系統(tǒng)后回到回油管路。該部分油品未經(jīng)過過濾器過濾，能真實反映設(shè)備的油質(zhì)和磨損狀態(tài)。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 水分趨勢分析

水活性(水分)監(jiān)測趨勢如圖3所示，可知其水活性保持在aw為0.075～0.35之間，表明機組在當(dāng)前溫度、當(dāng)前油品狀態(tài)下在用油溶解水處于低位，系統(tǒng)未發(fā)生外來水分入侵現(xiàn)象。

圖3 水活性變化序列變化曲線Fig 3 Variation curve of water activity change sequence

油品的氧化變質(zhì)對水分的溶解能力會增加，導(dǎo)致水活性增加；空氣進入油品，微量水分的侵入，導(dǎo)致水活性增加。隨著設(shè)備長時間運行，油中的微量水因摩擦等因素由溶解態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)，游離水隨溫度的升高蒸發(fā)，故水活性降低。水活性監(jiān)測趨勢及回歸分析如圖4所示，CRF循泵的水分呈先上升后降低的趨勢，符合現(xiàn)場實際情況。

圖4 水分質(zhì)量分數(shù)線性回歸趨勢Fig 4 Linear regression trend of water mass fraction

3.2 黏度-溫度趨勢分析

黏度-溫度監(jiān)測趨勢如圖5所示，可見當(dāng)前油液黏度及溫度狀態(tài)穩(wěn)定，序列平穩(wěn)無異常。油液黏度值隨著溫度波動，當(dāng)油溫升高時，黏度值降低，符合油品的黏溫變化特性。

圖5 黏度-溫度序列變化曲線Fig 5 Viscosity-temperature sequence change curve

分析在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取的黏度數(shù)據(jù)得出的回歸分析如曲線如圖6所示，黏度值呈逐漸減小的趨勢。因為烴類油分子受到摩擦副剪切力的作用，長鏈分子變短，引起分子內(nèi)摩擦力降低，且系統(tǒng)帶有內(nèi)循環(huán)過濾系統(tǒng)，消除了污染物對油品黏度增長的影響。油品的黏度正是油分子內(nèi)摩擦力的量度，所以黏度變小，符合實際用油狀況。

圖6 黏度線性回歸趨勢Fig 6 Viscosity linear regression trend

對在線監(jiān)測黏度值與離線檢測黏度值進行比較，見表2。在線監(jiān)測和離線檢測的黏度數(shù)值接近，偏差較小，遠低于設(shè)計偏差，表明黏度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)是穩(wěn)定、可靠的。

表2 黏度數(shù)據(jù)比較Table 2 Comparison of viscosity data

3.3 污染度

圖7示出了在用油污染度分布，圖中顯示NAS等級主要集中在8級，表明系統(tǒng)未受到嚴重的顆粒物污染。

圖7 污染度等級分布情況Fig 7 Distribution of pollution levels

對在線NAS污染度等級與離線檢測值進行比較，見表3。可知，二者等級數(shù)相差1～2級，主要相差1級，符合用油實際。在線污染度的檢測是實時監(jiān)測連續(xù)數(shù)值，系統(tǒng)處在一個循環(huán)階段，且容易受到氣泡影響，而離線取樣是一個瞬時值，故偏差在1～2級是在檢測正常范圍。

表3 污染度數(shù)值比較Table 3 Comparison of pollution degree data

3.4 分布擬合

正態(tài)、對數(shù)正態(tài)、Weibull及Gamma分布函數(shù)的浴盆曲線能綜合反映設(shè)備的運行狀態(tài)。設(shè)備的故障率在不同階段服從不同的分布，在初期、穩(wěn)定期及末期的數(shù)據(jù)特征也明顯不同，因此不同階段樣本數(shù)據(jù)的分布可表征序列變化的趨勢轉(zhuǎn)變。

設(shè)備油液在線監(jiān)測數(shù)據(jù)各屬性擬合概率如圖8所示。黏度、油溫和密度參數(shù)近似服從正態(tài)分布，水分近似服從三參數(shù)Weibull分布，表明當(dāng)前狀態(tài)穩(wěn)定。

圖8 在線監(jiān)測主要指標(biāo)分布擬合情況Fig 8 Online monitoring of the distribution and fitting of main indicators (a)viscosity distribution fitting;(b)oil temperature distribution fitting;(c)density distribution fitting;(d)water activity distribution fitting

3.5 相關(guān)性分析

圖9是在用油數(shù)據(jù)統(tǒng)計相關(guān)性結(jié)果?？芍河蜏嘏c黏度呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.046；溫度與水活性(水分)呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.26。在線監(jiān)測參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)論符合實際應(yīng)用，表明監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠程度高。

圖9 相關(guān)性熱力Fig 9 Correlation heat map

4 結(jié)論

以核電廠CRF循泵齒輪箱為研究對象，基于設(shè)備運行油溫、壓力和監(jiān)測需求，設(shè)計并部署了在線油液監(jiān)測系統(tǒng)，對潤滑油的狀態(tài)進行監(jiān)測。結(jié)果表明：

(1)水分、黏度、溫度、污染度以及磨粒的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢符合實際用油規(guī)律，與離線數(shù)據(jù)的偏差在正常范圍內(nèi)，說明在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性高。

(2)各指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果之間的相關(guān)性好，傳感器之間的耦合關(guān)系符合設(shè)備監(jiān)測要求。

(3)在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足核電CRF循泵齒輪箱潤滑油的監(jiān)測要求，可利用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)開展?jié)櫥收项A(yù)測診斷。