往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷技術(shù)分析

楊天山，楊靜

（1.克拉瑪依安泰煉化工程有限責(zé)任公司；2.新疆培訓(xùn)中心，新疆 克拉瑪依 834000）

在石油和天然氣的壓力儲(chǔ)運(yùn)過程中，石油化工的安全和穩(wěn)定是石油化工產(chǎn)品長距離高效運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵。然而，往復(fù)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。同時(shí)，往復(fù)式壓縮機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中故障率高，受設(shè)備超負(fù)荷、機(jī)組運(yùn)行環(huán)境差、維護(hù)不及時(shí)等多種因素影響，不時(shí)發(fā)生各種大小安全生產(chǎn)事故。往復(fù)壓縮機(jī)的振源不同，機(jī)身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備的工作環(huán)境復(fù)雜(高溫、高壓、易燃、易腐蝕等)，振動(dòng)源頭多樣，難以穩(wěn)定捕獲，這使得故障診斷和維護(hù)往復(fù)壓縮機(jī)變得困難。如何運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)對壓縮機(jī)進(jìn)行故障診斷，保證其安全可靠，是石油化工大公司長期以來所關(guān)心的問題。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀分析

往復(fù)式壓縮機(jī)的發(fā)展由來已久，其形成過程可以分成四個(gè)時(shí)期。往復(fù)壓縮機(jī)的歷史最早時(shí)期可以追溯到19世紀(jì)。那時(shí)，我國的技術(shù)系統(tǒng)尚不完善，技術(shù)還處在起步階段。通常情況下，都采用事后處理的方式進(jìn)行對壓縮機(jī)設(shè)備的維修和處理。第二個(gè)時(shí)期是20世紀(jì)初期。往復(fù)式壓縮機(jī)的總體尺寸有了很大的改善，而且其機(jī)械結(jié)構(gòu)也逐步趨于系統(tǒng)化，所以采用的方式也由事后維修改為定期的預(yù)防性維修。第三個(gè)時(shí)期是20時(shí)期60年代。中國在這一階段已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。電腦技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用給人類的生活帶來了巨大的變化，相關(guān)工作人員還可以通過電腦技術(shù)對壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并針對其運(yùn)行狀況采取相應(yīng)的預(yù)防措施。往復(fù)式壓縮機(jī)的發(fā)展到如今已經(jīng)經(jīng)過了相當(dāng)漫長的時(shí)期，雖然我們已經(jīng)對往復(fù)式壓縮機(jī)的故障診斷有了系統(tǒng)研究，但是，從目前的狀況來看，往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展并不理想，這在很大程度上制約了往復(fù)式壓縮機(jī)的發(fā)展與進(jìn)步。

2 常見故障類型

往復(fù)式壓縮機(jī)的常見故障，根據(jù)其成因，可以將其歸結(jié)為兩種類型：一種是由不同的流體造成的，另一種是由機(jī)械原因造成的。流體對設(shè)備熱特性的影響，主要是由于壓氣機(jī)的燃燒能力不足、設(shè)備壓力降低以及溫度的反常。造成這種故障的最直接的原因是氣閥、活塞環(huán)、加注箱以及空氣濾清器。由于液壓平臺(tái)的機(jī)械故障而造成的動(dòng)力不正常，一般是儀器、儀器的異常響聲、振動(dòng)不平衡、溫度過高等。原因主要是儀表部件距離長、結(jié)構(gòu)部件之間連接松動(dòng)、閥組整體故障和部分部件溫度過高。

3 往復(fù)式活塞壓縮機(jī)故障診斷研究

3.1 計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)

本文介紹了一種基于傳感器A/D轉(zhuǎn)換器和微機(jī)控制技術(shù)的壓縮機(jī)在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。經(jīng)A/D變換、濾波、降噪后，將其傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理，實(shí)現(xiàn)了對誤差的可視化，對其進(jìn)行相應(yīng)的評價(jià)和警示。

3.2 故障的分析

在往復(fù)式活塞壓縮機(jī)中，一般都是通過在線間接診斷來實(shí)現(xiàn)故障診斷的。關(guān)鍵機(jī)械零件的狀態(tài)改變，應(yīng)當(dāng)由輔助診斷信息間接地進(jìn)行，其主要內(nèi)容是：

（1）振動(dòng)的檢測。振動(dòng)信號(hào)包含很多信息。許多機(jī)械故障都有異常的震動(dòng)。此外，振動(dòng)探測的儀器、設(shè)備相對簡單，信號(hào)處理技術(shù)相對成熟，能夠在機(jī)器工作時(shí)完成相應(yīng)的檢測與診斷，從而方便地實(shí)現(xiàn)對機(jī)器的實(shí)時(shí)監(jiān)控。因而，這種方法在機(jī)械故障診斷中起著舉足輕重的作用。其中有：①Poincare轉(zhuǎn)換：由于難以確定量化特性，Poincare轉(zhuǎn)換的頻率分析方法對非線性情形的效果不是很好。結(jié)果顯示，采用直接對時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析，可以得到較好的處理結(jié)果，而且在處理過程中損耗較少。Poincare轉(zhuǎn)換法利用往復(fù)式壓縮機(jī)的振動(dòng)或其他信號(hào)，對機(jī)械的工作狀況進(jìn)行評價(jià)，從而判斷機(jī)械有無故障。主要是利用令牌空間重建理論對一維信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，從而產(chǎn)生二維和三維的信號(hào)，分析并比較典型誤差，進(jìn)一步確定誤差類型。②頻譜分析：在對往復(fù)式壓縮機(jī)故障進(jìn)行故障診斷時(shí)，發(fā)現(xiàn)其頻譜組成十分復(fù)雜，難以對各譜線進(jìn)行有效的識(shí)別。對氣門振動(dòng)信號(hào)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其存在一定的誤差，使其波形的頻譜分布出現(xiàn)一定的改變。在功率頻譜分析中，這一改變更為顯著。通過對信號(hào)頻譜能量分布的分析，分析了不同頻段的頻譜特征，并對其進(jìn)行了分析。但是，很難觀測到功率頻譜的能量分布。有必要尋找一種客觀的指標(biāo)來描述這一改變的程度。功率頻譜的遠(yuǎn)近就是一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過對比和分析，得出了散度J的頻譜距離與功率頻譜的描述非常相似。這是一種非常好的頻譜范圍，能有效地發(fā)現(xiàn)問題。③時(shí)間序列模式的參數(shù)和譜分析法(AR)：機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)的改變往往是時(shí)間序列模型中的參量和剩余量的反應(yīng)。利用時(shí)序模型建立了壓氣機(jī)振動(dòng)信號(hào)的動(dòng)力學(xué)模型，建立了基于該模型的AR頻譜。AR頻譜比傅里葉頻譜有很多優(yōu)勢：傅里葉頻譜具有窗信號(hào)處理能力，易于生成虛假頻譜分量；AR頻譜分析是以時(shí)間序列模型的參數(shù)和階次為基礎(chǔ)，不受限于數(shù)據(jù)長度，能較好地實(shí)現(xiàn)對錯(cuò)誤信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測。AR光譜具有譜線平滑、譜峰清晰、分辨率高、直觀性好等特點(diǎn)。在許多誤差條件下，AR譜可以清晰地反映出來，這與能量頻譜的計(jì)算結(jié)果是完全吻合的。然而，不能識(shí)別出問題的種類。④包絡(luò)分析。該傳感器所獲取的振動(dòng)信號(hào)屬于一種含有大量載波的振幅，比如氣門的振蕩，是氣門的自然吸氣和排氣系統(tǒng)的諧振頻率。這些成分可以通過濾波振幅調(diào)制而被去除。通過與常規(guī)信號(hào)的比較，從而對故障狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，在輕質(zhì)閥門彈簧失效的情況下，其工作性能是很好的。

（2）溫度監(jiān)控。往復(fù)式壓縮機(jī)的很多零件都會(huì)受到很大的沖擊和摩擦力，而溫度是一個(gè)敏感的因子，它能反應(yīng)出零件狀態(tài)的改變。它在監(jiān)控橫向滑塊、活塞和其他部件的潤滑、磨損和協(xié)調(diào)方面尤其有用，還能反映出制冷和氣門部件的工作狀況。

（3）鐵譜分析。鐵譜分析是監(jiān)測壓縮機(jī)中移動(dòng)蒸汽磨損狀態(tài)的理想輔助手段，例如，國外的CSI機(jī)器油液污染監(jiān)測技術(shù)。但是，當(dāng)同一材料的多對摩擦存在磨損缺陷時(shí)，鐵譜分析無法準(zhǔn)確區(qū)分損傷部位，因此應(yīng)結(jié)合其他方法使用。

（4）人工智能專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種以豐富的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，用于處理復(fù)雜、困難的系統(tǒng)故障診斷的智能化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一個(gè)專家體系的層次主要是由它的知識(shí)庫來決定的，而更完整、更真實(shí)的知識(shí)庫，則是更高層次的專家系統(tǒng)。

3.3 現(xiàn)存的幾個(gè)需要處理的問題

（1）故障監(jiān)控的精確度低。往復(fù)式壓縮機(jī)的在線故障監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)往往是間接采集的，也就是所謂的“二次數(shù)據(jù)”，存在著較大的不確定性，容易導(dǎo)致誤診。為此，必須深入探討識(shí)別理論，以強(qiáng)化對典型缺陷的認(rèn)識(shí)，對要辨識(shí)的狀態(tài)選擇檢測與診斷功能進(jìn)行清晰地區(qū)分。另外，現(xiàn)有的相關(guān)研究主要是從定性關(guān)系的錯(cuò)誤性質(zhì)出發(fā)，對量化的關(guān)系還有待探討。比如，氣門故障診斷，閥板裂紋的早期抗力預(yù)報(bào)，不同類型的裂紋、長度和方向的特性，都需要深入的研究

（2）某些典型故障仍然無法診斷。對于活塞桿、曲軸、連桿等零件的斷裂進(jìn)行預(yù)測和診斷，目前還沒有一種行之有效的方法。國外文獻(xiàn)中提出了采用壓力傳感器來監(jiān)測各曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，但目前尚無實(shí)際應(yīng)用報(bào)告，其準(zhǔn)確性及可靠性尚需進(jìn)一步研究。北京理工大學(xué)開發(fā)了一種新型的金屬和非金屬裂紋監(jiān)測系統(tǒng)。但怎樣運(yùn)用于往復(fù)式壓縮機(jī)也還有待探討。

（3）研制的診斷系統(tǒng)診斷方法單一?，F(xiàn)階段開發(fā)的診斷系統(tǒng)的診斷方法相對簡單。在當(dāng)前的診斷系統(tǒng)中，診斷措施通常是單一的，提高診斷水平的關(guān)鍵在于上述診斷方法能否廣泛應(yīng)用于往復(fù)式壓縮機(jī)。

（4）充實(shí)專家系統(tǒng)的知識(shí)庫。擴(kuò)展專家知識(shí)庫是一項(xiàng)長期的工作，而基于知識(shí)的典型故障特性的研究實(shí)驗(yàn)，針對往復(fù)式壓縮機(jī)的試驗(yàn)研究存在著諸多問題，必須加大 CAT的研發(fā)力度。

4 常見的往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷技術(shù)方法

4.1 小波分析法

小波分析是一種新的方法。小波分析與傳統(tǒng) FFT分析法比較，能更好地反映時(shí)頻域非平穩(wěn)信號(hào)的局部特征，同時(shí)能夠較好地捕獲信號(hào)的時(shí)頻特性。在往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷中，獲得的非平穩(wěn)壓縮機(jī)振動(dòng)信號(hào)可以通過波形設(shè)置分為低頻和高頻信號(hào)，降級(jí)信號(hào)可以在特定的頻率范圍內(nèi)被抑制、濾波甚至指示，此外，采用波包分析和單支重構(gòu)等技術(shù)分析方法提取誤差信號(hào)，并構(gòu)造了一組新的誤差信號(hào)特征矩陣。最后，結(jié)合壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行波形變換，處理后的信號(hào)數(shù)據(jù)可以用于檢測壓縮機(jī)故障，為壓縮機(jī)故障診斷提供可靠的信號(hào)數(shù)據(jù)支持。

4.2 專家系統(tǒng)診斷法

作為一種高效、復(fù)雜的壓力提升設(shè)備，往復(fù)式壓縮機(jī)的機(jī)械部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺陷類型與缺陷外觀之間的關(guān)系復(fù)雜。有時(shí)，可見缺陷通常是由許多因素造成的，這些因素使得工程師和技術(shù)人員難以準(zhǔn)確判斷壓縮機(jī)故障。單純依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行故障診斷，常常會(huì)造成故障診斷率低，故障診斷不完全，而專家系統(tǒng)則是一種新的故障診斷技術(shù)。

本系統(tǒng)是一個(gè)大型的專門技術(shù)數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)唧w領(lǐng)域內(nèi)的專家進(jìn)行分析、評價(jià)，并為其提供專業(yè)技術(shù)服務(wù)。在專家系統(tǒng)的故障診斷中，建立一個(gè)理想的專家系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的。要構(gòu)建一套完善的專家系統(tǒng)，必須從獲得大量、可靠的知識(shí)、建立起正確、高效的知識(shí)表達(dá)方法、構(gòu)建和維護(hù)知識(shí)庫、對推理過程進(jìn)行理性的了解、對推理的可信度和有效性的判定。

4.3 聲發(fā)射技術(shù)分析法

聲發(fā)射是在產(chǎn)生平均電容時(shí)，聲波在不同的頻率下發(fā)出的。比如，在壓縮機(jī)的正常工作過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，壓縮機(jī)材料表面的滑移產(chǎn)生的彈性波，氣閥的裂縫，線圈的摩擦力等，都會(huì)產(chǎn)生一定的頻率的聲波。AE技術(shù)是指利用專用設(shè)備對壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)所發(fā)出的各類聲音信號(hào)進(jìn)行收集，并對其進(jìn)行分析，以判斷其失效原因，實(shí)現(xiàn)非破壞性檢測。該系統(tǒng)由檢測點(diǎn)、信號(hào)采集與傳輸、數(shù)據(jù)分析與處理三部分構(gòu)成。將聲波傳感器置于可疑位置，利用信號(hào)采集、傳輸系統(tǒng)采集壓縮機(jī)工作過程中所產(chǎn)生的各類聲音信號(hào)，并將其傳送給分析與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并將其與壓縮后的壓縮信號(hào)進(jìn)行比較，從中提取出故障信號(hào)的特點(diǎn)，識(shí)別出故障的部位及類型。

5 往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷應(yīng)注意的問題

不同的故障診斷技術(shù)有不同的應(yīng)用優(yōu)勢和不同的應(yīng)用。應(yīng)根據(jù)當(dāng)前情況進(jìn)行公平監(jiān)管。在未來壓縮機(jī)的故障診斷中，有許多需要注意的問題。這里有幾個(gè)要點(diǎn)需要注意：在使用波形分析的過程中，我們需要連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)＜蚁到y(tǒng)。由于外部因素的影響，信號(hào)變化很大。我們主要考慮危險(xiǎn)信號(hào)的影響，以盡量減少此類信號(hào)的影響，避免錯(cuò)誤的故障診斷結(jié)果；深入研究定量錯(cuò)誤診斷率，主要從錯(cuò)誤原因入手，預(yù)測錯(cuò)誤因素，降低錯(cuò)誤診斷的總體風(fēng)險(xiǎn)，通過定向處理提高錯(cuò)誤解決的有效性；往復(fù)壓縮機(jī)工作方式具有動(dòng)態(tài)變化的趨勢，逆向壓縮機(jī)工作方式具有隨機(jī)性和不可控制性。據(jù)此，可以對壓縮機(jī)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而延長壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。專家系統(tǒng)知識(shí)庫的內(nèi)容是有限的，為提高用戶壓縮機(jī)故障的綜合診斷能力，必須及時(shí)完成專家知識(shí)庫的建設(shè)，并建立健全的信息管理體系，對其進(jìn)行全面的診斷；很多壓縮機(jī)的缺點(diǎn)都是隱蔽的，不易察覺的。我們只有在資料模式下才能發(fā)現(xiàn)他們。因?yàn)槔昧诉@些資料，我們也能找出資料中可能的錯(cuò)誤。通過對該模型的觀測，可以更好地理解各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系因素，特別是參數(shù)的特征比率，進(jìn)而對可視化模型進(jìn)行優(yōu)化和完善，對于提高往復(fù)式壓縮機(jī)的故障診斷工作具有十分重要的意義。

6 結(jié)語

針對往復(fù)式壓縮機(jī)故障，必須運(yùn)用正確的故障診斷技術(shù)，充分考慮各因素的影響，重視正確的檢測條件，解釋故障原因，制定相應(yīng)的處理措施，以提高壓縮機(jī)故障診斷的及時(shí)性。