往復壓縮機常見故障監(jiān)測診斷技術(shù)應用與發(fā)展趨勢

趙子龍，季衛(wèi)星，宋靜國

（大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶163711）

往復壓縮機常見故障監(jiān)測診斷技術(shù)應用與發(fā)展趨勢

趙子龍，季衛(wèi)星，宋靜國

（大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶163711）

往復壓縮機是很多過程工業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，越來越多的往復壓縮機安裝了在線監(jiān)測系統(tǒng)。分析了往復壓縮機的常見典型故障并總結(jié)了其主要的診斷方法；結(jié)合3種典型的故障案例說明在線監(jiān)測診斷技術(shù)在實際現(xiàn)場應用的重要意義；最后就往復壓縮機故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢給出了一些見解。

往復壓縮機；在線監(jiān)測；故障診斷

1 往復壓縮機常見故障

往復壓縮機是一種容積式壓縮機，具有壓力適用范圍廣、壓縮效率高、工作壓力穩(wěn)定等特點，在生產(chǎn)中應用廣泛。在正常運轉(zhuǎn)時，作用于運動機構(gòu)上的主要有慣性力、氣體力和相對運動表面之間產(chǎn)生的摩擦力。其結(jié)構(gòu)復雜，易損件較多，出現(xiàn)故障的概率大。而且一旦出現(xiàn)故障，不能及時發(fā)現(xiàn)并排除，造成事故，給生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟損失，有時甚至會造成人身傷忘。往復式壓縮機典型故障與原因如表1所示。

2 往復壓縮機故障監(jiān)測診斷方法

往復壓縮機廣泛應用于化工工藝過程、氣體輸送以及動力工程等重要場合，在國民經(jīng)濟的很多部門中屬于必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。隨著機械設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的往復壓縮機安裝了在線監(jiān)測系統(tǒng)，其采用多種傳感器，如溫度、壓力、振動、位移（測量活塞桿沉降）等傳感器，來監(jiān)測整個機組及其零部件的運行狀態(tài)，從而做到對故障的提前預知，避免惡性故障的發(fā)生。

目前國內(nèi)外從事往復壓縮機在線監(jiān)測的企業(yè)主要有北京博華信智、Hoerbiger、Bently（GE）、西馬力等公司，其中北京博華信智科技股份有限公司的產(chǎn)品BH5000R往復機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)煉化等企業(yè)得到廣泛應用，并取得了良好的故障預警診斷實效。

往復壓縮機采用的主要監(jiān)測方法如下：

（1）工況熱力參數(shù)法。熱力參數(shù)是根據(jù)往復壓縮機的熱力參數(shù)來判斷設(shè)備及其零部件運轉(zhuǎn)狀況的一種方法。熱力參數(shù)包括往復壓縮機的進、排氣溫度、壓力，冷卻水、潤滑油的溫度、壓力和流量。

（2）振動檢測分析法。振動聲學法監(jiān)測是指通過對機械設(shè)備的振動、噪聲信號的檢測、分析、處理尋找機器故障的方法。理論上講，振動信號含有的信息最豐富，以此來尋找故障源最簡便，該方法在旋轉(zhuǎn)機械診斷技術(shù)中的應用最普遍。目前氣閥振動信號的分析處理方法主要有：頻譜分析法、時域分析和包絡分析法。

（3）氣體泄漏監(jiān)測法。主要是對氣閥和填料函磨損故障進行診斷，填料函磨損故障是采用泄漏監(jiān)測來實現(xiàn)的。

（4）油液分析法。油液分析是根據(jù)潤滑油中的金屬含量來評定往復壓縮機不同摩擦副的摩擦程度。油液分析法在往復壓縮機中的應用并不十分普遍，因為雙作用往復壓縮機、無油潤滑往復壓縮機的氣缸部分得不到反映，在發(fā)動機中應用較多。將其應用于監(jiān)測曲柄連桿機構(gòu)的磨損狀況應是一種比較理想的輔助手段。

表1 往復壓縮機典型故障及其主要原因

3 往復壓縮機典型故障診斷案例

（1）撞缸故障。某石化K1202A機組安裝了北京博華信智公司的BH5000R在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)。在2014年12月13日，1#缸出現(xiàn)明顯異常。機組于20點24分左右出現(xiàn)活塞桿沉降快速變化，同步出現(xiàn)氣閥溫度異常升高，在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送報警郵件給巡檢人員；21點30分左右，機組缸體振動與曲軸箱振動迅速增大，機組運行狀態(tài)嚴重異常，現(xiàn)場及時停車。開缸后發(fā)現(xiàn)，機組1#缸已發(fā)生活塞組件掉落，引發(fā)輕微撞缸。圖1為監(jiān)測系統(tǒng)在故障發(fā)生前后監(jiān)測到的1#缸活塞桿沉降、十字頭沖擊振動和機身振動的信號，現(xiàn)場故障照片如圖2所示。

圖1 機組1#缸發(fā)生故障前后的信號波形

圖2 發(fā)生撞缸故障的缸頭

圖3 發(fā)生拉缸故障的缸體內(nèi)壁

（2）拉缸故障。2011年8月～10月，某石化公司兩缸臥式往復壓縮機1#缸運行過程中拉缸故障。從BH5000R在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)中的信號中可以看到：2個月左右時間內(nèi)，活塞桿沉降量相對變化量超過500 μm，沉降波形在缸頭處存在現(xiàn)出劇烈波動；缸體振動沖擊峰值異常增大，由20 m/s2增大到50 m/s2左右，振動波形也在缸頭處出現(xiàn)強烈沖擊，BH5000R系統(tǒng)持續(xù)報警，現(xiàn)場停車后發(fā)現(xiàn)支撐環(huán)、活塞環(huán)已發(fā)生嚴重磨損，缸頭處存在輕微拉缸。

（3）氣閥故障。往復壓縮機在工作過程中，氣閥在一個正常的工作周期內(nèi)的振動時域波形中，其能量主要集中在3處：排氣閥開啟時，出現(xiàn)強烈的機械撞擊以及短時間的氣體流，此處振動峰值最大；排氣閥關(guān)閉時，由于氣路被切斷，所以出現(xiàn)一定的氣流沖擊，形成一個關(guān)閉壓力峰值，此處振動峰值次之；吸氣閥開啟時，也會出現(xiàn)機械撞擊，導致流道內(nèi)出現(xiàn)短暫的噪聲。

某石化聚丙烯廠C301往復壓縮機組，2011年12月至2012年1月，2個月以來運行狀態(tài)異常，4#缸缸體振動由40 m/s2左右逐漸增加至72 m/s2左右；振動波形在內(nèi)側(cè)吸氣閥開啟處振動較大；外排溫度1由62℃逐漸升高至74℃左右，外排溫度2由45℃逐漸升高至52℃左右。故障圖譜見圖4，4#缸缸體振動有增大趨勢，4#缸外排溫度1、2有增大趨勢。

4 往復壓縮機故障監(jiān)測診斷技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，特別是信息技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)等多種新技術(shù)的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集、信號處理和分析手段日臻完善，設(shè)備故障診斷技術(shù)正在變成計算機、控制、通信和人工智能的集成技術(shù)。近年來故障監(jiān)測診斷技術(shù)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

（1）診斷技術(shù)多元化。診斷技術(shù)吸收了大量的現(xiàn)代化科技成果，使診斷技術(shù)可以利用振動、噪聲、應力、溫度、油液、電磁、光、射線等多種信息實施診斷，還可以同時利用幾種方法進行綜合診斷。多種現(xiàn)代信息處理方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡、全息譜技術(shù)、小波分析、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等前沿科學成果也被用于故障診斷領(lǐng)域，提高了診斷的準確性。

（2）故障診斷實時化。實時監(jiān)測是航空、航天技術(shù)和現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求。現(xiàn)代化工業(yè)要求生產(chǎn)裝備的高度自動化、集成化和大型化發(fā)展，越復雜的工業(yè)裝備，越應該具備高度的可靠性和抵御故障的能力，以確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長期、滿負荷、優(yōu)化運行。為此需要快速、有效的故障信號采集、傳輸、存儲、分析和識別以及決策支持。

（3）診斷方法智能化。在工業(yè)現(xiàn)場，從監(jiān)測到的故障信息去判別故障原因往往需要技術(shù)人員有較高的專業(yè)水平和現(xiàn)場診斷經(jīng)驗，要想將診斷技術(shù)推廣應用，必須使用儀器或系統(tǒng)智能化，制造出“傻瓜式”診斷系統(tǒng)，這樣可以降低對使用者技術(shù)水平的限制。應充分利用計算機及其軟件技術(shù)和專家知識、經(jīng)驗使診斷系統(tǒng)智能化，從而使普通技術(shù)人員使用診斷系統(tǒng)得到的結(jié)果能達到診斷專家的水平。神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等可以為實現(xiàn)人工智能診斷提供技術(shù)支持。

（4）監(jiān)測診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡化。隨著Internet和Intranet的普及應用，國內(nèi)外許多大型企業(yè)設(shè)備管理已向網(wǎng)絡化發(fā)展，設(shè)備監(jiān)測和診斷網(wǎng)絡化已成必然。采用傳感器群對工業(yè)裝備進行監(jiān)測，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有線或無線通信與監(jiān)測診斷系統(tǒng)、企業(yè)管理信息系統(tǒng)通過網(wǎng)絡相連，使管理部門及時獲得設(shè)備運行狀態(tài)信息，有利于科學維修決策。借助Internet還可以提供范圍廣泛的專家支援、網(wǎng)上會診，實現(xiàn)遠程診斷。

近年來，應用基于無線局域網(wǎng)等技術(shù)的無線網(wǎng)絡技術(shù)在發(fā)達國家開始應用，我國不少機構(gòu)也在開始研究，這是監(jiān)測診斷技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，應引起足夠的重視。

圖4 C301機組4#缸歷史運行狀態(tài)圖

[1]馬波.往復壓縮機的故障機理及早期預警技術(shù)研究[J].北京：北京化工大學博士研究生學位論文，2007.

[2]郁永章.活塞式壓縮機[M].北京：機械工業(yè)出版社，1983.

[3]劉衛(wèi)華，郁永章.往復壓縮機故障示功圖診斷法研究[J].壓縮機技術(shù)，2001，（6）：9-12.

[4]余愚.往復式壓縮機振動故障的試驗研究[J].四川工業(yè)學院學報，1996，15（4）：24-35.

[5]林京，屈梁生.基于連續(xù)小波變換的奇異性檢測與故障診斷[J].振動工程學報，2000，13（4）：523-530.

[6]干敏梁，劉紅星.關(guān)于振動加速度信號幅值解調(diào)的五種方法[J].振動與沖擊，2000，19（1）：32-33.

[7]江志農(nóng).煉化機械網(wǎng)絡化監(jiān)測、智能診斷系統(tǒng)研究與應用[J].北京化工大學博士學位論文，2010.

[8]高金吉.機械故障診治與自愈化[M].北京：高等教育出版社，2012.

[9]陳淑華.往復壓縮機在線監(jiān)測技術(shù)的應用[M].北京：中國設(shè)備工程，2012，（2）：59-61.

Application and Developing Trend of Monitoring and Diagnosis Technique for Common Faults in Reciprocating Compressor

ZHAO Zi-long,JI Wei-xing,SONG Jing-guo
(Daqing Petrochemical Corporation Refinery Plant,Daqing 163711,China)

Reciprocating compressor is the key equipment for many process industries and more and more reciprocating compressors installed with online monitoring system.This paper analyzed the common typical faults occurred in reciprocating compressor and summarized the main diagnosis method.Then the important meanings of the application of online monitoring diagnosis technique in practical site were stated combined with three types of typical fault cases.Finally,some advices aimed at the developing trend of faults diagnosis technique for reciprocating compressor are pointed out.

reciprocating compressor;online monitoring;fault diagnosis

TH457

B

1006-2971（2015）03-0057-04

趙子龍，男，工學學士，工程師，2002年畢業(yè)于大慶石油學院化工設(shè)備與機械專業(yè)，主要從事煉油廠動設(shè)備管理工作。E-mail：lyzzl@petrochina.com.cn

2015-01-26