狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在螺桿壓縮機故障診斷中的應(yīng)用

郭曉寧

（大慶石化公司物資供應(yīng)中心，黑龍江大慶163714）

狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在螺桿壓縮機故障診斷中的應(yīng)用

郭曉寧

（大慶石化公司物資供應(yīng)中心，黑龍江大慶163714）

通過對螺桿壓縮機進行狀態(tài)監(jiān)測，分析故障和監(jiān)測系統(tǒng)頻譜圖之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而尋找和發(fā)現(xiàn)故障產(chǎn)生的原因，以達到預(yù)防惡性事故發(fā)生的目的，保證運行設(shè)備的安全和穩(wěn)定，有效地避免設(shè)備因意外故障造成的停車。

螺桿壓縮機；故障診斷；頻譜圖

0 引言

大慶石化公司化工三廠年產(chǎn)9萬噸的苯乙烯，車間所用的尾氣壓縮機是由A-C制造的螺桿壓縮機，轉(zhuǎn)速為3 948 r/min。依據(jù)以排放氣分子量16.09的基礎(chǔ)上，其入口壓力為27.5 kPa絕壓時，該螺桿壓縮機的最大吸入量為14 889 m3/h（實際），而排出壓力為207 kPa（絕壓）。在陰、陽轉(zhuǎn)子上，排出側(cè)和吸入側(cè)的軸承及壓縮腔之間各有一套密封，為了隔離阻塞氣體密封采用兩級緩沖氣，外密封采用氮氣沖洗，內(nèi)密封采用中壓蒸汽沖洗。

苯乙烯單元的尾氣壓縮機系統(tǒng)是由壓縮、冷卻、排放旁路等復(fù)雜的工藝系統(tǒng)以及配套的控制操作系統(tǒng)和開停車聯(lián)鎖安全裝置組成。由于該壓縮機機組是苯乙烯單元的關(guān)鍵設(shè)備機組，因此該機組的安全平穩(wěn)運行直接關(guān)系到整個車間苯乙烯單元的平穩(wěn)運行。

1 設(shè)備主要測振點及主要技術(shù)參數(shù)

壓縮機組設(shè)備簡圖如圖1。

圖1 壓縮機組設(shè)備簡圖

1）機組主要測振點。

測點1：蒸汽透平機左側(cè)徑向測振點；測點2：蒸汽透平機右側(cè)徑向測振點；測點3：變速箱變速齒輪主動軸左側(cè)徑向測振點；測點4：變速箱變速齒輪主動軸右側(cè)徑向測振點；測點5：變速箱變速齒輪從動軸左側(cè)徑向測振點；測點6：變速箱變速齒輪從動軸右側(cè)徑向測振點；測點7：壓縮機主體主動軸左側(cè)徑向測振點；測點8：壓縮機主體從動軸右側(cè)徑向測振點。

2）螺桿壓縮機的主要技術(shù)參數(shù)。

介質(zhì)：氫氣、乙烯、苯乙烯、甲苯、甲烷、乙苯、一氧化碳、二氧化碳、苯、水、空氣；排放氣出口溫度/入口溫度：149℃/ 38℃；排放氣出口壓力/入口壓力：207.0 kPa/27.5 kPa；轉(zhuǎn)子長度：30in；轉(zhuǎn)子直徑：20in；驅(qū)動軸所需功率：624 kW；設(shè)計速度：3 948 r/min；跳車速度:6 599 r/min；流速：Q=2 711 N·m3/h。

2 隨機信號的診斷方法

通過信號的性質(zhì)和類型可知，確定信號性質(zhì)的有效途徑是分析信號的頻率結(jié)構(gòu)，它要研究組成信號的成分是哪些頻率，而針對每一種頻率，研究它們的幅值在單位頻率上的密度、幅值大小、幅值的功率或能量在單位頻率的相位以及其密度的變化情況。通常這個分析過程為頻率域分析或頻譜分析。其橫坐標(biāo)常為頻率，而縱坐標(biāo)以幅值譜密度或振幅值、功率密度、相位、能量譜密度為構(gòu)成圖形，稱之為頻譜圖。工程上有如下幾種常見的頻譜分析：相位頻譜和離散的幅值頻譜、連續(xù)的功率譜密度分析和相位譜密度以及連續(xù)的幅值譜密度。通常而言，可以從時域和頻域這兩個角度對隨機信號進行分析。

1）時域分析方法。時域分析的最主要特點是產(chǎn)生信號的時間順序，即信號數(shù)據(jù)產(chǎn)生的先后順序。通常工程信號的形式都是時間波形。時間波形的特點主要是易于理解、直觀等，由于產(chǎn)生的信號是最原始的，因此包含大量的信息。但缺點是所包含的信息與發(fā)生故障之間的內(nèi)在聯(lián)系不太容易看出。對于某些故障產(chǎn)生的信號，可能其波形具有比較明顯的特征，這時我們可以通過時間波形做出如不平衡故障、轉(zhuǎn)軸不對中等一些問題初步判斷。

2）頻域分析方法。通常針對機械發(fā)生故障的具體診斷，很難通過時域分析所提供的信息量對故障原因做出診斷結(jié)論。一般時域分析只能直觀地初步診斷出設(shè)備是否有異常或者故障的嚴重程度等，但故障發(fā)生的部位或產(chǎn)生的原因等信息是不能判斷的，因此平常只能用作設(shè)備故障的初級診斷。而對于從事設(shè)備日常管理和維護的工作人員來說，診斷出設(shè)備是否發(fā)生故障或異常，只是判斷設(shè)備是否正常運行的開始，更關(guān)鍵的任務(wù)是在于尋找并確定哪些零部件發(fā)生了故障以及產(chǎn)生故障的具體原因，從而找出原因并有針對性地進行維修。進行信號的頻域分析就是解決這類問題的一種常用方法，即通過傅里葉變換把以時間為橫坐標(biāo)的時域信號轉(zhuǎn)換分解為以頻率為橫坐標(biāo)的頻域信號，即可得出關(guān)于原時域信號頻率成分的相位信息和幅值。我們通過分析設(shè)備故障點的各頻率成分，與設(shè)備零件運行時的特征頻率進行對照，然后找出設(shè)備的故障源以便排除故障。頻域分析方法已成為現(xiàn)今機械設(shè)備故障診斷技術(shù)的主要應(yīng)用方法。

3 如何獲取設(shè)備機械故障信號

1）分析振幅的方向。在通常情況下，螺桿壓縮機產(chǎn)生故障的類型不同，在其振動表現(xiàn)形式上方向性特征很明顯，所以只要現(xiàn)場的測點條件允許，在進行設(shè)備振動點測量時，都應(yīng)該測量3個方向，這是由于故障特征在不同的測點方向表現(xiàn)是不同的。

2）分析振動的頻率。螺桿壓縮機所發(fā)生的故障基本都具有各自的特征頻率，在現(xiàn)場對產(chǎn)生的振動信號做頻率分析是診斷螺桿壓縮機故障最有效的方法。

3）分析振幅隨設(shè)備轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。螺桿壓縮機有些故障產(chǎn)生的振動幅值與設(shè)備轉(zhuǎn)速的變化有著密切的關(guān)系，所以在現(xiàn)場進行測量時，要依據(jù)現(xiàn)場的實際情況去創(chuàng)造條件，通過適當(dāng)改變設(shè)備的轉(zhuǎn)速來對比測量機器的振幅值的變化，以達到故障診斷的目的。

4 診斷分析

1）設(shè)備機組運行情況。螺桿壓縮機在2009年9月28日開車過程中，由于設(shè)備振動值超標(biāo)嚴重，檢測公司設(shè)備監(jiān)測診斷中心通過本特利表分別在該螺桿壓縮機800 r/min和2 250 r/min兩種運行狀態(tài)下采集了數(shù)據(jù)。

2）測振點測試分析圖。

（1）螺桿壓縮機轉(zhuǎn)速在800 r/min時的頻譜圖（如圖2～圖4）。

圖2 測振點7V頻譜圖

圖3 測振點7V頻譜圖

（2）螺桿壓縮機轉(zhuǎn)速在2 250 r/min時的頻譜圖（如圖5～圖7所示）。

圖4 測振點8H頻譜圖

圖5 測振點6V頻譜圖

圖6 測振點7V頻譜圖

圖7 測振點7V頻譜圖

3）檢測技術(shù)人員診斷意見。通過以上頻譜圖可以看到，設(shè)備振動的一倍頻分量比較小，而主要頻率為3倍工頻。根據(jù)設(shè)備的現(xiàn)場相關(guān)參數(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，我們判斷該螺桿壓縮機振動增大的主要原因可能是以下三方面：（1）壓縮機轉(zhuǎn)子的安裝間隙配合有問題；（2）壓縮機轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不平衡（轉(zhuǎn)子上可能產(chǎn)生了聚合物使質(zhì)量重新分布造成的）；（3）壓縮機轉(zhuǎn)子中可能有異物落入，對轉(zhuǎn)子造成磨損。

4）檢測技術(shù)人員維修建議。建議停車打開螺桿壓縮機殼體，對殼體內(nèi)及轉(zhuǎn)子進行仔細檢查。

5）最后檢查結(jié)果。通過設(shè)備監(jiān)測診斷中心人員的診斷，首先對螺桿壓縮機殼體內(nèi)進行了仔細檢查，并未發(fā)現(xiàn)異物，最后檢查了壓縮機轉(zhuǎn)子的安裝間隙配合，發(fā)現(xiàn)陽轉(zhuǎn)子安裝的配合過緊，解體并拆除了壓縮機轉(zhuǎn)子認真檢查，發(fā)現(xiàn)陽轉(zhuǎn)子有1.5 mm的損壞。

5 結(jié)語

由于螺桿壓縮機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和故障發(fā)生的多樣性，以及在生產(chǎn)裝置中所起到的關(guān)鍵作用，對螺桿壓縮機的故障診斷一直是機械設(shè)備故障診斷過程中的重點和難點。本文針對螺桿壓縮機出現(xiàn)的故障進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷分析，旨在尋找監(jiān)測系統(tǒng)中產(chǎn)生的頻譜圖和設(shè)備故障之間存在的內(nèi)在聯(lián)系，以便提早發(fā)現(xiàn)故障并預(yù)防惡性事故的發(fā)生，從而保障關(guān)鍵性設(shè)備的完好和裝置的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，有效地消除和避免意外故障的非計劃停車。通過實踐證明，由于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，大幅度降低了設(shè)備的日常管理費用及維修成本，大大降低了設(shè)備突發(fā)事故的發(fā)生率，從而使壓縮機連續(xù)工作的能力提高了，對裝置的平穩(wěn)運行起到了很好的保障作用。

［1］ 荀雨靜，張德勝.螺桿壓縮機振動故障診斷與分析［J］.設(shè)備管理與維修，2004（5）：33.

［2］ 潘玉寶.雙螺桿壓縮機故障診斷機理研究與應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué)，2005.

［3］ 張健.機械故障診斷技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［4］ 劉瑞巖.機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷［M］.北京：國防科技大學(xué)出版社，1993.

（編輯：啟 迪）

TH 45

A

1002－2333（2014）04－0161－03

郭曉寧（1979—），男，工程碩士，工程師，主要研究方向為化工機械。

2014-01-14