往复式压缩机状态监测与故障诊断

2013-07-13高洪英张玉伟黄扶显

设备管理与维修 2013年3期

高洪英张玉伟黄扶显

作者通联：科比技术有限责任公司新疆克拉玛依市金龙镇 6834003

目前国内各领域旋转设备的状态监测与故障诊断技术的应用已较为普及，往复机械的状态监测与故障诊断技术的研究与旋转设备相比起步较晚，国外往复机械诊断技术的研究与开发在20 世纪60年代取得突破性进展，随着科技的发展，到本世纪初，技术理论研究、监测软硬件的开发与应用已基本完善。2011年克拉玛依石化公司购置了往复式压缩机离线监测系统，2012年陆续开展了往复式压缩机离线状态监测工作。

一、往复式压缩机状态监测与故障诊断技术原理

往复式压缩机结构复杂、零部件较多，运动过程中气阀的启、闭，活塞、连杆、十字头往复运动时产生撞击和噪声，并且各缸之间的撞击和噪声相互干扰，如果采用常规频谱分析的手段，频谱图上将呈现连续而密集的宽带谱线，故障特征信息被背景噪声所湮没，难以提取和识别，而且振动对气体泄漏也不敏感。

往复机械与旋转设备故障诊断不同的是，不再局限于振动分析作为唯一的测试手段，不再以振幅的高低作为判断故障的依据，而是以信号波形在正常位置出现缺失、移位、异常信号作为判断故障的依据。通过监测相对于曲轴转角的每一个作功周期气缸的压力曲线，结合阀罩的振动、超声波波形以及温度数据，使压缩机的膨胀、吸气、压缩、排气事件与气阀的启闭事件对应起来，综合分析判断事件具体性质，得到有价值的信息。

1.监测仪器组成

监测仪器是美国windrock 公司生产的精密分析仪RT9260，由TECIP-TRAP9260 监测硬件和RTwin9.3 分析软件两部分组成。TECIP-TRAP9260 主要由数据采集仪、压力传感器、超声波传感器、振动和加速度传感器、温度传感器、相位探头、相位连接线、无线键相发射器等组成。采集仪后面的通道可以连接压力、振动、超声、温度传感器进行数据采集和传输。

2.键相信号选取

键相信号的选取是往复式压缩机监测工作开始的第一步，由于各缸之间的角度差是固定的，选取离驱动端最近的缸为1号缸，作为相位参考基准，盘车找到1号缸的上止点位置，这时在飞轮上钻一直径8mm、深6mm的孔，在机架上安装一电涡流传感器，使其对准钻孔，当飞轮旋转至孔经过电涡流传感器时，在传感器内感应出交变电流，经前置器送至数据采集器作为每一个作功循环的起始位置，开始整周期采集数据，传感器离飞轮的距离保持在3～5mm。

3.测点布置

（1）压力传感器。大型进口压缩机及近几年生产的国产压缩机，在每个气缸两端对应余隙的位置处均设有通向缸内的通孔，出厂时此孔安装有堵丝，测试压力时把堵丝更换成专用的测压阀，把压力传感器连接到测压阀上，传感器调零后以键相信号作为参考基准，采集多个作功周期的压力曲线。测试完毕，再关闭测压阀，取下传感器，依次测量每个气缸。

（2）振动和超声波传感器。把一个加速度传感器和一个超声波传感器同时放在气阀阀罩上，以键相信号作为参考基准，测量多个周期的高频振动信号和超声波信号，依次测量每个气阀。每次测量的测点位置相对固定，用不同颜色的油漆把振动、超声传感器放置的位置进行标识。

（3）温度传感器。依次用红外测温仪测量每个阀罩的温度，传至数据采集器并进行存储。

二、常见的故障与判断方法

往复式压缩机常见的故障有气阀失效和泄漏，活塞环失效，连杆轴瓦磨损等，对于这些故障的判断可以利用压力—容积（p—V）图进行分析，也可以利用振动、超声进行分析。克石化公司内大部分压缩机没有安装示功阀的接口，无法进行压力测试。下面主要介绍利用振动、超声进行分析判断的方法。

1.气阀泄漏故障

气阀发生泄漏，由于这种振动是由漏气而不是机械运动引起的，它将表现为一种高频振动，对气阀的测量参数选取超声波（频率范围36～40kHz）和高频振动信号（5.6～40kHz），高频信号频率高，波长短，方向性好，衰减大，因此抗干扰性强，超声波对气阀的泄漏较敏感，高频振动信号对气阀的撞击信号敏感。

正常的气阀在压力—转角曲线上气阀的开启和关闭的位置，超声和振动波形上均有清晰的波峰与之对应。

气阀在开启时不泄漏，这是因为气体能自由地流过气阀。气阀泄漏发生在其关闭至再开启期间。最严重的泄漏发生在其承受最大压差的时候。在排气过程中，吸气阀泄漏最严重，在进气过程中，排气阀泄漏最严重。遵循这个原则，可对气阀的泄漏故障进行判断。

2.活塞环泄漏

活塞环泄漏时的振动和超声波形图与气阀泄漏不同，在波形图上基线变宽的区域是间歇的，当活塞环两侧压力相等时，活塞环不泄漏，当活塞环两侧压差最大时，活塞环泄漏最严重。

3.连杆轴瓦磨损故障

对于双作用压缩机，活塞杆受力由作用在活塞两侧的气体压力差，活塞、活塞杆、十字头、连杆产生的往复惯性力，活塞环与气缸、十字头与滑轨产生的摩擦力组成。在压缩机的整个作功循环过程中，活塞杆受到的拉力和压缩力是交替的，活塞杆这种从受压到受拉的短暂反向过程，可使十字头销两边获得润滑。

当压缩机及介质的参数均输入完整时，软件会计算出活塞杆受力曲线和受力反向角（图1），以零线为界，活塞杆受力曲线表现为零线以下受拉，零线以上受压，受力反向两次。

当十字头销与衬套、曲轴销与连杆大头瓦间隙过大时，在活塞杆受力反向时就会产生冲击，间隙大则冲击的幅值也大。通过在压缩机中体下方测量十字头的低频和高频振动曲线，再与活塞杆受力曲线比较，即可判断连杆大、小头间隙是否正常。这种振动与气阀的振动不同，它们之间的差别在于曲轴转角不同。

4.气阀松动

图1 缸活塞杆受力曲线

图2 某压缩机气缸气阀振动波形

图3 某压缩机1号缸轴侧吸排气阀振动、超声波波形

在压缩机每个气阀上采集超声波信号和高频振动信号，超声波信号对气阀的漏气很敏感，而振动信号能有效判断气阀出现的冲击。图2 是某压缩机气缸曲轴端4个气阀的高频振动信号叠加在压力曲线上。1CS1 即1#缸曲轴端北侧吸气阀在20°～40°的曲轴转角范围内出现了较大的冲击尖峰，该位置并非气阀开启位置，也不是其他气阀串扰所致。当曲轴侧缸内压力开始上升约20°后出现的冲击，表明气阀可能存在松动。开始压缩时，气体压力较低，不足以托起气阀，故起始位置无冲击，当压力升至能托起气阀时，气阀冲向阀罩产生冲击信号。

检查发现，气阀密封垫圈脱落，气阀便在阀室内反复撞击。

图4 设备构成俯视图

5.在无压力曲线情况下判别气阀的开启与关闭时刻的方法

气阀的振动、超声波波形结合缸内的压力曲线很容易判断出气阀的开启、关闭时刻，然而有的国产压缩机没有测压力的开孔，无法测取缸内的p—V 曲线。气阀的开启、关闭时刻虽然不直观，但也可以根据压缩机的工作过程判断出气阀开启关闭的时刻。以双作用压缩机为例（图3），轴侧及盖侧的气阀开启、关闭共8个事件，由事件发生的前、后顺序进行判断，从曲轴转角为0°开始依次顺序为轴侧吸气阀关闭——盖侧吸气阀开——轴侧排气阀开——轴侧排气阀关——盖侧吸气阀关——轴侧吸气阀开——盖侧排气阀开——盖侧排气阀关。

图5 异构循环氢压缩缸盖侧气阀振动、超声波形

图6 异构循环氢压缩缸轴侧气阀振动、超声波形

三、气阀失效、气阀泄漏分析与诊断实例

克石化公司II 套高压加氢裂化/异构循环氢压缩机K-2102/2201B为意大利新比隆公司生产，型号2HE/1-1，功率690kW，转速329r/min，两缸双作用对称平衡型。设备构成见图4，每月定期进行一次振动、超声状态监测。

2012年10月31日对压缩机K-2102/2201B 进行振动、超声波监测时发现（ULT为超声信号，VT1为高频振动信号），异构循环氢压缩机盖侧及轴侧的气阀振动、超声波形图中（图5、图6），在曲轴转角180°之前的波形基线明显变宽，此波形为故障波形。

由于此压缩机没有压力测试孔，无法测取气缸内的p—V曲线，利用气阀泄漏故障判断方法，判断基线变宽的时间段为气阀关闭至再次开启的时间段；利用气阀开启、关闭判断方法，判断在这个曲轴转角处再开启的气阀有轴侧吸气阀和盖侧的排气阀，图中有的曲线在曲轴转角为0°时变宽，有的在＞0°时变宽，由此可初步判断，轴侧的吸气阀和盖侧排气阀都有泄漏的可能，建议对以上两气阀进行拆检。