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危险情况与故障状态检测

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发布时间：2025-06-17 18:03:45 更新时间：2025-06-16 18:03:46

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

危险情况与故障状态检测：保障安全运行的核心技术

在工业制造、能源生产、交通运输以及众多高科技领域，设备或系统运行过程中可能出现的危险情况（如超压、超温、泄漏、短路、过载、机械卡死、异常振动）或故障状态（如元件失效、性能退化、控制逻辑错误、通讯中断）是引发安全事故、造成生产停滞、导致重大经济损失甚至威胁人身安全的根源。因此，建立一套高效、精准、可靠的危险情况与故障状态检测体系至关重要。这一体系的核心目标在于通过实时监控、智能分析、及时预警与干预，将潜在风险扼杀在萌芽状态，或最大限度减轻事故后果。

有效的检测体系依赖于四个关键要素的紧密结合：明确的检测项目、先进的检测仪器、科学的检测方法以及严格的检测标准。它们共同构成了识别潜在威胁、评估系统健康状况、触发保护动作的基础。

核心检测项目

危险情况与故障状态的检测项目需根据具体设备、系统及其运行环境量身定制，通常涵盖以下关键维度：

物理参数异常： 温度（过高/过低）、压力（过高/过低）、流量（过大/过小/中断）、液位（过高/过低）、振动（幅度大/频率异常）、位移（超限）、转速（超速/失速）、噪声（异常增大）。
电气参数异常： 电压（过压/欠压/波动）、电流（过流/短路/缺相）、功率（异常）、绝缘电阻（下降）、接地状态（失效）、谐波含量（超标）。
化学参数异常： 气体浓度（可燃/有毒气体泄漏、氧气浓度异常）、液体/固体成分（杂质超标、污染物侵入）、腐蚀状态（加速）。
功能与状态异常： 设备启停状态异常、阀门开关位置错误、继电器/接触器状态不符预期、通讯信号丢失/误码率增高、控制指令执行失败、软件运行超时/崩溃。
性能退化与早期故障： 效率下降、能耗增加、响应延迟、精度降低、轴承/齿轮磨损加剧、绝缘/密封材料老化等预示潜在故障的征兆。

关键检测仪器

精准捕捉上述检测项目的变化依赖于各类专用与通用传感器及分析仪器：

传感器：
- 温度传感器：热电偶、热电阻（RTD）、红外测温仪、光纤光栅测温传感器。
- 压力传感器/变送器：压阻式、压电式、电容式、应变片式。
- 流量计：电磁流量计、超声波流量计、涡轮流量计、科里奥利质量流量计。
- 液位计：雷达液位计、超声波液位计、磁翻板液位计、差压变送器。
- 振动传感器：压电加速度计、速度传感器、涡流位移传感器（测轴振/偏心）。
- 电气参数传感器：电压互感器(PT)、电流互感器(CT)、功率变送器、绝缘监测仪、电能质量分析仪。
- 气体探测器：催化燃烧式（可燃气体）、电化学式（有毒气体）、红外式（CO2/碳氢化合物）、光离子化检测器(PID)（VOCs）。
分析诊断设备：
- 振动分析仪/在线监测系统：用于旋转机械的状态监测与故障诊断。
- 红外热像仪：检测电气接头过热、机械摩擦过热、保温失效、流体泄漏等。
- 超声波检测仪：探测气体泄漏、电气局部放电、轴承早期损伤。
- 油液分析仪：检测润滑油/液压油的污染物、磨损颗粒、理化性能变化。
数据采集与处理单元(DAQ/PLC/DCS/SCADA)： 负责传感器信号的采集、转换、传输、存储和初步处理，是构建在线监测系统的基础。

主要检测方法

根据检测的实时性、侵入性和目的，主要方法包括：

在线实时监测：
- 直接测量法：通过传感器直接获取关键参数（如温度、压力、电流）的实时值，与设定阈值比较判断是否异常。
- 状态监测法：持续采集设备运行状态信号（如振动、声音、温度、电流），利用趋势分析、统计分析或频谱分析等方法识别异常模式。
- 保护联锁法：当关键参数超过安全限值时，自动触发保护动作（如停机、切断电源、打开安全阀）。
离线定期检测与诊断：
- 定期巡检：人工使用便携仪器（如红外热像仪、点温枪、测振笔）检查设备状态。
- 预防性试验：按计划停机进行的试验（如电气设备的耐压试验、绝缘电阻测试、继电保护校验）。
- 预测性维护(PdM)：基于在线或离线监测数据（特别是状态监测数据），运用故障诊断算法（如频谱分析、包络分析、小波分析、机器学习）预测设备剩余寿命或故障发生时间。
故障诊断技术：
- 基于模型的诊断：建立系统或设备的数学模型，将实际输出与模型输出比较，利用残差分析定位故障。
- 基于知识的诊断：利用专家系统、故障树分析(FTA)、模糊逻辑、神经网络等方法，结合历史数据和经验规则进行诊断。
- 基于信号的诊断：对采集的振动、声音、电流等信号进行时域、频域、时频域分析，提取故障特征频率或模式进行识别。

遵循的检测标准

为确保检测的可靠性、一致性和可比性，必须严格遵守相关的国际、国家、行业及企业标准。主要标准体系包括：

国际标准：
- ISO (国际标准化组织)：如 ISO 10816 (机械振动评估)、ISO 13373 (状态监测与诊断)、ISO 17359 (状态监测与诊断总则)。
- IEC (国际电工委员会)：如 IEC 60079 (爆炸性环境设备)、IEC 60529 (外壳防护等级IP代码)、IEC 61850 (变电站通信网络与系统)、IEC 61508/61511 (功能安全)。
国家标准(示例)：
- 中国：GB/T 6075 (机械振动)、GB 3836 (爆炸性环境)、GB/T 14285 (继电保护和安全自动装置技术规程)、GB/T 20438/IEC 61508 (功能安全)、NB/T 31052 (风力发电机组状态监测)。
- 美国：ANSI/NETA, NFPA 70E (电气安全)、API (石油学会)系列标准（如API 670 机械保护系统）。
行业标准： 如电力行业的DL/T系列标准、石化行业的SH/SY系列标准、铁路行业的TB系列标准等，对特定行业的设备和系统检测有更具体的要求。
设备制造商标准： 设备制造商通常会提供详细的运行、维护和故障诊断手册，包含特定的检测规范、推荐阈值和诊断流程。