往復(fù)式壓縮機(jī)常見故障及在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

李建明，李 軍

（國家能源寧夏煤業(yè)集團(tuán) 煤制油分公司 儀表管理中心，寧夏 寧東 750411）

1 往復(fù)式壓縮機(jī)常見故障

往復(fù)壓縮機(jī)的故障按功能劃分有兩大類：一類是熱力性能故障，另一類是機(jī)械性能故障[1]。熱力性能故障又稱之為熱力故障，故障原因集中在氣閥、活塞環(huán)、工藝氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等部位。故障時其特征表現(xiàn)為機(jī)組運(yùn)行時出口氣量不足，出口氣體壓力、溫度以及級間壓力、溫度不正常。機(jī)械功能故障，從本質(zhì)上來看是設(shè)備運(yùn)動部件或結(jié)構(gòu)故障，故障原因主要有運(yùn)動部件本身故障，運(yùn)動部件之間的配合間隙變化、運(yùn)動部件本身的裂紋等[2]。其故障特征為設(shè)備運(yùn)行時振動突變，發(fā)熱量異常，現(xiàn)場異響等動力故障模式。

對現(xiàn)場檢維修進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，構(gòu)建常見故障類型分布圖。其運(yùn)動部件故障占比為59.9%包括氣閥故障、支撐環(huán)故障、曲軸連桿、活塞環(huán)故障等[3]。密封部件故障占比為25.4%，主要是填料、活塞密封環(huán)故障。

圖1 往復(fù)壓縮機(jī)常見故障類型分布圖Fig.1 Distribution of common fault types of reciprocating compressors

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)組成

現(xiàn)場傳感器信號經(jīng)安全柵、數(shù)字采集器、交換機(jī)通過局域網(wǎng)傳輸至服務(wù)器，設(shè)備管理員可通過局域網(wǎng)客戶端訪問服務(wù)器，對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測及故障診斷。狀態(tài)監(jiān)測廠家專業(yè)服務(wù)人員可通過遠(yuǎn)程訪問進(jìn)行診斷分析。

2.2 測點(diǎn)及傳感器的選擇

往復(fù)機(jī)故障點(diǎn)主要分布在曲軸箱、氣缸殼體、軸承溫度、活塞桿、氣缸出入口氣閥等處。所以需要對氣缸及曲軸箱振動、十字頭沖擊、軸承及氣缸溫度以及活塞桿沉降、偏轉(zhuǎn)進(jìn)行測量。

根據(jù)往復(fù)壓縮機(jī)常見故障類型分析，其運(yùn)動部件和密封組件故障占比達(dá)到85.3%。所以要根據(jù)其故障點(diǎn)來選取測點(diǎn)，方能實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)故障判斷和預(yù)知。

往復(fù)機(jī)活塞在運(yùn)行中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，其曲軸旋轉(zhuǎn)一周為一個運(yùn)行周期，故在機(jī)組飛輪上安裝金屬塊提供脈沖信號，作為鍵相傳感器輸入信號為測點(diǎn)提供故障診斷參考點(diǎn)，鍵相位傳感器固定在設(shè)備安裝混凝土或鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。鍵相探頭參數(shù)為供電電壓：10V DC～40V DC，有效工作距離：2.5mm，安裝方式：底座支架螺紋安裝，溫度范圍：-40℃～80℃，防護(hù)等級：IP67。

曲軸箱振動用來監(jiān)測基礎(chǔ)和殼體振動，對于不平衡類故障有明顯表征，所以使用速度傳感器測量[4]。往復(fù)式壓縮機(jī)在活塞往復(fù)運(yùn)動過程中，氣缸作用在曲軸上的力在正常情況下可以相互抵消。但是當(dāng)發(fā)生氣閥損壞、刮缸、泄露等情況時，氣缸會產(chǎn)生不平衡力。此時安裝在曲軸箱箱體對角線上的速度傳感器能夠完好地監(jiān)測到這種不平衡力?？紤]到現(xiàn)場環(huán)境對測量的影響，要求傳感器靈敏度：100mv/g，頻響范圍：4.5Hz～5KHz，量程范圍：0～1000mm/s，非線性：±2%，溫度范圍：-40℃～100℃，防護(hù)等級：IP67，防爆等級：Ex iaIICT4。

十字頭沖擊信號振幅小、振速高，為高頻振動，所以使用加速度傳感器測量。傳感器安裝于十字頭上，對于十字頭間隙過大，十字頭螺母或螺栓松動，液體吸入氣缸，活塞銷圈間隙過大等故障特征明顯[5]。主要用于監(jiān)測拉缸、水擊、連接松動等沖擊類故障。加速度傳感器靈敏度：100mv/g，頻響范圍：0.5Hz～10KHz，量程范圍：-50g～50g，抗沖擊：5000g pk，非線性：±1%，溫度范圍：-54℃～121℃，防護(hù)等級：IP67。

活塞桿位置采用電渦流傳感器，垂直沉降探頭安裝在填料函尾部螺栓上，水平偏轉(zhuǎn)探頭安裝在填料函尾部側(cè)面，可以監(jiān)測到活塞環(huán)磨損程度，活塞桿彎曲程度[6]。在故障診斷中結(jié)合機(jī)身振動歷史波形圖和十字頭沖擊歷史趨勢圖能夠?yàn)槭诸^松動狀態(tài)和氣缸的滑動區(qū)狀況提供診斷依據(jù)，為滑道磨損，活塞支撐環(huán)、填料函替換提供檢修依據(jù)。要求傳感器靈敏度：3.94mv/um，頻響：0Hz～10KHz，量程：0.5mm～4mm。線性標(biāo)注偏差：小于±0.1mm，溫度：-30℃～120℃。

采用熱電阻對氣閥溫度進(jìn)行測量，熱電阻溫度傳感器可采用兩種形式進(jìn)行安裝，即磁吸安裝或?qū)崮z粘貼。熱電阻固定在各氣閥閥蓋上，對氣閥溫度實(shí)時監(jiān)測，為氣閥故障診斷提供重要依據(jù)。傳感器要求——測溫元件：PT100，溫度范圍：-40℃～85℃，防爆等級：Ex iaIICT4，防護(hù)等級：IP67。

3 往復(fù)壓縮機(jī)典型故障特征

往復(fù)機(jī)故障按照其可嚴(yán)重程度分為常規(guī)故障和惡性故障兩大類。典型故障有撞缸、活塞桿斷裂、連桿螺栓斷裂、拉缸、氣閥閥片斷裂、支撐環(huán)嚴(yán)重磨損等。

◆ 常規(guī)故障包括：氣閥類故障，支撐環(huán)、活塞環(huán)磨損故障，填料函磨損故障[7]。

故障特征：故障發(fā)生時間較長，故障破壞力弱，現(xiàn)場容忍能力較強(qiáng)。

故障診斷方法：常規(guī)故障種類多，涉及的相關(guān)參數(shù)多，分析方法較復(fù)雜，要根據(jù)氣閥溫度、氣缸振動、機(jī)身振動以及活塞桿沉降趨勢、水平偏轉(zhuǎn)進(jìn)行綜合狀態(tài)分析，結(jié)合機(jī)組排氣量進(jìn)行綜合診斷分析。

故障處理緊迫性：機(jī)組暫無重大故障風(fēng)險，可根據(jù)生產(chǎn)狀況合理安排檢修。

◆ 惡性故障包括：拉缸、撞缸、活塞桿斷裂、活塞緊固元件松動。

故障特征：故障發(fā)生突然、時間短、破壞力大，對設(shè)備造成不可修復(fù)性損傷。

故障診斷方法：根據(jù)活塞換向點(diǎn)沖擊，即氣缸振動，結(jié)合活塞桿位移相對變化量以及曲軸箱振動的變化進(jìn)行故障診斷分析。

故障處理緊迫性：急，機(jī)組存在重大故障風(fēng)險，需要及時停車。

◆ 典型故障特征如下：

1）撞缸故障特征：撞缸的瞬間即在0°或180°兩個相位附近缸體振動劇烈沖擊。缸體沖擊伴隨曲軸箱振動急速上漲，同時活塞桿沉降在0°或180°兩個相位出現(xiàn)波動。

2）活塞桿斷裂故障特征：活塞桿沉降量和水平偏擺量瞬間跑最大，超過量程上限甚至造成活塞桿探頭損壞；在0°或180°兩個相位附近缸體振動急劇增大。

3）連桿螺栓斷裂故障特征：活塞桿沉降量及水平方向偏擺量同時出現(xiàn)較大幅度波動，活塞桿斷裂時，缸體振動、曲軸箱振動瞬間增大[8]。

4）拉缸故障特征：活塞桿沉降量和水平方向偏擺量同時出現(xiàn)異常波動，相對變化很大，甚至達(dá)到1mm。一旦發(fā)生拉缸現(xiàn)象機(jī)身振動和氣缸振動信號必然異常增大。

5）氣閥故障，主要是氣閥閥片、彈簧或部件主體在工作中發(fā)生變形、斷裂、失效等情況導(dǎo)致氣閥不能正常工作的故障。故障特征：氣閥故障必然伴隨著閥蓋溫度的異常升高，與此同時在吸氣閥和排氣閥開啟的相位，缸體振動沖擊劇烈[9]。

6）支撐環(huán)嚴(yán)重磨損故障特征：活塞桿沉降量在支撐環(huán)逐漸磨損的過程中相對變化量逐漸增大，一般超過0.5mm為低報值，此時證明已發(fā)生磨損，當(dāng)超過0.8mm時磨損嚴(yán)重[10]；同時缸體振動、機(jī)身振動測量值趨勢平穩(wěn)，無較大變化。

7）活塞桿緊固螺栓松動故障特征：活塞桿沉降量在螺栓松動時波動迅速增大，超過0.5mm，甚至0.8mm。

4 典型案例分析

4.1 氣閥閥片斷裂故障

故障簡介：該機(jī)組為某國產(chǎn)六缸立式往復(fù)壓縮機(jī)，測量的工藝介質(zhì)為氫氣（29℃，3.5Mpa）。某日該機(jī)組四號缸在運(yùn)行過程中發(fā)生閥片斷裂故障。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)圖譜分析：

1）該機(jī)組在一個月的時間里，吸氣溫度1從40℃升高到60℃，較其他氣閥溫度上漲了20℃左右，排氣溫度1從39℃升高到44℃，較其他排氣閥溫度上漲了15℃左右。

2）四號缸缸蓋振動由39m/s2左右上漲到80m/s2左右，從缸體振動監(jiān)測圖上可看到吸氣閥開啟相位的振動明顯沖擊增大，在線監(jiān)測系統(tǒng)振動參數(shù)持續(xù)報警。

診斷結(jié)論：如圖2所示機(jī)組振動檢測圖可知，吸氣閥及其對應(yīng)的排氣閥溫度存在升高趨勢。從振動監(jiān)測圖上分析：①四號缸吸氣閥、排氣閥溫度均異常升高；②與此同時缸體振動峰值增大，該振動值在氣閥開啟相位波動明顯。以上現(xiàn)象表明，四號氣缸吸氣閥出現(xiàn)氣閥泄漏故障。因該故障對機(jī)組運(yùn)行影響較低且該廠生產(chǎn)任務(wù)較重，在診斷結(jié)論發(fā)出后第二個月停機(jī)檢修，開蓋后發(fā)現(xiàn)吸氣閥閥片斷裂。

圖2 機(jī)組四號缸振動監(jiān)測圖Fig.2 Vibration monitoring diagram of the fourth cylinder of the unit

圖3 機(jī)組二號缸狀態(tài)監(jiān)測圖Fig.3 Unit 2 cylinder status monitoring diagram

4.2 撞缸故障

故障簡介：該機(jī)組為某國產(chǎn)四缸臥式往復(fù)壓縮機(jī)，測量的工藝介質(zhì)為一氧化碳、氫氣（35℃，4.6Mpa），某日該機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測振動值報警，分析發(fā)現(xiàn)存在撞缸現(xiàn)象。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)圖譜分析：

1）從機(jī)組振動歷史趨勢圖發(fā)現(xiàn)缸體振動在正常運(yùn)行期間由40m/s2左右迅速增大至110m/s2，漲幅達(dá)到70m/s2。兩天后進(jìn)一步增大至190m/s2以上。

2）從二號缸振動歷史波形圖和歷史柱狀圖可見活塞運(yùn)動到內(nèi)止點(diǎn)190°時出現(xiàn)劇烈沖擊。

診斷結(jié)論：結(jié)合二號缸振動波形圖以及歷史波形圖和柱狀圖分析，二號缸振動突然增大，活塞運(yùn)動到內(nèi)止點(diǎn)時振動波形出現(xiàn)劇烈沖擊，猜測是活塞桿緊固原件松動或缸體內(nèi)進(jìn)入異物導(dǎo)致二號缸出現(xiàn)撞缸故障。

該廠迅速組織設(shè)備停機(jī)并拆檢二號缸，確定十字頭緊固螺母松動。這是一起典型的在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)報警，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)判、避免設(shè)備損傷的案例。

5 結(jié)語

往復(fù)式壓縮機(jī)的在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建應(yīng)該遵循其故障特征，傳感器的選擇要結(jié)合故障特性及信號特性，選取最具代表性的參數(shù)進(jìn)行測量。本文從確定傳感器選型及安裝位置開始，構(gòu)建了監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，通過局域網(wǎng)充分發(fā)揮檢測系統(tǒng)的作用。參考常規(guī)故障特征及故障案例，參考實(shí)際案例，通過運(yùn)用在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了故障診斷和預(yù)判，證明了搭建在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的必要性和充分性。