從往復(fù)壓縮機(jī)常見故障和診斷方法、故障診斷常用標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，基于狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)，對機(jī)器重要運(yùn)動部件及熱力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測并綜合分析，最后通過實(shí)際應(yīng)用驗證了診斷系統(tǒng)對壓縮機(jī)運(yùn)行工況監(jiān)測和故障診斷的有效性和實(shí)用性。

一、前言

　　往復(fù)式壓縮機(jī)組在石化企業(yè)中起著十分重要的作用，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，激勵源眾多，對其實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測診斷技術(shù)較困難，雖然人們已對其開展了不少研究并取得了一些研究成果，但總的水平還不高。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修，使壓縮機(jī)能夠長周期安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，故障診斷需要開展多種方法提高診斷的準(zhǔn)確性，同時完善設(shè)備診斷標(biāo)準(zhǔn)，并且要以設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測為應(yīng)用手段。這樣，往復(fù)壓縮機(jī)的全面診斷才能有更好的效果。

二、往復(fù)壓縮機(jī)的故障診斷

　　1. 常見故障及診斷方法

　　往復(fù)壓縮機(jī)的故障可以分為兩大類：一類是流體性質(zhì)的，屬于機(jī)器熱力性能故障，主要表現(xiàn)為機(jī)器工作時排氣量不足，排氣壓力、溫度及級間壓力、溫度異常，可稱之為熱力故障模式，產(chǎn)生的原因主要是氣閥、活塞環(huán)、填料函、冷卻水路及吸氣濾清器等部位發(fā)生故障，用參數(shù)法進(jìn)行診斷較方便;另一類是機(jī)械性質(zhì)的，屬于機(jī)械功能故障，主要表征為機(jī)器工作時異常的響聲、振動和過熱等動力故障模式，產(chǎn)生的原

　　因主要是運(yùn)動部件配合間隙的變化、結(jié)構(gòu)的裂紋等，用振動法診斷較方便。所謂參數(shù)法就是通過測定機(jī)器的各項性能參數(shù)值，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后同基準(zhǔn)值相比較，得出偏高、偏低等分析結(jié)果，從而診斷機(jī)器在整體性能方面或零部件性能方面存在的故障，并進(jìn)行分析判斷其故障部件，預(yù)測發(fā)展趨勢的技術(shù)。

　　由于選擇的診斷參數(shù)不同，參數(shù)法又可分為熱力參數(shù)法和電力參數(shù)法等。所謂振動法就是根據(jù)機(jī)器運(yùn)行產(chǎn)生的振動和噪聲在機(jī)器內(nèi)部零部件或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷時，機(jī)器的動力學(xué)性能就會發(fā)生改變，產(chǎn)生的振動和噪聲信號可以反映機(jī)器內(nèi)部狀態(tài)變化，通過測量振動、噪聲信號來監(jiān)測機(jī)器狀態(tài)變化，并在此基礎(chǔ)上診斷原因、部位、程度、性質(zhì)和發(fā)展趨勢。

　　參數(shù)法和振動法應(yīng)用到同一對象時，側(cè)重點(diǎn)是不相同的，哪一種方法更有效，則應(yīng)視故障原因，然而往復(fù)壓縮機(jī)是一種結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方式較為復(fù)雜的機(jī)械，如果單獨(dú)采用一種振動法，很難滿足需要，實(shí)際的故障分析診斷是從故障現(xiàn)象到故障原因的過程，而且對某些故障原因所表現(xiàn)的故障征兆，既可以反映在熱力參數(shù)的變化上，又可反映在機(jī)器的動力參數(shù)變化上。即故障現(xiàn)象與故障原因常常是“重疊”的，例如氣閥溫度升高，既可能是氣閥本身的泄漏故障，也可能是活塞環(huán)磨損導(dǎo)致泄漏等原因造成的。因此把參數(shù)法與振動法相結(jié)合分析診斷，不僅能夠更大程度地診斷出故障原因，還可以借助兩種方法的相互使用來確診故障。這就需要借助較完善的故障診斷裝置對往復(fù)壓縮機(jī)的性能參數(shù)和振動同時進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而為診斷人員提供較全面的診斷依據(jù)。

　　2. 故障診斷標(biāo)準(zhǔn)

　　在故障診斷中，標(biāo)準(zhǔn)是判別設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)則和規(guī)范，不管使用什么診斷方法，都需要依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。然而，往復(fù)機(jī)械的振動標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)不如旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動標(biāo)準(zhǔn)那么成熟，這是因為往復(fù)機(jī)械在工作過程中有不平衡力的存在，其大小、頻率隨氣缸數(shù)、氣缸排列方式的不同而不同，激勵源多的特點(diǎn)導(dǎo)致機(jī)器的性能參數(shù)與振動也各具特點(diǎn)，即使是相同的設(shè)備，由于安裝條件、現(xiàn)場環(huán)境和負(fù)荷變化等條件的不同，采用絕對統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)也是不可靠的。因此，根據(jù)目前的常用標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組應(yīng)該從自身出發(fā)，參考絕對標(biāo)準(zhǔn)，逐步積累狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立設(shè)備診斷的相對標(biāo)準(zhǔn)，同時在具備條件時，結(jié)合類比判定標(biāo)準(zhǔn)對同規(guī)格型號、同運(yùn)行狀況的若干設(shè)備進(jìn)行對比判別，并在三種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合應(yīng)用的基礎(chǔ)上尋求機(jī)組狀態(tài)判定的新標(biāo)準(zhǔn)。

三、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

　　故障診斷參數(shù)法和振動法的結(jié)合，故障診斷標(biāo)準(zhǔn)的完善和綜合應(yīng)用，關(guān)鍵是獲取設(shè)備各部件足夠的運(yùn)行狀態(tài)信息。借助于往復(fù)壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)把診斷方法與診斷標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，對實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)運(yùn)用多種方法進(jìn)行分析，是掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)“預(yù)知維修”的重要途徑。BH5000R往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)是針對大型往復(fù)式壓縮機(jī)開發(fā)的集振動、溫度、壓力、撞擊監(jiān)測和診斷于一體，將機(jī)器監(jiān)測、診斷、報警和預(yù)防維修于一體的網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)，目前本系統(tǒng)已在中石油各分公司普遍應(yīng)用。

　　1. 測點(diǎn)布置

　　根據(jù)往復(fù)壓縮機(jī)的主要部件和故障特點(diǎn)，BH5000R往復(fù)壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置如圖1所示。熱電阻溫度傳感器粘貼在各氣缸進(jìn)排氣閥外側(cè)閥蓋上，用來監(jiān)測氣閥溫度。壓力傳感器與氣缸進(jìn)排氣空間相通，用來監(jiān)測氣缸內(nèi)部壓力，位移傳感器安裝在填料函尾部螺栓上，用來監(jiān)測活塞桿沉降和水平位置，加速度傳感器安裝于十字頭滑道正上方外殼體，用來監(jiān)測氣缸振動，速度傳感器置于曲軸箱箱體對角線上，用來監(jiān)測曲軸箱箱體振動，鍵相傳感器安裝之前需要在機(jī)器飛輪上粘貼金屬塊，鍵相傳感器安裝在車間地面上，通過監(jiān)測金屬塊來監(jiān)測曲軸轉(zhuǎn)速并提供采集信號觸發(fā)，為所有監(jiān)測測點(diǎn)提供故障診斷參考。

圖1 往復(fù)式壓縮機(jī)傳感器布置

1.壓力傳感器 2.溫度傳感器 3.活塞桿沉降/活塞桿位置傳感器4.加速度/撞擊傳感器 5.鍵相傳感器 6.曲軸箱振動傳感器

　　2. 功能模塊

　　BH5000R客戶端軟件共有13個圖譜分析界面：機(jī)組概貌、運(yùn)行狀態(tài)、歷史比較及單值棒圖4個常規(guī)圖譜可滿足設(shè)備日常巡檢的目的。活塞桿沉降/偏擺、活塞桿軌跡、振動監(jiān)測、多參數(shù)分析、示功圖、綜合監(jiān)測、其他參數(shù)實(shí)時趨勢、其他參數(shù)歷史趨勢及活塞桿應(yīng)力監(jiān)測9個圖譜用于設(shè)備的高級診斷。往復(fù)報警查詢、診斷報告、機(jī)組月報及廠級報警4個界面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場人員對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的查詢和匯報。

　　“機(jī)組概貌圖”根據(jù)現(xiàn)場機(jī)組直觀顯示機(jī)組結(jié)構(gòu)及實(shí)時測量值等信息。“運(yùn)行狀態(tài)圖”可以顯示活塞桿沉降/偏擺、缸體振動等的實(shí)時和歷史趨勢。“歷史比較圖”監(jiān)測活塞桿沉降/偏擺、缸體振動、曲軸箱振動的趨勢。“單值棒圖”可以清晰地監(jiān)測測點(diǎn)值相對于“報警線”和 “危險線”的情況。“活塞桿沉降/偏擺監(jiān)測”顯示活塞環(huán)、填料函、十字頭滑塊的磨損情況。“活塞桿軌跡圖”顯示活塞桿在缸套內(nèi)部水平、垂直兩個方向的運(yùn)行狀態(tài)。“振動監(jiān)測界面”對缸體/氣缸缸頭、曲軸箱、電動機(jī)主軸、十字頭和主軸軸承進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。“多參數(shù)分析”是對比振動與沉降/偏擺波形，用于對比分析。“示功圖”監(jiān)測氣缸內(nèi)工作狀況，通過比較判斷示功圖的形狀，可掌握膨脹、吸氣、壓縮及排氣往復(fù)式壓縮機(jī)四個工作階段的狀態(tài)，從而掌握氣閥、活塞環(huán)、缸套和填料函等部件的工作情況。綜合監(jiān)測界面可以實(shí)現(xiàn)所有氣缸號測點(diǎn)的特征值圖譜同時顯示，用于對比判斷出往復(fù)壓縮機(jī)所有部件的工況。“其他參數(shù)實(shí)時趨勢圖”用來繪制“溫度”、“撞擊次數(shù)”、“壓力”和“流量”的實(shí)時趨勢。“其他參數(shù)歷史趨勢圖”用來繪制“溫度”、“撞擊次數(shù)”、“壓力”和“流量”的歷史趨勢。“活塞桿應(yīng)力分析”能夠監(jiān)測活塞桿受力情況。綜合應(yīng)用這13個圖譜，能夠診斷出氣閥、活塞組件、曲軸及輔助系統(tǒng)等的故障，見下表。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)診斷故障表

四、診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

　　1. 診斷方法、標(biāo)準(zhǔn)在系統(tǒng)中應(yīng)用

　　BH5000R狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)API618和機(jī)組實(shí)際情況建立絕對標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)組概貌圖和單值棒圖中設(shè)報警值和危險值，監(jiān)測氣閥溫度、動態(tài)壓力曲軸箱振動、缸體振動、活塞桿沉降和水平位置相對于報警線和危險線的情況，一旦發(fā)生測量值超過設(shè)定值，將自動報警，如機(jī)組概貌圖中的實(shí)時測點(diǎn)數(shù)值報警時將由正常狀態(tài)下的白色顯示變成黃色報警或紅色危險顯示。在歷史比較圖中，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備同一部位的測量值在不同時間段的趨勢進(jìn)行整周期對比觀察，從而應(yīng)用相對標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)器狀態(tài)進(jìn)行判定，如在監(jiān)測氣閥溫度趨勢過程中，可以自由選擇時間段內(nèi)溫度的趨勢圖，溫度變化的具體情況一目了然。在運(yùn)行狀態(tài)圖中，可以實(shí)現(xiàn)同一設(shè)備中不同部位的測點(diǎn)值在同一時間段的趨勢圖和整周期的波形圖進(jìn)行查看，方便熱力參數(shù)法和振動法的綜合應(yīng)用，這一功能尤其適用于既反映在熱力參數(shù)又表現(xiàn)在機(jī)器振動的故障。

　　另外，對同規(guī)格型號同運(yùn)行狀況的若干臺機(jī)組可以根據(jù)系統(tǒng)直接生成歷史數(shù)據(jù)報表，采用類比判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)備異常的診斷。

　　2. 診斷案例

　　某平臺C—3402B型機(jī)組是由電動機(jī)驅(qū)動，為兩級四缸雙作用臥式平衡型壓縮機(jī)組，被壓縮介質(zhì)為氫氣，該機(jī)組經(jīng)常由于活塞環(huán)磨損等故障頻繁停車檢修，這給企業(yè)帶來了很大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。該機(jī)組于2009年4月裝上了5000R狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)對四缸所有進(jìn)排氣溫度、活塞桿沉降、缸體振動以及曲軸箱振動信號進(jìn)行綜合監(jiān)測，通過客戶端軟件對機(jī)組進(jìn)行性能分析，以確定設(shè)備運(yùn)行狀況，為合理調(diào)節(jié)參數(shù)提供依據(jù)，監(jiān)測、分析診斷設(shè)備是否異常，其氣缸編號如圖2所示。

圖2 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

　　2009年10月30日以前，該機(jī)組所有測點(diǎn)值的絕對值與相對趨勢都處于較穩(wěn)定水平。在30日15時08分時，4#氣缸內(nèi)活塞桿沉降量發(fā)生突變，沉降量從-300μm突變到了-560μm，BH5000R系統(tǒng)機(jī)組概貌圖與單值棒圖發(fā)生報警。通過系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)圖模塊把活塞桿沉降圖、缸體振動趨勢和曲軸箱振動狀態(tài)圖在同一時間段進(jìn)行比較(見圖3)，明顯發(fā)現(xiàn)該缸的殼體振動峰值從活塞桿沉降異常點(diǎn)開始由60m/s2突變到120 m/s2，曲軸箱振動水平也突然增加。應(yīng)用歷史比較圖模塊功能，把兩個周期內(nèi)缸體振動異常波形與歷史波形進(jìn)行比較(見圖4)，發(fā)現(xiàn)沖擊的峰值從59.61m/s2增加到134.9m/s2。綜上分析，可判斷為4#氣缸支撐環(huán)發(fā)生斷裂。

圖3 運(yùn)行狀態(tài)

圖4 歷史比較

　　2009年11月2日，現(xiàn)場檢修人員對該機(jī)組進(jìn)行了解體檢修，發(fā)現(xiàn)4#氣缸支撐環(huán)已經(jīng)發(fā)生明顯斷裂，與監(jiān)測系統(tǒng)診斷結(jié)果吻合。更換了所有4#氣缸的支撐環(huán)，機(jī)組再次開車，穩(wěn)定運(yùn)行后工作恢復(fù)正常。

五、結(jié)語

　　往復(fù)壓縮機(jī)的故障診斷是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。本文參考診斷常用標(biāo)準(zhǔn)，綜合往復(fù)壓縮機(jī)的常見故障和分析診斷方法，以往復(fù)壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為最終手段，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場機(jī)組的正確診斷，證明了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。