往復(fù)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(fù)式壓縮機在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，其主要依賴于設(shè)備自身的功能與條件。但是，由于內(nèi)部工作環(huán)境復(fù)雜，受到外部環(huán)境的影響又較多，因此經(jīng)常會出現(xiàn)一些難以避免的故障與問題，嚴重影響設(shè)備正常使用。為進一步探討往復(fù)式壓縮機典型故障與診斷策略，就相關(guān)定義與技術(shù)特征分析如下。

1 往復(fù)式壓縮機故障維修概述

1.1 設(shè)備定義

往復(fù)式壓縮機是一種集合進氣、排氣、吸氣和運氣的設(shè)備，設(shè)備運行過程中通過活塞連桿的往復(fù)運動來實現(xiàn)其具體的功能，這個過程不可避免地會產(chǎn)生噪聲以及持續(xù)的撞擊磨損。根據(jù)調(diào)查研究的結(jié)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(guī)頻譜分析技術(shù)，會出現(xiàn)連續(xù)、密集的寬帶譜線。該類型譜線在故障特征上表現(xiàn)為噪聲影響，難以實施提取與技術(shù)識別，同時振動對于氣體的泄漏敏感度也不高。目前，許多學(xué)者采取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式對設(shè)備進行研究，整體效果不是特別理想。往復(fù)式壓縮機作為一種容積式壓縮機，其能夠根據(jù)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(xiàn)代化生產(chǎn)的實用性要求。在工業(yè)生產(chǎn)中，往復(fù)式壓縮機應(yīng)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(fù)式壓縮機的應(yīng)用類型。

1.2 基本維修特征

結(jié)合現(xiàn)階段往復(fù)式壓縮機故障維修的情況來看，大多數(shù)發(fā)達國家與一部分發(fā)展中國家針對往復(fù)式壓縮機采取的維修方式都是動態(tài)診斷維修。該過程主要采取針對往復(fù)式壓縮機的重要部位實施動態(tài)研究后，借助于專業(yè)的診斷技術(shù)來實施判斷，及時發(fā)現(xiàn)其中存在的設(shè)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(fù)式壓縮機的運行效率，同時也在根本上解決了設(shè)備運行過程中的可靠性和安全性問題，進一步改善了設(shè)備整體性能。動態(tài)診斷技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)合理分工，由于分工十分明確，可以有效降低往復(fù)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(shè)備維修次數(shù)，延長設(shè)備整體使用壽命，最終達到降低往復(fù)式壓縮機維修成本的目的。

但是，往復(fù)式壓縮機動態(tài)診斷技術(shù)的應(yīng)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(shè)備使用效益。因此，特征故障分析診斷是往復(fù)式壓縮機故障處理的前提條件，需要提前予以落實。

2 往復(fù)式壓縮機的典型故障特征與診斷

往復(fù)式壓縮機作為工業(yè)生產(chǎn)中重要的設(shè)備類型，在石油化工領(lǐng)域中具有不可替代的作用，作為核心部件，其使用的穩(wěn)定性同樣涉及生產(chǎn)的效率與效益。往復(fù)式壓縮機主要構(gòu)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(gòu)件的共同協(xié)調(diào)配合才能夠?qū)崿F(xiàn)具體的功能目標。由于機構(gòu)類型多樣，配合復(fù)雜，導(dǎo)致內(nèi)部很容易出現(xiàn)各種難以預(yù)知的問題，比較典型的有連桿大頭瓦磨損、活塞環(huán)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(fù)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(gòu)件有十字頭、活塞桿、活塞等，能夠產(chǎn)生的往復(fù)慣性力可以通過摩擦力來實現(xiàn)。一般來說，往復(fù)式壓縮機使用過程中往復(fù)的運動組件與壓力速度是動態(tài)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(shè)備對往復(fù)式壓縮機的大頭瓦磨損故障進行檢驗。針對往復(fù)式壓縮機活塞中的壓力曲線實施分析與測量，可以對往復(fù)運動的組件進行慣性力的推算。結(jié)合最終計算結(jié)果來看，往復(fù)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(xiàn)磨損，主要表現(xiàn)在往復(fù)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(tài)影響，進而形成新的沖擊變化，間隙也會相應(yīng)增加。測量往復(fù)式壓縮機十字頭低頻振動曲線，對比曲線與測量結(jié)果，就可以實現(xiàn)往復(fù)式壓縮機的連桿間隙分析，判斷是否存在故障。

2.2 活塞環(huán)燒蝕故障

往復(fù)式壓縮機出現(xiàn)活塞環(huán)燒蝕問題，主要是磨損加劇后沒有及時處理，隨后就會出現(xiàn)兩側(cè)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(fù)式壓縮機兩側(cè)形成合力，進而在穿過曲線的位置進行對應(yīng)。根據(jù)這個分析不難判斷，往復(fù)式壓縮機活塞環(huán)實際運行過程中，由于潤滑不充分等原因，導(dǎo)致兩道支撐環(huán)燒蝕嚴重，但此時內(nèi)部活塞環(huán)沒有發(fā)生明顯變化。由此可見，導(dǎo)致往復(fù)式壓縮機活塞環(huán)燒蝕的主要原因是缸頭段以及曲軸部分出現(xiàn)的應(yīng)力集中，實際的壓力轉(zhuǎn)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(tài)條件下，壓力與轉(zhuǎn)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(huán)磨損的主要依據(jù)，同時也是往復(fù)式壓縮機故障原因之一。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗來看，活塞環(huán)燒蝕如果不能及時發(fā)現(xiàn)，會導(dǎo)致嚴重的設(shè)備事故，因此必須要經(jīng)常進行檢查，確保設(shè)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(tài)不穩(wěn)定有關(guān)，需要對往復(fù)式壓縮機八大氣閥進行檢測，得出超聲波波形。根據(jù)波形（圖1）可以判定，上部曲線是往復(fù)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(fù)式壓縮機的排氣閥超聲波波形，上部是吸氣閥的波形。根據(jù)圖1 中的波形數(shù)據(jù)，能夠判斷出排氣、吸氣時間。根據(jù)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(xiàn)波形幅值降低的情況，此時屬于正常表現(xiàn)。如果出現(xiàn)故障問題，那么在壓縮、吸氣以及膨脹過程中就會出現(xiàn)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(xiàn)在波形圖當(dāng)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(shè)備，還包括閥座等固定機構(gòu)。往復(fù)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(xiàn)往復(fù)式壓縮機的往復(fù)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(fù)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(fù)式壓縮機的閥片則會在升程限制設(shè)備上完成停留操作。往復(fù)式壓縮機在彈簧作用下，其內(nèi)部的氣流會受到持續(xù)的推力，此時反作用力會高于內(nèi)部的氣流推力，進而實現(xiàn)向下的關(guān)閉操作。由于往復(fù)式壓縮機使用過程中氣閥會頻繁往復(fù)，過程中必然伴隨壓力、摩擦，因此出現(xiàn)故障的可能性較高。根據(jù)實際操作經(jīng)驗來看，往復(fù)式壓縮機氣閥出現(xiàn)故障，會影響到設(shè)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(chǎn)生負面影響。

可以采取專用檢測儀器對往復(fù)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(xué)檢測，分析平滑曲線呈現(xiàn)出的形狀類型以及曲線實際情況，做好往復(fù)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(jù)計算結(jié)果得到相應(yīng)的理論壓力曲線，作為判斷故障發(fā)生因素的判斷依據(jù)。在判斷氣閥故障時，主要考慮到壓力與超聲波曲線以及轉(zhuǎn)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(jié)合具體信息數(shù)據(jù)，可以對缸頭段的膨脹情況以及實際的壓力情況進行調(diào)整。在設(shè)備滿足往復(fù)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(jié)

往復(fù)式壓縮機在使用過程中不可避免會出現(xiàn)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(chǎn)效率。針對往復(fù)式壓縮機的工作特性，可以通過選擇合適的技術(shù)與產(chǎn)品類型來降低故障概率，同時也為故障診斷工作提供技術(shù)支持，為故障預(yù)知控制提供必要條件。