往復(fù)壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)綜述

張春生

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300452）

往復(fù)壓縮機(jī)是石油、化工等流程工業(yè)中廣泛應(yīng)用的一類通用機(jī)械，具有適用壓力范圍廣、壓縮效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。近年來(lái)，由于往復(fù)壓縮機(jī)組經(jīng)常發(fā)生活塞桿斷裂甚至機(jī)組爆炸等嚴(yán)重事故，其安全穩(wěn)定運(yùn)行越來(lái)越受到重視。

1.機(jī)械故障診斷技術(shù)的發(fā)展

機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展大致可分四個(gè)階段。

（1）第一階段是在19世紀(jì)，當(dāng)時(shí)機(jī)器設(shè)備本身技術(shù)水平和復(fù)雜程度都很低，因此采用事后維修方式。

（2）第二階段是進(jìn)入20世紀(jì)后，隨著大生產(chǎn)的發(fā)展，機(jī)器設(shè)備本身的技術(shù)復(fù)雜程度也有所提高，設(shè)備故障或事故對(duì)生產(chǎn)的影響顯著增加，這種情況下，出現(xiàn)了定期預(yù)防維修方式。

（3）第三階段是從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，特別是70年代，設(shè)備診斷技術(shù)隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等發(fā)展，出現(xiàn)了更科學(xué)的設(shè)備狀態(tài)維修方式。

（4）第四階段是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等開(kāi)始發(fā)展，并在實(shí)際工程中應(yīng)用，使設(shè)備維修技術(shù)達(dá)到了智能化高度。雖然這一階段發(fā)展歷史并不長(zhǎng)，但已有研究成果表明，設(shè)備智能故障診斷具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

目前，國(guó)內(nèi)外諸多科研機(jī)構(gòu)、大專院校及企業(yè)都對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷技術(shù)進(jìn)行研究。以GE Bently、Prognost、賀爾碧格為代表的國(guó)外企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了可工業(yè)化應(yīng)用的往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能對(duì)活塞桿載荷、汽缸動(dòng)態(tài)壓力等信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校都對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)故障機(jī)理進(jìn)行了深入研究，并開(kāi)發(fā)了一些在線監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)。值得一提的是，由北京化工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的BH5000R往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性和實(shí)用性完全達(dá)到了工業(yè)化應(yīng)用的要求。

2.往復(fù)壓縮機(jī)常見(jiàn)故障與機(jī)理

目前往復(fù)式壓縮機(jī)的常見(jiàn)易損構(gòu)件包括氣閥、活塞環(huán)、填料函、大小頭瓦、活塞桿等，其中氣閥故障占到60%以上，而活塞桿斷裂則會(huì)引起重大事故。機(jī)組部件常見(jiàn)故障及其機(jī)理如下。

（1）氣閥部件故障包括氣閥泄漏、氣閥卡塞、閥片斷裂等。鑒于往復(fù)壓縮機(jī)間歇性吸排氣的工作特點(diǎn)，氣閥閥片在開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程中與升程限制器及閥座間的撞擊不可避免。以曲軸轉(zhuǎn)速為300r/min的往復(fù)壓縮機(jī)為例，單個(gè)閥片1min內(nèi)受到的沖擊次數(shù)至少為600次。如此高頻率的沖擊，閥片所受的交變應(yīng)力顯著，由此引發(fā)各種氣閥故障，縮短氣閥壽命。

（2）活塞部件故障包括支撐環(huán)斷裂、支撐環(huán)嚴(yán)重磨損、活塞環(huán)泄漏等?；钊考峭鶑?fù)壓縮機(jī)的核心部件，其故障將嚴(yán)重影響機(jī)組的工作效率。支撐環(huán)具有自潤(rùn)滑性能，起支撐活塞的作用，在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)中與缸套相互摩擦受力。活塞環(huán)起密封作用，受徑向氣壓力的作用，活塞環(huán)與缸套也會(huì)存在摩擦。

（3）傳動(dòng)部件故障包括活塞桿斷裂、連桿螺栓斷裂、大小頭瓦磨損、曲軸瓦磨損等故障。傳動(dòng)部件主要包括曲軸、連桿、十字頭，活塞桿等。作為往復(fù)壓縮機(jī)重要組成部分，其中任何一部件發(fā)生故障，整個(gè)機(jī)組都會(huì)受到影響。連桿大小頭分別與曲軸和十字頭相連，通過(guò)連桿將曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為十字頭和活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；活塞桿則與十字頭和活塞相連，直接帶動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)部件中易導(dǎo)致重大故障的是活塞桿。在往復(fù)慣性力和氣壓力作用下，活塞桿不斷受到拉、壓交變力的作用，在螺紋及表面材料不佳處易形成裂紋，嚴(yán)重時(shí)則導(dǎo)致活塞桿斷裂，甚至機(jī)毀人亡。

（4）管道故障包括氣流脈動(dòng)、氣柱共振、管路機(jī)械共振等。引起往復(fù)壓縮機(jī)管道振動(dòng)的原因一般有兩種：一是由于運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力平衡差或基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不當(dāng)；二是氣流的壓力脈動(dòng)引起。生產(chǎn)中遇到的管道振動(dòng)絕大多數(shù)是由氣流脈動(dòng)引起。若管道設(shè)計(jì)不合理，脈動(dòng)頻率與管道結(jié)構(gòu)固有頻率及管道內(nèi)氣柱固有頻率相近時(shí)就會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈共振。

（5）輔助部件故障包括冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、填料函泄漏、氣體過(guò)濾裝置。輔助系統(tǒng)作為往復(fù)壓縮機(jī)重要組成部分，其故障也不可忽視。如冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)故障將會(huì)導(dǎo)致機(jī)組磨損迅速惡化；氣體過(guò)濾裝置故障會(huì)引起大量雜質(zhì)進(jìn)入氣閥、缸體內(nèi)部，迅速縮短氣閥、缸套、支撐環(huán)等壽命。

3.往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)成為可能。目前，我國(guó)的機(jī)械故障診斷技術(shù)正由事后維修向故障預(yù)知維修發(fā)展，對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)必不可少。目前，國(guó)內(nèi)在用的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括以下監(jiān)測(cè)診斷手段。

（1）活塞桿位置監(jiān)測(cè)。以活塞桿沉降與偏擺傳感器監(jiān)測(cè)活塞桿運(yùn)行軌跡，反映活塞桿在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中波動(dòng)的狀態(tài)。一方面，支撐環(huán)的磨損會(huì)引發(fā)沉降量的變化；另一方面，十字頭的工作狀態(tài)也會(huì)影響活塞桿沉降與偏擺信號(hào)；此外，活塞桿緊固螺栓松動(dòng)會(huì)引發(fā)活塞桿跳動(dòng)。

（2）十字頭沖擊振動(dòng)監(jiān)測(cè)。在十字頭上方安裝加速度傳感器，可監(jiān)測(cè)汽缸內(nèi)的沖擊振動(dòng)，包括缸套磨損、氣閥損壞、汽缸進(jìn)入異物等引發(fā)的振動(dòng)；也可對(duì)十字頭滑道磨損、大小頭瓦磨損、連桿螺栓松動(dòng)、斷裂等故障進(jìn)行診斷。

（3）氣閥溫度監(jiān)測(cè)。對(duì)氣閥泄漏這樣振動(dòng)信號(hào)不明顯的故障，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)無(wú)法進(jìn)行有效診斷，對(duì)氣閥加裝溫度傳感器，可監(jiān)測(cè)氣閥溫度趨勢(shì)。通過(guò)溫度趨勢(shì)變化，溫度異常氣閥數(shù)量可診斷氣閥泄漏、冷卻系統(tǒng)異常、閥片斷裂等故障。

（4）汽缸動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)。由于對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)加裝動(dòng)態(tài)壓力傳感器要求較高，同時(shí)，壓縮機(jī)本體帶有示功孔的機(jī)組不多，所以現(xiàn)場(chǎng)安裝動(dòng)態(tài)壓力傳感器的機(jī)組很少。但是，作為對(duì)機(jī)組進(jìn)行診斷最有效的方法之一，汽缸動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)的作用不可忽視。對(duì)活塞環(huán)泄漏、汽缸余隙容積過(guò)大、氣閥泄漏等故障，汽缸動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)是最直接和有效的途徑。

（5）曲軸箱振動(dòng)監(jiān)測(cè)。往復(fù)壓縮機(jī)曲軸箱與每個(gè)汽缸都相連，任何汽缸出現(xiàn)異常，故障都會(huì)在曲軸箱上有所體現(xiàn)。同時(shí)，曲軸瓦磨損作為往復(fù)壓縮機(jī)常見(jiàn)故障之一，通過(guò)監(jiān)測(cè)曲軸箱振動(dòng)對(duì)其進(jìn)行診斷也是有效途徑。目前，往復(fù)壓縮機(jī)連鎖保護(hù)均使用曲軸箱振動(dòng)作為信號(hào)源。

4.在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以中海油天津分公司遼東作業(yè)區(qū)的一臺(tái)兩缸臥式往復(fù)壓縮機(jī)組為例，對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用及效果進(jìn)行說(shuō)明。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)型號(hào)為BH5000R往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

該機(jī)組壓縮介質(zhì)為天然氣，額定轉(zhuǎn)速為900r/min，系統(tǒng)安裝后，對(duì)機(jī)組氣閥溫度，缸體沖擊振動(dòng)，活塞桿沉降等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。2011年5月，分析系統(tǒng)上線后機(jī)組運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)汽缸的缸體振動(dòng)峰值相對(duì)較大，且存在一定波動(dòng)。振動(dòng)歷史趨勢(shì)圖見(jiàn)圖1。

分析缸體振動(dòng)波形，發(fā)現(xiàn)1#缸缸體振動(dòng)在曲軸轉(zhuǎn)角30°與220°左右存在較大沖擊；2#缸缸體振動(dòng)在曲軸轉(zhuǎn)角200°與300°左右存在較大沖擊。根據(jù)往復(fù)壓縮機(jī)氣閥開(kāi)啟角度可確定，1#缸、2#缸的缸體振動(dòng)峰值較大的原因是氣閥開(kāi)啟過(guò)程中，受氣流脈動(dòng)影響，閥片與升程限制器、閥座發(fā)生強(qiáng)烈碰撞。具體振動(dòng)波形見(jiàn)圖2、圖3。

在機(jī)組未來(lái)運(yùn)行過(guò)程中，需對(duì)兩缸缸體振動(dòng)變化趨勢(shì)密切關(guān)注，同時(shí)關(guān)注氣閥溫度變化情況，及時(shí)掌握機(jī)組氣閥工作狀態(tài)，合理安排機(jī)組檢修。

5.發(fā)展趨勢(shì)

往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷將朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化及多源信息融合化方向發(fā)展。

在網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)在線診斷方面，應(yīng)重點(diǎn)研制適合往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷的專用新型集成化傳感器和觀測(cè)器，尋找各振動(dòng)信號(hào)間相互交叉影響最小的最佳測(cè)點(diǎn)，利用現(xiàn)代信號(hào)處理方法以及智能理論等實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)診斷。

智能化方向上，隨著專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)診斷成為可能。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)單位正在對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)做深入研究，同時(shí)，充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法的自學(xué)習(xí)能力對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘也是研究的重點(diǎn)。

目前上線的往復(fù)壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加關(guān)注機(jī)組部件的工作狀態(tài)，忽視了機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中的過(guò)程量及過(guò)程參數(shù)。未來(lái)，將吸排氣量、填料溫度、冷卻水溫度、軸承溫度等過(guò)程量引入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并深入研究不同數(shù)據(jù)與故障間的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的多源信息融合，將會(huì)大大提高往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷準(zhǔn)確率，防范重大事故的發(fā)生。

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