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

李建明，李 軍

（國(guó)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(jiàn)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(shí)其特征表現(xiàn)為機(jī)組運(yùn)行時(shí)出口氣量不足，出口氣體壓力、溫度以及級(jí)間壓力、溫度不正常。機(jī)械功能故障，從本質(zhì)上來(lái)看是設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件或結(jié)構(gòu)故障，故障原因主要有運(yùn)動(dòng)部件本身故障，運(yùn)動(dòng)部件之間的配合間隙變化、運(yùn)動(dòng)部件本身的裂紋等[2]。其故障特征為設(shè)備運(yùn)行時(shí)振動(dòng)突變，發(fā)熱量異常，現(xiàn)場(chǎng)異響等動(dòng)力故障模式。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢維修進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，構(gòu)建常見(jiàn)故障類型分布圖。其運(yùn)動(dòng)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(jiàn)故障類型分布圖Fig.1 Distribution of common fault types of reciprocating compressors

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)經(jīng)安全柵、數(shù)字采集器、交換機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)傳輸至服務(wù)器，設(shè)備管理員可通過(guò)局域網(wǎng)客戶端訪問(wèn)服務(wù)器，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及故障診斷。狀態(tài)監(jiān)測(cè)廠家專業(yè)服務(wù)人員可通過(guò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)進(jìn)行診斷分析。

2.2 測(cè)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(duì)氣缸及曲軸箱振動(dòng)、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(cè)量。

根據(jù)往復(fù)壓縮機(jī)常見(jiàn)故障類型分析，其運(yùn)動(dòng)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(lái)選取測(cè)點(diǎn)，方能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)，其曲軸旋轉(zhuǎn)一周為一個(gè)運(yùn)行周期，故在機(jī)組飛輪上安裝金屬塊提供脈沖信號(hào)，作為鍵相傳感器輸入信號(hào)為測(cè)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(jí)：IP67。

曲軸箱振動(dòng)用來(lái)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)和殼體振動(dòng)，對(duì)于不平衡類故障有明顯表征，所以使用速度傳感器測(cè)量[4]。往復(fù)式壓縮機(jī)在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)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(shí)，氣缸會(huì)產(chǎn)生不平衡力。此時(shí)安裝在曲軸箱箱體對(duì)角線上的速度傳感器能夠完好地監(jiān)測(cè)到這種不平衡力。考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)測(cè)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(jí)：IP67，防爆等級(jí)：Ex iaIICT4。

十字頭沖擊信號(hào)振幅小、振速高，為高頻振動(dòng)，所以使用加速度傳感器測(cè)量。傳感器安裝于十字頭上，對(duì)于十字頭間隙過(guò)大，十字頭螺母或螺栓松動(dòng)，液體吸入氣缸，活塞銷圈間隙過(guò)大等故障特征明顯[5]。主要用于監(jiān)測(cè)拉缸、水擊、連接松動(dòng)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(jí)：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(cè)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(dòng)歷史波形圖和十字頭沖擊歷史趨勢(shì)圖能夠?yàn)槭诸^松動(dòng)狀態(tài)和氣缸的滑動(dòng)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(duì)氣閥溫度進(jìn)行測(cè)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(duì)氣閥溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為氣閥故障診斷提供重要依據(jù)。傳感器要求——測(cè)溫元件：PT100，溫度范圍：-40℃～85℃，防爆等級(jí)：Ex iaIICT4，防護(hù)等級(jí)：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(shí)間較長(zhǎng)，故障破壞力弱，現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)、機(jī)身振動(dòng)以及活塞桿沉降趨勢(shì)、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(wú)重大故障風(fēng)險(xiǎn)，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(dòng)。

故障特征：故障發(fā)生突然、時(shí)間短、破壞力大，對(duì)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(dòng)，結(jié)合活塞桿位移相對(duì)變化量以及曲軸箱振動(dòng)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(xiǎn)，需要及時(shí)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(gè)相位附近缸體振動(dòng)劇烈沖擊。缸體沖擊伴隨曲軸箱振動(dòng)急速上漲，同時(shí)活塞桿沉降在0°或180°兩個(gè)相位出現(xiàn)波動(dòng)。

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(guò)量程上限甚至造成活塞桿探頭損壞；在0°或180°兩個(gè)相位附近缸體振動(dòng)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(shí)出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)，活塞桿斷裂時(shí)，缸體振動(dòng)、曲軸箱振動(dòng)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(shí)出現(xiàn)異常波動(dòng)，相對(duì)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(dòng)和氣缸振動(dòng)信號(hào)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(shí)在吸氣閥和排氣閥開(kāi)啟的相位，缸體振動(dòng)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(guò)程中相對(duì)變化量逐漸增大，一般超過(guò)0.5mm為低報(bào)值，此時(shí)證明已發(fā)生磨損，當(dāng)超過(guò)0.8mm時(shí)磨損嚴(yán)重[10]；同時(shí)缸體振動(dòng)、機(jī)身振動(dòng)測(cè)量值趨勢(shì)平穩(wěn)，無(wú)較大變化。

7）活塞桿緊固螺栓松動(dòng)故障特征：活塞桿沉降量在螺栓松動(dòng)時(shí)波動(dòng)迅速增大，超過(guò)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(jiǎn)介：該機(jī)組為某國(guó)產(chǎn)六缸立式往復(fù)壓縮機(jī)，測(cè)量的工藝介質(zhì)為氫氣（29℃，3.5Mpa）。某日該機(jī)組四號(hào)缸在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生閥片斷裂故障。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖譜分析：

1）該機(jī)組在一個(gè)月的時(shí)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(hào)缸缸蓋振動(dòng)由39m/s2左右上漲到80m/s2左右，從缸體振動(dòng)監(jiān)測(cè)圖上可看到吸氣閥開(kāi)啟相位的振動(dòng)明顯沖擊增大，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)參數(shù)持續(xù)報(bào)警。

診斷結(jié)論：如圖2所示機(jī)組振動(dòng)檢測(cè)圖可知，吸氣閥及其對(duì)應(yīng)的排氣閥溫度存在升高趨勢(shì)。從振動(dòng)監(jiān)測(cè)圖上分析：①四號(hào)缸吸氣閥、排氣閥溫度均異常升高；②與此同時(shí)缸體振動(dòng)峰值增大，該振動(dòng)值在氣閥開(kāi)啟相位波動(dòng)明顯。以上現(xiàn)象表明，四號(hào)氣缸吸氣閥出現(xiàn)氣閥泄漏故障。因該故障對(duì)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(gè)月停機(jī)檢修，開(kāi)蓋后發(fā)現(xiàn)吸氣閥閥片斷裂。

圖2 機(jī)組四號(hào)缸振動(dòng)監(jiān)測(cè)圖Fig.2 Vibration monitoring diagram of the fourth cylinder of the unit

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

4.2 撞缸故障

故障簡(jiǎn)介：該機(jī)組為某國(guó)產(chǎn)四缸臥式往復(fù)壓縮機(jī)，測(cè)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(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)振動(dòng)值報(bào)警，分析發(fā)現(xiàn)存在撞缸現(xiàn)象。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖譜分析：

1）從機(jī)組振動(dòng)歷史趨勢(shì)圖發(fā)現(xiàn)缸體振動(dòng)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(hào)缸振動(dòng)歷史波形圖和歷史柱狀圖可見(jiàn)活塞運(yùn)動(dòng)到內(nèi)止點(diǎn)190°時(shí)出現(xiàn)劇烈沖擊。

診斷結(jié)論：結(jié)合二號(hào)缸振動(dòng)波形圖以及歷史波形圖和柱狀圖分析，二號(hào)缸振動(dòng)突然增大，活塞運(yùn)動(dòng)到內(nèi)止點(diǎn)時(shí)振動(dòng)波形出現(xiàn)劇烈沖擊，猜測(cè)是活塞桿緊固原件松動(dòng)或缸體內(nèi)進(jìn)入異物導(dǎo)致二號(hào)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(hào)缸，確定十字頭緊固螺母松動(dòng)。這是一起典型的在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)判、避免設(shè)備損傷的案例。

5 結(jié)語(yǔ)

往復(fù)式壓縮機(jī)的在線監(jiān)測(cè)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(hào)特性，選取最具代表性的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。本文從確定傳感器選型及安裝位置開(kāi)始，構(gòu)建了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)局域網(wǎng)充分發(fā)揮檢測(cè)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(guò)運(yùn)用在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)的必要性和充分性。