往復式壓縮機常見故障及在線監測系統的應用

李建明，李 軍

（國家能源寧夏煤業集團 煤制油分公司 儀表管理中心，寧夏 寧東 750411）

1 往復式壓縮機常見故障

往復壓縮機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、工藝氣系統、冷卻系統等部位。故障時其特征表現為機組運行時出口氣量不足，出口氣體壓力、溫度以及級間壓力、溫度不正常。機械功能故障，從本質上來看是設備運動部件或結構故障，故障原因主要有運動部件本身故障，運動部件之間的配合間隙變化、運動部件本身的裂紋等[2]。其故障特征為設備運行時振動突變，發熱量異常，現場異響等動力故障模式。

對現場檢維修進行統計分析，構建常見故障類型分布圖。其運動部件故障占比為59.9%包括氣閥故障、支撐環故障、曲軸連桿、活塞環故障等[3]。密封部件故障占比為25.4%，主要是填料、活塞密封環故障。

圖1 往復壓縮機常見故障類型分布圖Fig.1 Distribution of common fault types of reciprocating compressors

2 在線監測系統組成

2.1 監測系統組成

現場傳感器信號經安全柵、數字采集器、交換機通過局域網傳輸至服務器，設備管理員可通過局域網客戶端訪問服務器，對實時數據進行監測及故障診斷。狀態監測廠家專業服務人員可通過遠程訪問進行診斷分析。

2.2 測點及傳感器的選擇

往復機故障點主要分布在曲軸箱、氣缸殼體、軸承溫度、活塞桿、氣缸出入口氣閥等處。所以需要對氣缸及曲軸箱振動、十字頭沖擊、軸承及氣缸溫度以及活塞桿沉降、偏轉進行測量。

根據往復壓縮機常見故障類型分析，其運動部件和密封組件故障占比達到85.3%。所以要根據其故障點來選取測點，方能實現對壓縮機故障判斷和預知。

往復機活塞在運行中進行往復運動，其曲軸旋轉一周為一個運行周期，故在機組飛輪上安裝金屬塊提供脈沖信號，作為鍵相傳感器輸入信號為測點提供故障診斷參考點，鍵相位傳感器固定在設備安裝混凝土或鋼結構基礎上。鍵相探頭參數為供電電壓：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℃，防護等級：IP67。

曲軸箱振動用來監測基礎和殼體振動，對于不平衡類故障有明顯表征，所以使用速度傳感器測量[4]。往復式壓縮機在活塞往復運動過程中，氣缸作用在曲軸上的力在正常情況下可以相互抵消。但是當發生氣閥損壞、刮缸、泄露等情況時，氣缸會產生不平衡力。此時安裝在曲軸箱箱體對角線上的速度傳感器能夠完好地監測到這種不平衡力?？紤]到現場環境對測量的影響，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℃，防護等級：IP67，防爆等級：Ex iaIICT4。

十字頭沖擊信號振幅小、振速高，為高頻振動，所以使用加速度傳感器測量。傳感器安裝于十字頭上，對于十字頭間隙過大，十字頭螺母或螺栓松動，液體吸入氣缸，活塞銷圈間隙過大等故障特征明顯[5]。主要用于監測拉缸、水擊、連接松動等沖擊類故障。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℃，防護等級：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，水平偏轉探頭安裝在填料函尾部側面，可以監測到活塞環磨損程度，活塞桿彎曲程度[6]。在故障診斷中結合機身振動歷史波形圖和十字頭沖擊歷史趨勢圖能夠為十字頭松動狀態和氣缸的滑動區狀況提供診斷依據，為滑道磨損，活塞支撐環、填料函替換提供檢修依據。要求傳感器靈敏度：3.94mv/um，頻響：0Hz～10KHz，量程：0.5mm～4mm。線性標注偏差：小于±0.1mm，溫度：-30℃～120℃。

采用熱電阻對氣閥溫度進行測量，熱電阻溫度傳感器可采用兩種形式進行安裝，即磁吸安裝或導熱膠粘貼。熱電阻固定在各氣閥閥蓋上，對氣閥溫度實時監測，為氣閥故障診斷提供重要依據。傳感器要求——測溫元件：PT100，溫度范圍：-40℃～85℃，防爆等級：Ex iaIICT4，防護等級：IP67。

3 往復壓縮機典型故障特征

往復機故障按照其可嚴重程度分為常規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、支撐環嚴重磨損等。

◆ 常規故障包括：氣閥類故障，支撐環、活塞環磨損故障，填料函磨損故障[7]。

故障特征：故障發生時間較長，故障破壞力弱，現場容忍能力較強。

故障診斷方法：常規故障種類多，涉及的相關參數多，分析方法較復雜，要根據氣閥溫度、氣缸振動、機身振動以及活塞桿沉降趨勢、水平偏轉進行綜合狀態分析，結合機組排氣量進行綜合診斷分析。

故障處理緊迫性：機組暫無重大故障風險，可根據生產狀況合理安排檢修。

◆ 惡性故障包括：拉缸、撞缸、活塞桿斷裂、活塞緊固元件松動。

故障特征：故障發生突然、時間短、破壞力大，對設備造成不可修復性損傷。

故障診斷方法：根據活塞換向點沖擊，即氣缸振動，結合活塞桿位移相對變化量以及曲軸箱振動的變化進行故障診斷分析。

故障處理緊迫性：急，機組存在重大故障風險，需要及時停車。

◆ 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°兩個相位附近缸體振動劇烈沖擊。缸體沖擊伴隨曲軸箱振動急速上漲，同時活塞桿沉降在0°或180°兩個相位出現波動。

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，超過量程上限甚至造成活塞桿探頭損壞；在0°或180°兩個相位附近缸體振動急劇增大。

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出現較大幅度波動，活塞桿斷裂時，缸體振動、曲軸箱振動瞬間增大[8]。

4）拉缸故障特征：活塞桿沉降量和水平方向偏擺量同時出現異常波動，相對變化很大，甚至達到1mm。一旦發生拉缸現象機身振動和氣缸振動信號必然異常增大。

5）氣閥故障，主要是氣閥閥片、彈簧或部件主體在工作中發生變形、斷裂、失效等情況導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，與此同時在吸氣閥和排氣閥開啟的相位，缸體振動沖擊劇烈[9]。

6）支撐環嚴重磨損故障特征：活塞桿沉降量在支撐環逐漸磨損的過程中相對變化量逐漸增大，一般超過0.5mm為低報值，此時證明已發生磨損，當超過0.8mm時磨損嚴重[10]；同時缸體振動、機身振動測量值趨勢平穩，無較大變化。

7）活塞桿緊固螺栓松動故障特征：活塞桿沉降量在螺栓松動時波動迅速增大，超過0.5mm，甚至0.8mm。

4 典型案例分析

4.1 氣閥閥片斷裂故障

故障簡介：該機組為某國產六缸立式往復壓縮機，測量的工藝介質為氫氣（29℃，3.5Mpa）。某日該機組四號缸在運行過程中發生閥片斷裂故障。

狀態監測系統圖譜分析：

1）該機組在一個月的時間里，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）四號缸缸蓋振動由39m/s2左右上漲到80m/s2左右，從缸體振動監測圖上可看到吸氣閥開啟相位的振動明顯沖擊增大，在線監測系統振動參數持續報警。

診斷結論：如圖2所示機組振動檢測圖可知，吸氣閥及其對應的排氣閥溫度存在升高趨勢。從振動監測圖上分析：①四號缸吸氣閥、排氣閥溫度均異常升高；②與此同時缸體振動峰值增大，該振動值在氣閥開啟相位波動明顯。以上現象表明，四號氣缸吸氣閥出現氣閥泄漏故障。因該故障對機組運行影響較低且該廠生產任務較重，在診斷結論發出后第二個月停機檢修，開蓋后發現吸氣閥閥片斷裂。

圖2 機組四號缸振動監測圖Fig.2 Vibration monitoring diagram of the fourth cylinder of the unit

圖3 機組二號缸狀態監測圖Fig.3 Unit 2 cylinder status monitoring diagram

4.2 撞缸故障

故障簡介：該機組為某國產四缸臥式往復壓縮機，測量的工藝介質為一氧化碳、氫氣（35℃，4.6Mpa），某日該機組狀態監測系統監測振動值報警，分析發現存在撞缸現象。

狀態監測系統圖譜分析：

1）從機組振動歷史趨勢圖發現缸體振動在正常運行期間由40m/s2左右迅速增大至110m/s2，漲幅達到70m/s2。兩天后進一步增大至190m/s2以上。

2）從二號缸振動歷史波形圖和歷史柱狀圖可見活塞運動到內止點190°時出現劇烈沖擊。

診斷結論：結合二號缸振動波形圖以及歷史波形圖和柱狀圖分析，二號缸振動突然增大，活塞運動到內止點時振動波形出現劇烈沖擊，猜測是活塞桿緊固原件松動或缸體內進入異物導致二號缸出現撞缸故障。

該廠迅速組織設備停機并拆檢二號缸，確定十字頭緊固螺母松動。這是一起典型的在線監測診斷系統報警，實現故障預判、避免設備損傷的案例。

5 結語

往復式壓縮機的在線監測系統的構建應該遵循其故障特征，傳感器的選擇要結合故障特性及信號特性，選取最具代表性的參數進行測量。本文從確定傳感器選型及安裝位置開始，構建了監測系統網絡，通過局域網充分發揮檢測系統的作用。參考常規故障特征及故障案例，參考實際案例，通過運用在線狀態監測系統，實現了故障診斷和預判，證明了搭建在線狀態監測系統的必要性和充分性。