状态监测技术在螺杆压缩机故障诊断中的应用

郭晓宁

（大庆石化公司物资供应中心，黑龙江大庆163714）

状态监测技术在螺杆压缩机故障诊断中的应用

郭晓宁

（大庆石化公司物资供应中心，黑龙江大庆163714）

通过对螺杆压缩机进行状态监测，分析故障和监测系统频谱图之间的内在联系，从而寻找和发现故障产生的原因，以达到预防恶性事故发生的目的，保证运行设备的安全和稳定，有效地避免设备因意外故障造成的停车。

螺杆压缩机；故障诊断；频谱图

0 引言

大庆石化公司化工三厂年产9万吨的苯乙烯，车间所用的尾气压缩机是由A-C制造的螺杆压缩机，转速为3 948 r/min。依据以排放气分子量16.09的基础上，其入口压力为27.5 kPa绝压时，该螺杆压缩机的最大吸入量为14 889 m3/h（实际），而排出压力为207 kPa（绝压）。在阴、阳转子上，排出侧和吸入侧的轴承及压缩腔之间各有一套密封，为了隔离阻塞气体密封采用两级缓冲气，外密封采用氮气冲洗，内密封采用中压蒸汽冲洗。

苯乙烯单元的尾气压缩机系统是由压缩、冷却、排放旁路等复杂的工艺系统以及配套的控制操作系统和开停车联锁安全装置组成。由于该压缩机机组是苯乙烯单元的关键设备机组，因此该机组的安全平稳运行直接关系到整个车间苯乙烯单元的平稳运行。

1 设备主要测振点及主要技术参数

压缩机组设备简图如图1。

图1 压缩机组设备简图

1）机组主要测振点。

测点1：蒸汽透平机左侧径向测振点；测点2：蒸汽透平机右侧径向测振点；测点3：变速箱变速齿轮主动轴左侧径向测振点；测点4：变速箱变速齿轮主动轴右侧径向测振点；测点5：变速箱变速齿轮从动轴左侧径向测振点；测点6：变速箱变速齿轮从动轴右侧径向测振点；测点7：压缩机主体主动轴左侧径向测振点；测点8：压缩机主体从动轴右侧径向测振点。

2）螺杆压缩机的主要技术参数。

介质：氢气、乙烯、苯乙烯、甲苯、甲烷、乙苯、一氧化碳、二氧化碳、苯、水、空气；排放气出口温度/入口温度：149℃/ 38℃；排放气出口压力/入口压力：207.0 kPa/27.5 kPa；转子长度：30in；转子直径：20in；驱动轴所需功率：624 kW；设计速度：3 948 r/min；跳车速度:6 599 r/min；流速：Q=2 711 N·m3/h。

2 随机信号的诊断方法

通过信号的性质和类型可知，确定信号性质的有效途径是分析信号的频率结构，它要研究组成信号的成分是哪些频率，而针对每一种频率，研究它们的幅值在单位频率上的密度、幅值大小、幅值的功率或能量在单位频率的相位以及其密度的变化情况。通常这个分析过程为频率域分析或频谱分析。其横坐标常为频率，而纵坐标以幅值谱密度或振幅值、功率密度、相位、能量谱密度为构成图形，称之为频谱图。工程上有如下几种常见的频谱分析：相位频谱和离散的幅值频谱、连续的功率谱密度分析和相位谱密度以及连续的幅值谱密度。通常而言，可以从时域和频域这两个角度对随机信号进行分析。

1）时域分析方法。时域分析的最主要特点是产生信号的时间顺序，即信号数据产生的先后顺序。通常工程信号的形式都是时间波形。时间波形的特点主要是易于理解、直观等，由于产生的信号是最原始的，因此包含大量的信息。但缺点是所包含的信息与发生故障之间的内在联系不太容易看出。对于某些故障产生的信号，可能其波形具有比较明显的特征，这时我们可以通过时间波形做出如不平衡故障、转轴不对中等一些问题初步判断。

2）频域分析方法。通常针对机械发生故障的具体诊断，很难通过时域分析所提供的信息量对故障原因做出诊断结论。一般时域分析只能直观地初步诊断出设备是否有异常或者故障的严重程度等，但故障发生的部位或产生的原因等信息是不能判断的，因此平常只能用作设备故障的初级诊断。而对于从事设备日常管理和维护的工作人员来说，诊断出设备是否发生故障或异常，只是判断设备是否正常运行的开始，更关键的任务是在于寻找并确定哪些零部件发生了故障以及产生故障的具体原因，从而找出原因并有针对性地进行维修。进行信号的频域分析就是解决这类问题的一种常用方法，即通过傅里叶变换把以时间为横坐标的时域信号转换分解为以频率为横坐标的频域信号，即可得出关于原时域信号频率成分的相位信息和幅值。我们通过分析设备故障点的各频率成分，与设备零件运行时的特征频率进行对照，然后找出设备的故障源以便排除故障。频域分析方法已成为现今机械设备故障诊断技术的主要应用方法。

3 如何获取设备机械故障信号

1）分析振幅的方向。在通常情况下，螺杆压缩机产生故障的类型不同，在其振动表现形式上方向性特征很明显，所以只要现场的测点条件允许，在进行设备振动点测量时，都应该测量3个方向，这是由于故障特征在不同的测点方向表现是不同的。

2）分析振动的频率。螺杆压缩机所发生的故障基本都具有各自的特征频率，在现场对产生的振动信号做频率分析是诊断螺杆压缩机故障最有效的方法。

3）分析振幅随设备转速变化的关系。螺杆压缩机有些故障产生的振动幅值与设备转速的变化有着密切的关系，所以在现场进行测量时，要依据现场的实际情况去创造条件，通过适当改变设备的转速来对比测量机器的振幅值的变化，以达到故障诊断的目的。

4 诊断分析

1）设备机组运行情况。螺杆压缩机在2009年9月28日开车过程中，由于设备振动值超标严重，检测公司设备监测诊断中心通过本特利表分别在该螺杆压缩机800 r/min和2 250 r/min两种运行状态下采集了数据。

2）测振点测试分析图。

（1）螺杆压缩机转速在800 r/min时的频谱图（如图2～图4）。

图2 测振点7V频谱图

图3 测振点7V频谱图

（2）螺杆压缩机转速在2 250 r/min时的频谱图（如图5～图7所示）。

图4 测振点8H频谱图

图5 测振点6V频谱图

图6 测振点7V频谱图

图7 测振点7V频谱图

3）检测技术人员诊断意见。通过以上频谱图可以看到，设备振动的一倍频分量比较小，而主要频率为3倍工频。根据设备的现场相关参数和监测数据分析，我们判断该螺杆压缩机振动增大的主要原因可能是以下三方面：（1）压缩机转子的安装间隙配合有问题；（2）压缩机转子质量分布不平衡（转子上可能产生了聚合物使质量重新分布造成的）；（3）压缩机转子中可能有异物落入，对转子造成磨损。

4）检测技术人员维修建议。建议停车打开螺杆压缩机壳体，对壳体内及转子进行仔细检查。

5）最后检查结果。通过设备监测诊断中心人员的诊断，首先对螺杆压缩机壳体内进行了仔细检查，并未发现异物，最后检查了压缩机转子的安装间隙配合，发现阳转子安装的配合过紧，解体并拆除了压缩机转子认真检查，发现阳转子有1.5 mm的损坏。

5 结语

由于螺杆压缩机结构的复杂性和故障发生的多样性，以及在生产装置中所起到的关键作用，对螺杆压缩机的故障诊断一直是机械设备故障诊断过程中的重点和难点。本文针对螺杆压缩机出现的故障进行状态监测和故障诊断分析，旨在寻找监测系统中产生的频谱图和设备故障之间存在的内在联系，以便提早发现故障并预防恶性事故的发生，从而保障关键性设备的完好和装置的平稳运转，有效地消除和避免意外故障的非计划停车。通过实践证明，由于设备状态监测技术的应用，大幅度降低了设备的日常管理费用及维修成本，大大降低了设备突发事故的发生率，从而使压缩机连续工作的能力提高了，对装置的平稳运行起到了很好的保障作用。

［1］ 荀雨静，张德胜.螺杆压缩机振动故障诊断与分析［J］.设备管理与维修，2004（5）：33.

［2］ 潘玉宝.双螺杆压缩机故障诊断机理研究与应用[D].大连：大连理工大学，2005.

［3］ 张健.机械故障诊断技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

［4］ 刘瑞岩.机械状态监测与故障诊断［M］.北京：国防科技大学出版社，1993.

（编辑：启 迪）

TH 45

A

1002－2333（2014）04－0161－03

郭晓宁（1979—），男，工程硕士，工程师，主要研究方向为化工机械。

2014-01-14