往復壓縮機的典型故障特征與診斷研究

解英南

（中國石油遼陽石化分公司，遼寧遼陽 111003）

0 引言

往復式壓縮機在工業生產中應用廣泛，其主要依賴于設備自身的功能與條件。但是，由于內部工作環境復雜，受到外部環境的影響又較多，因此經常會出現一些難以避免的故障與問題，嚴重影響設備正常使用。為進一步探討往復式壓縮機典型故障與診斷策略，就相關定義與技術特征分析如下。

1 往復式壓縮機故障維修概述

1.1 設備定義

往復式壓縮機是一種集合進氣、排氣、吸氣和運氣的設備，設備運行過程中通過活塞連桿的往復運動來實現其具體的功能，這個過程不可避免地會產生噪聲以及持續的撞擊磨損。根據調查研究的結果來看，各缸之間存在嚴重的噪聲干擾與撞擊影響，如采取常規頻譜分析技術，會出現連續、密集的寬帶譜線。該類型譜線在故障特征上表現為噪聲影響，難以實施提取與技術識別，同時振動對于氣體的泄漏敏感度也不高。目前，許多學者采取神經網絡的方式對設備進行研究，整體效果不是特別理想。往復式壓縮機作為一種容積式壓縮機，其能夠根據氣體的順序要求進行吸入、排出，同時提升靜壓力水平，滿足現代化生產的實用性要求。在工業生產中，往復式壓縮機應用十分廣泛，包括天然氣壓縮機、化工壓縮機以及活塞式空壓機都是往復式壓縮機的應用類型。

1.2 基本維修特征

結合現階段往復式壓縮機故障維修的情況來看，大多數發達國家與一部分發展中國家針對往復式壓縮機采取的維修方式都是動態診斷維修。該過程主要采取針對往復式壓縮機的重要部位實施動態研究后，借助于專業的診斷技術來實施判斷，及時發現其中存在的設備故障與問題，并采取必要的處理措施。這種處理方式不但可以提升往復式壓縮機的運行效率，同時也在根本上解決了設備運行過程中的可靠性和安全性問題，進一步改善了設備整體性能。動態診斷技術的應用實現合理分工，由于分工十分明確，可以有效降低往復式壓縮機的故障診斷排除時間與故障維修時間，進而降低設備維修次數，延長設備整體使用壽命，最終達到降低往復式壓縮機維修成本的目的。

但是，往復式壓縮機動態診斷技術的應用也不是萬能的，許多情況下都需要采取特征故障分析診斷的方式來進行故障分類診斷，否則會影響診斷效率，以及設備使用效益。因此，特征故障分析診斷是往復式壓縮機故障處理的前提條件，需要提前予以落實。

2 往復式壓縮機的典型故障特征與診斷

往復式壓縮機作為工業生產中重要的設備類型，在石油化工領域中具有不可替代的作用，作為核心部件，其使用的穩定性同樣涉及生產的效率與效益。往復式壓縮機主要構成組件包括有氣閥、十字頭、活塞、曲軸、活塞、機座以及連桿等，多種構件的共同協調配合才能夠實現具體的功能目標。由于機構類型多樣，配合復雜，導致內部很容易出現各種難以預知的問題，比較典型的有連桿大頭瓦磨損、活塞環燒蝕、氣閥松動以及其他類型氣閥故障。

2.1 連桿大頭瓦磨損故障

連桿大頭瓦磨損故障主要需要解決活塞桿受力的問題，通過往復式壓縮機活塞之間氣體的壓力差來進行受力分析。主要受影響的構件有十字頭、活塞桿、活塞等，能夠產生的往復慣性力可以通過摩擦力來實現。一般來說，往復式壓縮機使用過程中往復的運動組件與壓力速度是動態變化的，通過研究這種變化的曲線公式能夠判斷受力情況。同樣選擇專用的儀器設備對往復式壓縮機的大頭瓦磨損故障進行檢驗。針對往復式壓縮機活塞中的壓力曲線實施分析與測量，可以對往復運動的組件進行慣性力的推算。結合最終計算結果來看，往復式壓縮機受力方向主要以某個角度為主，長期使用也是這個角度率先出現磨損，主要表現在往復式壓縮機連桿大頭瓦間隙進一步擴大。此時活塞桿會在受力的一方受到反向狀態影響，進而形成新的沖擊變化，間隙也會相應增加。測量往復式壓縮機十字頭低頻振動曲線，對比曲線與測量結果，就可以實現往復式壓縮機的連桿間隙分析，判斷是否存在故障。

2.2 活塞環燒蝕故障

往復式壓縮機出現活塞環燒蝕問題，主要是磨損加劇后沒有及時處理，隨后就會出現兩側壓力集中在中間的情況。低頻振動信號會進一步強化振幅的影響，在振幅的尖峰位置會逐步與往復式壓縮機兩側形成合力，進而在穿過曲線的位置進行對應。根據這個分析不難判斷，往復式壓縮機活塞環實際運行過程中，由于潤滑不充分等原因，導致兩道支撐環燒蝕嚴重，但此時內部活塞環沒有發生明顯變化。由此可見，導致往復式壓縮機活塞環燒蝕的主要原因是缸頭段以及曲軸部分出現的應力集中，實際的壓力轉角曲線處于吻合的水平。該過程能夠證明壓力處于反向狀態條件下，壓力與轉角曲線提供的壓力處于振動信號展示階段，以此作為活塞環磨損的主要依據，同時也是往復式壓縮機故障原因之一。根據實際生產經驗來看，活塞環燒蝕如果不能及時發現，會導致嚴重的設備事故，因此必須要經常進行檢查，確保設備安全。

2.3 氣閥松動故障

氣閥門松動往往與不同時間的運行狀態不穩定有關，需要對往復式壓縮機八大氣閥進行檢測，得出超聲波波形。根據波形（圖1）可以判定，上部曲線是往復式壓縮機的缸頭端四閥門波形，下部是超聲波波形，同時也是排氣閥的波形，圖1 中顯示的是往復式壓縮機的排氣閥超聲波波形，上部是吸氣閥的波形。根據圖1 中的波形數據，能夠判斷出排氣、吸氣時間。根據圖1 中的波形位置，可以判斷出吸氣以及排氣的時間都會出現波形幅值降低的情況，此時屬于正常表現。如果出現故障問題，那么在壓縮、吸氣以及膨脹過程中就會出現噪聲，噪聲影響越大，則表明故障越嚴重。一般來說，漏氣的影響也會通過噪聲表現在波形圖當中，因此可以借此來判斷漏氣水平。

圖1 氣閥超聲波波形

2.4 氣閥故障

在壓縮機使用過程中，主要部件包括閥片、彈簧以及升程限制設備，還包括閥座等固定機構。往復式壓縮機在使用過程中會頻繁使用氣閥，借助于閥腔體以及氣缸之間的壓力傳遞，實現往復式壓縮機的往復操作，完成吸氣、排氣等具體操作，進而滿足氣流控制的需求。在往復式壓縮機使用過程中，彈簧的反作用力往往會低于氣閥中的氣流推動力，往復式壓縮機的閥片則會在升程限制設備上完成停留操作。往復式壓縮機在彈簧作用下，其內部的氣流會受到持續的推力，此時反作用力會高于內部的氣流推力，進而實現向下的關閉操作。由于往復式壓縮機使用過程中氣閥會頻繁往復，過程中必然伴隨壓力、摩擦，因此出現故障的可能性較高。根據實際操作經驗來看，往復式壓縮機氣閥出現故障，會影響到設備的功率、排氣量等性能指標，同時也會對運行過程中的可靠性產生負面影響。

可以采取專用檢測儀器對往復式壓縮機的運行過程進行綜合檢測，針對其曲軸段、缸頭端部的曲線實施科學檢測，分析平滑曲線呈現出的形狀類型以及曲線實際情況，做好往復式壓縮機的過程分析控制，主要包括溫度、壓力以及氣體組成等多個部分的計算工作。隨后根據計算結果得到相應的理論壓力曲線，作為判斷故障發生因素的判斷依據。在判斷氣閥故障時，主要考慮到壓力與超聲波曲線以及轉角曲線兩種形式，這兩種曲線在繪制過程中需要做好超聲波波形的分析，結合具體信息數據，可以對缸頭段的膨脹情況以及實際的壓力情況進行調整。在設備滿足往復式活塞移動距離控制要求后，才能進一步確保吸氣閥開合的時機，降低故障的不利影響。

3 總結

往復式壓縮機在使用過程中不可避免會出現各種類型故障，針對這些故障采取快速診斷策略，找到故障原因，才能對癥下藥、及時解決故障問題，提升生產效率。針對往復式壓縮機的工作特性，可以通過選擇合適的技術與產品類型來降低故障概率，同時也為故障診斷工作提供技術支持，為故障預知控制提供必要條件。