往復(fù)壓縮機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)綜述

張春生

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

往復(fù)壓縮機是石油、化工等流程工業(yè)中廣泛應(yīng)用的一類通用機械，具有適用壓力范圍廣、壓縮效率高、適應(yīng)性強等特點。近年來，由于往復(fù)壓縮機組經(jīng)常發(fā)生活塞桿斷裂甚至機組爆炸等嚴(yán)重事故，其安全穩(wěn)定運行越來越受到重視。

1.機械故障診斷技術(shù)的發(fā)展

機械設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展大致可分四個階段。

（1）第一階段是在19世紀(jì)，當(dāng)時機器設(shè)備本身技術(shù)水平和復(fù)雜程度都很低，因此采用事后維修方式。

（2）第二階段是進入20世紀(jì)后，隨著大生產(chǎn)的發(fā)展，機器設(shè)備本身的技術(shù)復(fù)雜程度也有所提高，設(shè)備故障或事故對生產(chǎn)的影響顯著增加，這種情況下，出現(xiàn)了定期預(yù)防維修方式。

（3）第三階段是從20世紀(jì)60年代開始，特別是70年代，設(shè)備診斷技術(shù)隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等發(fā)展，出現(xiàn)了更科學(xué)的設(shè)備狀態(tài)維修方式。

（4）第四階段是進入20世紀(jì)80年代以后，人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等開始發(fā)展，并在實際工程中應(yīng)用，使設(shè)備維修技術(shù)達到了智能化高度。雖然這一階段發(fā)展歷史并不長，但已有研究成果表明，設(shè)備智能故障診斷具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

目前，國內(nèi)外諸多科研機構(gòu)、大專院校及企業(yè)都對往復(fù)壓縮機故障診斷技術(shù)進行研究。以GE Bently、Prognost、賀爾碧格為代表的國外企業(yè)已經(jīng)開發(fā)了可工業(yè)化應(yīng)用的往復(fù)壓縮機在線監(jiān)測系統(tǒng)，能對活塞桿載荷、汽缸動態(tài)壓力等信號進行監(jiān)測。在國內(nèi)，西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校都對往復(fù)壓縮機故障機理進行了深入研究，并開發(fā)了一些在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)。值得一提的是，由北京化工大學(xué)科研團隊開發(fā)的BH5000R往復(fù)壓縮機在線監(jiān)測系統(tǒng)可靠性和實用性完全達到了工業(yè)化應(yīng)用的要求。

2.往復(fù)壓縮機常見故障與機理

目前往復(fù)式壓縮機的常見易損構(gòu)件包括氣閥、活塞環(huán)、填料函、大小頭瓦、活塞桿等，其中氣閥故障占到60%以上，而活塞桿斷裂則會引起重大事故。機組部件常見故障及其機理如下。

（1）氣閥部件故障包括氣閥泄漏、氣閥卡塞、閥片斷裂等。鑒于往復(fù)壓縮機間歇性吸排氣的工作特點，氣閥閥片在開啟與關(guān)閉過程中與升程限制器及閥座間的撞擊不可避免。以曲軸轉(zhuǎn)速為300r/min的往復(fù)壓縮機為例，單個閥片1min內(nèi)受到的沖擊次數(shù)至少為600次。如此高頻率的沖擊，閥片所受的交變應(yīng)力顯著，由此引發(fā)各種氣閥故障，縮短氣閥壽命。

（2）活塞部件故障包括支撐環(huán)斷裂、支撐環(huán)嚴(yán)重磨損、活塞環(huán)泄漏等?；钊考峭鶑?fù)壓縮機的核心部件，其故障將嚴(yán)重影響機組的工作效率。支撐環(huán)具有自潤滑性能，起支撐活塞的作用，在活塞往復(fù)運動中與缸套相互摩擦受力。活塞環(huán)起密封作用，受徑向氣壓力的作用，活塞環(huán)與缸套也會存在摩擦。

（3）傳動部件故障包括活塞桿斷裂、連桿螺栓斷裂、大小頭瓦磨損、曲軸瓦磨損等故障。傳動部件主要包括曲軸、連桿、十字頭，活塞桿等。作為往復(fù)壓縮機重要組成部分，其中任何一部件發(fā)生故障，整個機組都會受到影響。連桿大小頭分別與曲軸和十字頭相連，通過連桿將曲軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為十字頭和活塞桿的往復(fù)運動；活塞桿則與十字頭和活塞相連，直接帶動活塞往復(fù)運動。傳動部件中易導(dǎo)致重大故障的是活塞桿。在往復(fù)慣性力和氣壓力作用下，活塞桿不斷受到拉、壓交變力的作用，在螺紋及表面材料不佳處易形成裂紋，嚴(yán)重時則導(dǎo)致活塞桿斷裂，甚至機毀人亡。

（4）管道故障包括氣流脈動、氣柱共振、管路機械共振等。引起往復(fù)壓縮機管道振動的原因一般有兩種：一是由于運動部件的動力平衡差或基礎(chǔ)設(shè)計不當(dāng)；二是氣流的壓力脈動引起。生產(chǎn)中遇到的管道振動絕大多數(shù)是由氣流脈動引起。若管道設(shè)計不合理，脈動頻率與管道結(jié)構(gòu)固有頻率及管道內(nèi)氣柱固有頻率相近時就會引發(fā)強烈共振。

（5）輔助部件故障包括冷卻系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、填料函泄漏、氣體過濾裝置。輔助系統(tǒng)作為往復(fù)壓縮機重要組成部分，其故障也不可忽視。如冷卻系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)故障將會導(dǎo)致機組磨損迅速惡化；氣體過濾裝置故障會引起大量雜質(zhì)進入氣閥、缸體內(nèi)部，迅速縮短氣閥、缸套、支撐環(huán)等壽命。

3.往復(fù)壓縮機故障診斷技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測壓縮機組運行狀態(tài)成為可能。目前，我國的機械故障診斷技術(shù)正由事后維修向故障預(yù)知維修發(fā)展，對機組運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測必不可少。目前，國內(nèi)在用的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括以下監(jiān)測診斷手段。

（1）活塞桿位置監(jiān)測。以活塞桿沉降與偏擺傳感器監(jiān)測活塞桿運行軌跡，反映活塞桿在往復(fù)運動中波動的狀態(tài)。一方面，支撐環(huán)的磨損會引發(fā)沉降量的變化；另一方面，十字頭的工作狀態(tài)也會影響活塞桿沉降與偏擺信號；此外，活塞桿緊固螺栓松動會引發(fā)活塞桿跳動。

（2）十字頭沖擊振動監(jiān)測。在十字頭上方安裝加速度傳感器，可監(jiān)測汽缸內(nèi)的沖擊振動，包括缸套磨損、氣閥損壞、汽缸進入異物等引發(fā)的振動；也可對十字頭滑道磨損、大小頭瓦磨損、連桿螺栓松動、斷裂等故障進行診斷。

（3）氣閥溫度監(jiān)測。對氣閥泄漏這樣振動信號不明顯的故障，通過振動信號無法進行有效診斷，對氣閥加裝溫度傳感器，可監(jiān)測氣閥溫度趨勢。通過溫度趨勢變化，溫度異常氣閥數(shù)量可診斷氣閥泄漏、冷卻系統(tǒng)異常、閥片斷裂等故障。

（4）汽缸動態(tài)壓力監(jiān)測。由于對往復(fù)壓縮機加裝動態(tài)壓力傳感器要求較高，同時，壓縮機本體帶有示功孔的機組不多，所以現(xiàn)場安裝動態(tài)壓力傳感器的機組很少。但是，作為對機組進行診斷最有效的方法之一，汽缸動態(tài)壓力監(jiān)測的作用不可忽視。對活塞環(huán)泄漏、汽缸余隙容積過大、氣閥泄漏等故障，汽缸動態(tài)壓力監(jiān)測是最直接和有效的途徑。

（5）曲軸箱振動監(jiān)測。往復(fù)壓縮機曲軸箱與每個汽缸都相連，任何汽缸出現(xiàn)異常，故障都會在曲軸箱上有所體現(xiàn)。同時，曲軸瓦磨損作為往復(fù)壓縮機常見故障之一，通過監(jiān)測曲軸箱振動對其進行診斷也是有效途徑。目前，往復(fù)壓縮機連鎖保護均使用曲軸箱振動作為信號源。

4.在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

以中海油天津分公司遼東作業(yè)區(qū)的一臺兩缸臥式往復(fù)壓縮機組為例，對在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用及效果進行說明。該監(jiān)測系統(tǒng)型號為BH5000R往復(fù)壓縮機在線監(jiān)測系統(tǒng)。

該機組壓縮介質(zhì)為天然氣，額定轉(zhuǎn)速為900r/min，系統(tǒng)安裝后，對機組氣閥溫度，缸體沖擊振動，活塞桿沉降等信號進行實時監(jiān)測。2011年5月，分析系統(tǒng)上線后機組運行情況，發(fā)現(xiàn)兩個汽缸的缸體振動峰值相對較大，且存在一定波動。振動歷史趨勢圖見圖1。

分析缸體振動波形，發(fā)現(xiàn)1#缸缸體振動在曲軸轉(zhuǎn)角30°與220°左右存在較大沖擊；2#缸缸體振動在曲軸轉(zhuǎn)角200°與300°左右存在較大沖擊。根據(jù)往復(fù)壓縮機氣閥開啟角度可確定，1#缸、2#缸的缸體振動峰值較大的原因是氣閥開啟過程中，受氣流脈動影響，閥片與升程限制器、閥座發(fā)生強烈碰撞。具體振動波形見圖2、圖3。

在機組未來運行過程中，需對兩缸缸體振動變化趨勢密切關(guān)注，同時關(guān)注氣閥溫度變化情況，及時掌握機組氣閥工作狀態(tài)，合理安排機組檢修。

5.發(fā)展趨勢

往復(fù)壓縮機故障診斷將朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化及多源信息融合化方向發(fā)展。

在網(wǎng)絡(luò)化實時在線診斷方面，應(yīng)重點研制適合往復(fù)式壓縮機故障診斷的專用新型集成化傳感器和觀測器，尋找各振動信號間相互交叉影響最小的最佳測點，利用現(xiàn)代信號處理方法以及智能理論等實現(xiàn)故障的自動診斷。

智能化方向上，隨著專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，實現(xiàn)故障的自動診斷成為可能。目前，國內(nèi)外相關(guān)單位正在對往復(fù)壓縮機故障診斷專家系統(tǒng)做深入研究，同時，充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法的自學(xué)習(xí)能力對歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘也是研究的重點。

目前上線的往復(fù)壓縮機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)更加關(guān)注機組部件的工作狀態(tài)，忽視了機器運行過程中的過程量及過程參數(shù)。未來，將吸排氣量、填料溫度、冷卻水溫度、軸承溫度等過程量引入監(jiān)測系統(tǒng)，并深入研究不同數(shù)據(jù)與故障間的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)機組的多源信息融合，將會大大提高往復(fù)壓縮機故障診斷準(zhǔn)確率，防范重大事故的發(fā)生。

[1]楊國安.機械設(shè)備故障診斷實用技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2007.

[2]張進杰,張愛斌,申強.在線狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)在往復(fù)壓縮機上的應(yīng)用[J].中國設(shè)備工程,2010，8.

[3]張琳，朱瑞松等.往復(fù)壓縮機監(jiān)測與診斷技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].化工進展，2004，23.