石建峰

江陰興澄特種鋼鐵有限公司

某知名特鋼集團棒材軋鋼生產(chǎn)線上的18架軋機減速機為德國SKET公司設(shè)計制造，按生產(chǎn)工藝分為粗軋區(qū)、中軋區(qū)、精軋區(qū)，分別對應(yīng)三套集中潤滑站，通過壓力油管連接每臺軋機減速箱，為齒輪箱內(nèi)軸承、齒輪提供潤滑油潤滑，并最終通過回油管回至油箱。

根據(jù)設(shè)備管理經(jīng)驗，當(dāng)潤滑油中含水量超過0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下均是）時，油液乳化，油膜厚度大幅減小，抗磨性能降低，將使軸承、齒輪產(chǎn)生異常磨損，如軸承保持架斷裂，齒輪齒面點蝕并逐步產(chǎn)生疲勞磨損，金屬顆粒含量增加，減速機失效的概率大增；同時導(dǎo)致油品氧化變質(zhì)，酸值增加，加速對金屬（如Fe、Cu等）的腐蝕，并使?jié)櫥蛢?nèi)的添加劑發(fā)生水解反應(yīng)而失效，產(chǎn)生油泥等堵塞濾芯[1，2]。

為減少因軋機減速機異常磨損而產(chǎn)生非計劃性停機故障，避免因此產(chǎn)生的損失，針對軋機減速機設(shè)備的維修需要更為及時、有效的維修預(yù)警策略。如果在故障發(fā)生前做出預(yù)測，就能夠提前制定檢修計劃，合理安排檢修人員與備品備件，減少因減速機故障突然停機造成的損失。本文介紹了某知名特鋼集團軋機齒輪油在線監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)改造情況和預(yù)警案例，為做好軋機減速機的潤滑管理提供參考。

軋機的潤滑管理

根據(jù)某知名特鋼集團設(shè)備潤滑管理要求，對重點設(shè)備的油液，按周期取油樣進(jìn)行離線檢測。特鋼集團下屬軋鋼分廠，采用德國18架SKET兩輥軋機及1套西馬克三輥軋機，生產(chǎn)模式為連續(xù)生產(chǎn)軋制，軋機減速箱具有重載、中低速、大扭矩、高強度的特點，滿足大壓下量生產(chǎn)工藝軋制。其中按工藝及設(shè)備功能對應(yīng)布置4套大型集中潤滑系統(tǒng)。目前對軋機潤滑系統(tǒng)的管理，點檢員每日點檢潤滑系統(tǒng)壓力、油位、溫度等參數(shù)；并按計劃周期，每半年對軋機減速箱潤滑站潤滑油取樣，送檢至專業(yè)檢測機構(gòu)，對潤滑油黏度、水分、酸值、銅片腐蝕、磨斑直徑、鐵譜、PQ指數(shù)等進(jìn)行檢測化驗，并根據(jù)檢測結(jié)果制定檢修項目，如更換濾芯、清洗油箱、換油。離線檢測實施10多年以來，為軋機減速箱的運行提供了重要參數(shù)和保證，未出現(xiàn)任何因異常磨損故障而產(chǎn)生停機停產(chǎn)。

機械設(shè)備80%的隱患來自于潤滑，磨損故障是大型設(shè)備失效的主要原因。根據(jù)國內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)對700多個軸承的失效分析發(fā)現(xiàn)，59% 軸承失效是因潤滑不良引起，如圖1所示。

圖1 某鋼鐵企業(yè)軸承失效統(tǒng)計

在線監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢

油液在線監(jiān)測與離線檢測對比

由于油液離線檢測/監(jiān)測特點，致使傳統(tǒng)離線方法檢測周期長，不能實時反映設(shè)備的潤滑運行狀況；另外，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大量的信息損失和對實驗操作員個人的經(jīng)驗和水平依賴比較大等問題，不利于機械系統(tǒng)故障的早期診斷和預(yù)防，不適合現(xiàn)場使用[3，4]。隨首檢測技術(shù)數(shù)字化、智能化發(fā)展，油品離線檢測技術(shù)已遠(yuǎn)不能滿足減速機潤滑狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測的要求。

油液在線監(jiān)測是指在系統(tǒng)或設(shè)備在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(jìn)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)常變化來判定或預(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(hù)和修理提供依據(jù)，做到及時預(yù)警，從而有效及時避免事故發(fā)生的一門監(jiān)測技術(shù)[5]。目前油液在線監(jiān)測技術(shù)已逐漸成為減速機潤滑、失效等故障診斷及預(yù)警發(fā)展的主要趨勢[6]。

油液在線監(jiān)測與在線振動監(jiān)測對比

在線振動監(jiān)測是目前設(shè)備系統(tǒng)減速箱故障監(jiān)測最常用的手段，通過在齒輪箱箱體關(guān)鍵位置安裝振動監(jiān)測元件，能對故障出現(xiàn)軸承、齒輪等零件的異常信號進(jìn)行診斷，通過軟件分析能顯示具體零部件故障位置及故障類型[7]。而且軋機減速機在軋制期間載荷是隨軋材規(guī)格、溫度、材質(zhì)等不同而變化的，因此在線振動監(jiān)測不能實現(xiàn)早期異常磨損預(yù)警功能。

油液在線監(jiān)測系統(tǒng)能對減速機內(nèi)部早期點蝕、磨損等失效初期狀態(tài)給出及時準(zhǔn)確的診斷預(yù)警[8]。據(jù) CBM（Condition Based Maintenance）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測體系數(shù)據(jù)表明，兩者在線監(jiān)測在設(shè)備診斷預(yù)警中的作用有所不同，如圖2所示（圖中，“X”代表在線振動監(jiān)測系統(tǒng)檢測出設(shè)備異常磨損的時間段，通過油液在線監(jiān)測系統(tǒng)能提前15倍時間段預(yù)警）。

圖2 在線油液監(jiān)測與振動監(jiān)測在設(shè)備診斷預(yù)警中的作用對比

軋機減速箱潤滑系統(tǒng)油液在線監(jiān)測技術(shù)改造

系統(tǒng)的建立及監(jiān)測參數(shù)的選擇

實驗室A長期開展鋼鐵企業(yè)的油品離線檢測，建立了油液檢測數(shù)據(jù)庫，具備對國內(nèi)同行業(yè)實驗室油品檢測的認(rèn)證資質(zhì)，并提供潤滑培訓(xùn)、交流、現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)，其開發(fā)的油液在線監(jiān)測系統(tǒng)已應(yīng)用于鋼鐵冶金、風(fēng)力發(fā)電、海上鉆井平臺、軍工設(shè)備等行業(yè)，取得很好的業(yè)績。從油液離線檢測與在線監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)性、可追溯性等方面考慮，并與實驗室A技術(shù)人員結(jié)合潤滑系統(tǒng)實際運行交流，對上述某特鋼集團下屬一軋鋼分廠內(nèi)的三套軋機減速機潤滑系統(tǒng)進(jìn)行油液在線監(jiān)測技術(shù)改造，主要實現(xiàn)對潤滑油黏度、水分、鐵磁顆粒及非鐵磁顆粒的實時監(jiān)測：

◇黏度。黏度是潤滑油最重要的一項理化指標(biāo)，是設(shè)備廠商選擇潤滑油牌號的主要依據(jù)。通常所說的潤滑油牌號為在實驗室按油溫40 ℃時測得的黏度值。由于在線監(jiān)測時油液溫度具有波動性，黏度傳感器監(jiān)測出的潤滑油實時黏度值，并根據(jù)黏溫特性轉(zhuǎn)化為40 ℃黏度值，并與理論值進(jìn)行對比，由此判斷潤滑油的劣化趨勢。

◇水分。水分在潤滑油中主要危害包括：破壞油膜的形成，與潤滑油中的抗磨添加劑反應(yīng)而分解，產(chǎn)生油泥，抗磨性能下降導(dǎo)致齒輪、軸承等異常磨損，在傳動部位因摩擦高溫導(dǎo)致潤滑油酸值增加氧化，加速油品劣化。通過在潤滑系統(tǒng)回油管底部安裝水分傳感器，投用前與在用油離線檢測數(shù)據(jù)標(biāo)定，及時對監(jiān)測出的微量水分進(jìn)行預(yù)警。

◇鐵磁顆粒。該指標(biāo)主要監(jiān)測潤滑油中不同直徑的鐵元素磨粒數(shù)量及趨勢，反映齒輪、軸承滾珠等摩擦副表層疲勞剝落、滑動磨損、剪切磨損等故障信息。

◇非鐵磁顆粒。該指標(biāo)主要監(jiān)測潤滑油中不同直徑的非鐵元素磨粒數(shù)量及趨勢，如銅、鉻、錫及非金屬等物質(zhì)，反映軸承保持架、軸瓦等摩擦副磨損、擦傷等信息，并與離線檢測相結(jié)合判斷實際故障信息。

系統(tǒng)原理

初軋區(qū)潤滑系統(tǒng)油液在線監(jiān)測原理如圖3所示。

圖3 初軋潤滑系統(tǒng)油液在線監(jiān)測系統(tǒng)原理

系統(tǒng)組成及功能

油液在線監(jiān)測系統(tǒng)包括下位機、上位機、壓力檢測、局域網(wǎng)等組成。下位機由油路循環(huán)系統(tǒng)、各類傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、進(jìn)出取樣管路、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、就地顯示系統(tǒng)組成。下位機安裝于潤滑系統(tǒng)主回油管路上（如圖4所示），完成油液在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集；下位機油路循環(huán)系統(tǒng)與潤滑站系統(tǒng)連鎖，當(dāng)主泵啟動且主管壓力檢測信號檢測到設(shè)定壓力后，發(fā)送連鎖信號至下位機，下位機才能啟動，進(jìn)行取樣，監(jiān)測分析油樣。

圖4 下位機安裝位置示意

下位機實時監(jiān)測數(shù)據(jù)如40 ℃黏度、實時黏度、油溫、水分、鐵磁顆 粒（40～70 μm、70～100 μm、100～150 μm、＞150 μm）、非鐵磁顆 粒（40～70 μm、70～100 μm、100～200 μm、200～300 μm、300～400 μm、＞400 μm）等，實時顯示在下位機屏幕上，如圖5、圖6所示。

圖5 下位機數(shù)據(jù)一（黏度監(jiān)測）

圖6 下位機數(shù)據(jù)二（鐵磁監(jiān)測）

每臺下位機監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線上傳至上位機儲存，可由多個用戶在內(nèi)網(wǎng)上查看油液監(jiān)測實時或歷史數(shù)據(jù)。

上位機由服務(wù)器、顯示器、專家診斷系統(tǒng)組成，服務(wù)器對采集到的數(shù)據(jù)實時分析，通過客戶端，直觀地展現(xiàn)出實時數(shù)據(jù)，另一端通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給實驗室A內(nèi)的診斷中心，由專家進(jìn)行更詳細(xì)專業(yè)的分析。油液在線監(jiān)測人機界面如圖7所示。

圖7 油液在線監(jiān)測人機界面

通過人機界面可以直觀查詢?nèi)?0 ℃黏度、實時黏度、油溫、水分、鐵磁顆粒、非鐵磁顆粒等數(shù)據(jù)的歷史曲線，如界面所示一個月內(nèi)對中軋1300潤滑站鐵磁顆粒查詢，在2020年10月24日曾監(jiān)測到100～150 μm鐵磁顆粒數(shù)為1個，且未達(dá)到系統(tǒng)報警值；而后期各監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示正常，可視為系統(tǒng)正常磨損。

實施及應(yīng)用

2019年8月15日，精軋1100潤滑站油液在線監(jiān)測系統(tǒng)水分含量超高報警，顯示含水量超過預(yù)警設(shè)定值3%（日常顯示值為0.03%）。同時點檢員巡查精軋1100潤滑站，發(fā)現(xiàn)油箱液位異常，較上幾次巡查液位有小幅上升。遂對1100潤滑站進(jìn)行油品取樣，發(fā)現(xiàn)油樣乳化發(fā)白，靜止沉淀24 h后，有油水分層現(xiàn)象。綜上表明，1100潤滑站油箱已進(jìn)水，潤滑油存在乳化現(xiàn)象。

與此同時，通過現(xiàn)場排查，確認(rèn)為精軋區(qū)軋機回油管銹蝕，軋機軋輥冷卻水通過銹蝕的潤滑油管道進(jìn)入油箱，造成水分含量監(jiān)測超標(biāo)報警。

為減少因水分對齒輪油乳化造成齒輪、軸承的異常磨損，保證軋機減速機與生產(chǎn)的正常運行，分廠第一時間啟用真空加熱凈油機脫水，排放油箱底部油水混合物，并在油箱內(nèi)補加220號齒輪油新油，提高抗磨性。

因油液在線監(jiān)測系統(tǒng)水分預(yù)警信息及時，現(xiàn)場排查處置迅速，及時投用真空凈油機，利用水和潤滑油的沸點不同，并在一定真空度下，水的沸點下降很多，潤滑油中的水分快速破除乳化狀態(tài)而蒸發(fā)汽化，被真空泵抽出至大氣中，而潤滑油因自重沉入真空罐底，隨管路排入油箱。真空凈油機脫水效率相對離心式凈油機效率低，但可以深度脫水，適用于油液含水量要求嚴(yán)格的系統(tǒng)。脫水兩周后，在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示水分為0.03%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），恢復(fù)至正常狀態(tài)。在線監(jiān)測水分預(yù)警異常趨勢如圖8所示。

圖8 在線監(jiān)測水分預(yù)警異常趨勢示意

為檢測潤滑油內(nèi)含水量，按脫水進(jìn)程分別取樣送檢化驗，檢測結(jié)果見表1。

表1 1100潤滑站進(jìn)水、脫水前后油樣離線檢測數(shù)據(jù)匯總

由表1可見：

◇進(jìn)水后（8月18日）取樣化驗數(shù)據(jù)與5月30日化驗數(shù)據(jù)對比表明，潤滑油外觀、水分、鐵元素含量、銅元素含量、油泥等指標(biāo)上升，而代表異常磨損的磨粒分析如黏首擦傷、PQ指數(shù)等未有明顯上升趨勢；

◇脫水兩周后（8月28日）及正常運行一個月后（10月10日）取樣化驗數(shù)據(jù)，潤滑油外觀、抗磨性、水分、鐵元素含量、油泥等指標(biāo)基本恢復(fù)至正常水平，黏首擦傷、PQ指數(shù)指標(biāo)未上升，表明潤滑油內(nèi)基本無代表異常磨損的鐵磁顆粒；

◇脫水后化驗數(shù)據(jù)中，銅元素含量數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定且未下降，主要與潤滑系統(tǒng)過濾器有關(guān)。由于回油過濾器為一種帶磁鐵的過濾網(wǎng)，只能過濾含鐵的顆粒物，對于銅、鉛、鋁等細(xì)小顆粒物無法吸附過濾，只能通過離線取樣進(jìn)行光譜分析。因此在油液在線監(jiān)測系統(tǒng)中，非鐵磁顆粒監(jiān)測顆粒物大小、數(shù)量也是作為一項重點監(jiān)測項目，如發(fā)現(xiàn)非鐵磁顆粒異常，也需及時離線取樣分析。

潤滑系統(tǒng)進(jìn)水后，造成潤滑油內(nèi)鈣、鎂離子增加，油泥含量增加，積聚在過濾器濾芯上。進(jìn)水故障后（8月、9月、10月）分別更換了三批次濾芯，經(jīng)過脫水、循環(huán)、更換濾芯后油泥含量降低，濾芯表面附首塊狀油泥明顯減少（圖9）。

圖9 濾芯附首油泥對比

通過本次油液在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出的故障診斷報警，結(jié)合現(xiàn)場判斷及時發(fā)現(xiàn)事故前兆，并進(jìn)行真空過濾脫水，保證潤滑油黏度、抗磨性、水分等基本數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)，后續(xù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示正常，鐵磁顆粒、非鐵磁顆粒等未明顯增加，避免因潤滑造成異常設(shè)備故障損失折合人民幣150余萬元。

在本案例中，對于脫水后正常使用的潤滑油來說，應(yīng)重點關(guān)注黏度、抗磨性、水分、鐵譜分析等數(shù)據(jù)。因此，縮短離線檢測周期，對比在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，是保證減速機正常運行的重要點檢措施。

結(jié)束語

油液在線監(jiān)測技術(shù)是設(shè)備管理、運行及維護(hù)方面智能化發(fā)展的一個方向和趨勢，能實時反映設(shè)備運行狀態(tài)，做到提前故障診斷及預(yù)警。在設(shè)備管理上，油液在線監(jiān)測仍需與油品離線檢測緊密配合，互為補充，并與設(shè)備在線振動監(jiān)測、軸承溫度在線監(jiān)測等系統(tǒng)相結(jié)合，從而快速定位現(xiàn)場減速機故障位置，準(zhǔn)確判斷運行狀態(tài)和故障。