一種新的監(jiān)測往復(fù)壓縮機(jī)活塞桿下沉量的模型算法

劉 江，張恩貴，楊清華

(中國石油四川石化設(shè)備檢修部，四川 彭州 611930)

1 引言

往復(fù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損件多，故障率一直居高不下，尤其支撐環(huán)活塞環(huán)磨損、活塞拉缸、十字頭抱死等故障也并未得到有效遏制。因此，獲取關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)，建立科學(xué)有效的計(jì)算模型，精準(zhǔn)預(yù)測失效位置及嚴(yán)重程度，對(duì)機(jī)組長周期安全運(yùn)行至關(guān)重要。

筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年實(shí)踐研究，對(duì)目前行業(yè)普遍采用的活塞桿沉降計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化，并在工程實(shí)踐中得到驗(yàn)證。

2 目前行業(yè)計(jì)算模型

至今國內(nèi)外大多數(shù)大型往復(fù)壓縮機(jī)活塞桿上部或下部加裝了電渦流傳感器，來監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，已有很多專家學(xué)者對(duì)機(jī)組故障特征提取做了大量的研究工作，并在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。

美國石油協(xié)會(huì)在2007年頒發(fā)的API618[1]標(biāo)準(zhǔn)6.3.1和C.3.3中明確提到“臥室往復(fù)壓縮機(jī)活塞桿水平和垂直冷態(tài)徑向跳動(dòng)偏差范圍在行程的±0.015%之內(nèi)”“盤車試驗(yàn)刻度盤指示器活塞桿水平(側(cè)向)徑向跳動(dòng)不應(yīng)超過0.064 mm，不考慮行程長度”“考慮到可能造成輕微平行偏移或角偏差的所有零件的幾何和配合公差，加上或減去行程許用限值的±0.015%”。同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)中圖C-4對(duì)活塞桿重力產(chǎn)生的撓度在千分表處的幾何變形進(jìn)行了專利計(jì)算；標(biāo)準(zhǔn)中C.4.5還提到“在正確對(duì)中條件下并無活塞桿下沉，垂直活塞桿徑向跳動(dòng)非常接近一個(gè)成比例的直角三角形關(guān)系”，其公式如下。

該模型公式未考慮十字頭滑履磨損，因此與實(shí)際情況存在一定偏差。

同時(shí)，文獻(xiàn)[2]還介紹了第二種計(jì)算活塞支撐環(huán)磨損的物理模型及方法(圖1)，也在行業(yè)中廣泛應(yīng)用。

但實(shí)踐研究表明，由于該方法考慮的要素較少，模型未考慮十字頭滑履磨損，未考慮拉缸時(shí)支撐環(huán)臨界磨損余量，在確定L1、L2時(shí)也未明確活塞的具體位置，因此測算A值與實(shí)際檢修偏差較大，只能簡易計(jì)算支撐環(huán)磨損的大致情況。

計(jì)算模型如下：首先測量十字頭和支撐環(huán)到傳感器的長度L1、L2，通過電渦流傳感器測量活塞桿下沉數(shù)值B，通過相似三角形原理，計(jì)算公式如下

(1)

計(jì)算得到支撐環(huán)實(shí)際磨損量

(2)

3 計(jì)算模型改進(jìn)

基于上述模型，在不考慮活塞桿重力產(chǎn)生的撓曲變形和十字頭垂直方向的交變載荷對(duì)活塞桿的影響，假設(shè)活塞桿絕對(duì)水平，以傳感器與活塞桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，確定遠(yuǎn)死點(diǎn)和近死點(diǎn)的具體位置，考慮拉缸時(shí)支撐環(huán)臨界磨損余量，將L3延長至活塞端面，重新確定了L1、L2、L3的長度，建立圖2所示的計(jì)算模型。通過狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的電渦流傳感器采集活塞桿全行程的運(yùn)動(dòng)間隙，形成360°活塞桿沉降波形，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)提取特征值。

圖1 目前往復(fù)壓縮機(jī)支撐環(huán)磨損計(jì)算模型

特征值1：下沉量，取其運(yùn)動(dòng)間隙波形的平均值，即信號(hào)直流量y。

(3)

特征值2：波動(dòng)量，取其運(yùn)動(dòng)間隙波形的峰峰值，即信號(hào)交流量p。

p=-Xa+Xb

(4)

4 計(jì)算方法及步驟

鑒于初始狀態(tài)非理想水平狀態(tài)，一般存在傾斜，因此將磨損前的穩(wěn)定狀態(tài)1定義為磨損前初始狀態(tài)，將磨損后的穩(wěn)定狀態(tài)2定義為磨損后穩(wěn)定狀態(tài)，考慮十字頭滑履磨損對(duì)特征值的影響，建立圖3所示計(jì)算模型。

4.1 計(jì)算ΔXa和ΔXb

針對(duì)活塞桿磨損前后的穩(wěn)定狀態(tài)，列出其特征值，推導(dǎo)求解電渦流傳感器在遠(yuǎn)死點(diǎn)、近死點(diǎn)的變化量ΔXa和ΔXb。

圖2 改進(jìn)后的往復(fù)壓縮機(jī)支撐環(huán)磨損計(jì)算模型(理想狀態(tài)下)

圖3 改進(jìn)后的往復(fù)壓縮機(jī)支撐環(huán)磨損計(jì)算模型(實(shí)際狀態(tài)下)

穩(wěn)定狀態(tài)1的特征值

(5)

p1=-Xa+Xb

(6)

穩(wěn)定狀態(tài)2的特征值

(7)

p2=-Xa-ΔXa+Xb+ΔXb

(8)

聯(lián)合公式(5)～(8)推導(dǎo)出

(9)

p2-p1=-ΔXa+ΔXb

(10)

聯(lián)合公式(9)、(10)求解出

(11)

(12)

4.2 計(jì)算ΔXi和ΔXj

參照相似三角形原理，列出比例恒等式，推導(dǎo)求解出十字頭滑履、活塞支撐環(huán)的變化量ΔXi和ΔXj。

(13)

(14)

聯(lián)合公式(11)～(14)求解出

(15)

(16)

5 結(jié)語

筆者采用該計(jì)算模型對(duì)22臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，已先后發(fā)現(xiàn)了十字頭滑履磨損、十字頭銷報(bào)死、支撐環(huán)和活塞環(huán)磨損等30余起故障，不僅提高了支撐環(huán)磨損的計(jì)算精度，而且還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)了十字頭存在的問題，在工程實(shí)踐中得到充分驗(yàn)證，期望該技術(shù)能在行業(yè)中得到推廣應(yīng)用。