往复式压缩机故障诊断技术分析

2023-02-24杨天山杨静

中国设备工程 2023年1期

杨天山，杨静

（1.克拉玛依安泰炼化工程有限责任公司；2.新疆培训中心，新疆克拉玛依 834000）

在石油和天然气的压力储运过程中，石油化工的安全和稳定是石油化工产品长距离高效运输的关键。然而，往复压缩机的结构相对复杂。同时，往复式压缩机在实际生产运行过程中故障率高，受设备超负荷、机组运行环境差、维护不及时等多种因素影响，不时发生各种大小安全生产事故。往复压缩机的振源不同，机身结构复杂，设备的工作环境复杂(高温、高压、易燃、易腐蚀等)，振动源头多样，难以稳定捕获，这使得故障诊断和维护往复压缩机变得困难。如何运用现代先进的技术对压缩机进行故障诊断，保证其安全可靠，是石油化工大公司长期以来所关心的问题。

1 往复式压缩机故障诊断技术现状分析

往复式压缩机的发展由来已久，其形成过程可以分成四个时期。往复压缩机的历史最早时期可以追溯到19世纪。那时，我国的技术系统尚不完善，技术还处在起步阶段。通常情况下，都采用事后处理的方式进行对压缩机设备的维修和处理。第二个时期是20世纪初期。往复式压缩机的总体尺寸有了很大的改善，而且其机械结构也逐步趋于系统化，所以采用的方式也由事后维修改为定期的预防性维修。第三个时期是20时期60年代。中国在这一阶段已经取得了很大的进步。电脑技术的发展与运用给人类的生活带来了巨大的变化，相关工作人员还可以通过电脑技术对压缩机的运行状况进行实时监测，并针对其运行状况采取相应的预防措施。往复式压缩机的发展到如今已经经过了相当漫长的时期，虽然我们已经对往复式压缩机的故障诊断有了系统研究，但是，从目前的状况来看，往复式压缩机故障诊断技术的发展并不理想，这在很大程度上制约了往复式压缩机的发展与进步。

2 常见故障类型

往复式压缩机的常见故障，根据其成因，可以将其归结为两种类型：一种是由不同的流体造成的，另一种是由机械原因造成的。流体对设备热特性的影响，主要是由于压气机的燃烧能力不足、设备压力降低以及温度的反常。造成这种故障的最直接的原因是气阀、活塞环、加注箱以及空气滤清器。由于液压平台的机械故障而造成的动力不正常，一般是仪器、仪器的异常响声、振动不平衡、温度过高等。原因主要是仪表部件距离长、结构部件之间连接松动、阀组整体故障和部分部件温度过高。

3 往复式活塞压缩机故障诊断研究

3.1 计算机在线监测与诊断系统

本文介绍了一种基于传感器A/D转换器和微机控制技术的压缩机在线监测与诊断系统。经A/D变换、滤波、降噪后，将其传输至计算机进行分析、处理，实现了对误差的可视化，对其进行相应的评价和警示。

3.2 故障的分析

在往复式活塞压缩机中，一般都是通过在线间接诊断来实现故障诊断的。关键机械零件的状态改变，应当由辅助诊断信息间接地进行，其主要内容是：

（1）振动的检测。振动信号包含很多信息。许多机械故障都有异常的震动。此外，振动探测的仪器、设备相对简单，信号处理技术相对成熟，能够在机器工作时完成相应的检测与诊断，从而方便地实现对机器的实时监控。因而，这种方法在机械故障诊断中起着举足轻重的作用。其中有：①Poincare转换：由于难以确定量化特性，Poincare转换的频率分析方法对非线性情形的效果不是很好。结果显示，采用直接对时域信号进行分析，可以得到较好的处理结果，而且在处理过程中损耗较少。Poincare转换法利用往复式压缩机的振动或其他信号，对机械的工作状况进行评价，从而判断机械有无故障。主要是利用令牌空间重建理论对一维信号进行重构，从而产生二维和三维的信号，分析并比较典型误差，进一步确定误差类型。②频谱分析：在对往复式压缩机故障进行故障诊断时，发现其频谱组成十分复杂，难以对各谱线进行有效的识别。对气门振动信号的实测数据进行了分析，发现其存在一定的误差，使其波形的频谱分布出现一定的改变。在功率频谱分析中，这一改变更为显著。通过对信号频谱能量分布的分析，分析了不同频段的频谱特征，并对其进行了分析。但是，很难观测到功率频谱的能量分布。有必要寻找一种客观的指标来描述这一改变的程度。功率频谱的远近就是一个衡量标准。经过对比和分析，得出了散度J的频谱距离与功率频谱的描述非常相似。这是一种非常好的频谱范围，能有效地发现问题。③时间序列模式的参数和谱分析法(AR)：机械设备工作状态的改变往往是时间序列模型中的参量和剩余量的反应。利用时序模型建立了压气机振动信号的动力学模型，建立了基于该模型的AR频谱。AR频谱比傅里叶频谱有很多优势：傅里叶频谱具有窗信号处理能力，易于生成虚假频谱分量；AR频谱分析是以时间序列模型的参数和阶次为基础，不受限于数据长度，能较好地实现对错误信号的实时检测。AR光谱具有谱线平滑、谱峰清晰、分辨率高、直观性好等特点。在许多误差条件下，AR谱可以清晰地反映出来，这与能量频谱的计算结果是完全吻合的。然而，不能识别出问题的种类。④包络分析。该传感器所获取的振动信号属于一种含有大量载波的振幅，比如气门的振荡，是气门的自然吸气和排气系统的谐振频率。这些成分可以通过滤波振幅调制而被去除。通过与常规信号的比较，从而对故障状态进行评价，在轻质阀门弹簧失效的情况下，其工作性能是很好的。

（2）温度监控。往复式压缩机的很多零件都会受到很大的冲击和摩擦力，而温度是一个敏感的因子，它能反应出零件状态的改变。它在监控横向滑块、活塞和其他部件的润滑、磨损和协调方面尤其有用，还能反映出制冷和气门部件的工作状况。

（3）铁谱分析。铁谱分析是监测压缩机中移动蒸汽磨损状态的理想辅助手段，例如，国外的CSI机器油液污染监测技术。但是，当同一材料的多对摩擦存在磨损缺陷时，铁谱分析无法准确区分损伤部位，因此应结合其他方法使用。

（4）人工智能专家系统。该系统是一种以丰富的实际工作经验和专业知识为基础，用于处理复杂、困难的系统故障诊断的智能化计算机系统。一个专家体系的层次主要是由它的知识库来决定的，而更完整、更真实的知识库，则是更高层次的专家系统。

3.3 现存的几个需要处理的问题

（1）故障监控的精确度低。往复式压缩机的在线故障监控数据往往是间接采集的，也就是所谓的“二次数据”，存在着较大的不确定性，容易导致误诊。为此，必须深入探讨识别理论，以强化对典型缺陷的认识，对要辨识的状态选择检测与诊断功能进行清晰地区分。另外，现有的相关研究主要是从定性关系的错误性质出发，对量化的关系还有待探讨。比如，气门故障诊断，阀板裂纹的早期抗力预报，不同类型的裂纹、长度和方向的特性，都需要深入的研究

（2）某些典型故障仍然无法诊断。对于活塞杆、曲轴、连杆等零件的断裂进行预测和诊断，目前还没有一种行之有效的方法。国外文献中提出了采用压力传感器来监测各曲轴的转动情况，但目前尚无实际应用报告，其准确性及可靠性尚需进一步研究。北京理工大学开发了一种新型的金属和非金属裂纹监测系统。但怎样运用于往复式压缩机也还有待探讨。

（3）研制的诊断系统诊断方法单一。现阶段开发的诊断系统的诊断方法相对简单。在当前的诊断系统中，诊断措施通常是单一的，提高诊断水平的关键在于上述诊断方法能否广泛应用于往复式压缩机。

（4）充实专家系统的知识库。扩展专家知识库是一项长期的工作，而基于知识的典型故障特性的研究实验，针对往复式压缩机的试验研究存在着诸多问题，必须加大 CAT的研发力度。

4 常见的往复式压缩机故障诊断技术方法

4.1 小波分析法

小波分析是一种新的方法。小波分析与传统 FFT分析法比较，能更好地反映时频域非平稳信号的局部特征，同时能够较好地捕获信号的时频特性。在往复压缩机故障诊断中，获得的非平稳压缩机振动信号可以通过波形设置分为低频和高频信号，降级信号可以在特定的频率范围内被抑制、滤波甚至指示，此外，采用波包分析和单支重构等技术分析方法提取误差信号，并构造了一组新的误差信号特征矩阵。最后，结合压缩机的设计特点，对非平稳振动信号进行波形变换，处理后的信号数据可以用于检测压缩机故障，为压缩机故障诊断提供可靠的信号数据支持。

4.2 专家系统诊断法

作为一种高效、复杂的压力提升设备，往复式压缩机的机械部件多、结构复杂，缺陷类型与缺陷外观之间的关系复杂。有时，可见缺陷通常是由许多因素造成的，这些因素使得工程师和技术人员难以准确判断压缩机故障。单纯依靠经验进行故障诊断，常常会造成故障诊断率低，故障诊断不完全，而专家系统则是一种新的故障诊断技术。

本系统是一个大型的专门技术数据库，能够对具体领域内的专家进行分析、评价，并为其提供专业技术服务。在专家系统的故障诊断中，建立一个理想的专家系统是非常关键的。要构建一套完善的专家系统，必须从获得大量、可靠的知识、建立起正确、高效的知识表达方法、构建和维护知识库、对推理过程进行理性的了解、对推理的可信度和有效性的判定。

4.3 声发射技术分析法

声发射是在产生平均电容时，声波在不同的频率下发出的。比如，在压缩机的正常工作过程中产生的振动，压缩机材料表面的滑移产生的弹性波，气阀的裂缝，线圈的摩擦力等，都会产生一定的频率的声波。AE技术是指利用专用设备对压缩机运行时所发出的各类声音信号进行收集，并对其进行分析，以判断其失效原因，实现非破坏性检测。该系统由检测点、信号采集与传输、数据分析与处理三部分构成。将声波传感器置于可疑位置，利用信号采集、传输系统采集压缩机工作过程中所产生的各类声音信号，并将其传送给分析与数据处理系统，并将其与压缩后的压缩信号进行比较，从中提取出故障信号的特点，识别出故障的部位及类型。

5 往复式压缩机故障诊断应注意的问题

不同的故障诊断技术有不同的应用优势和不同的应用。应根据当前情况进行公平监管。在未来压缩机的故障诊断中，有许多需要注意的问题。这里有几个要点需要注意：在使用波形分析的过程中，我们需要连接神经网络或专家系统。由于外部因素的影响，信号变化很大。我们主要考虑危险信号的影响，以尽量减少此类信号的影响，避免错误的故障诊断结果；深入研究定量错误诊断率，主要从错误原因入手，预测错误因素，降低错误诊断的总体风险，通过定向处理提高错误解决的有效性；往复压缩机工作方式具有动态变化的趋势，逆向压缩机工作方式具有随机性和不可控制性。据此，可以对压缩机进行合理的优化设计，从而延长压缩机的运行时间。专家系统知识库的内容是有限的，为提高用户压缩机故障的综合诊断能力，必须及时完成专家知识库的建设，并建立健全的信息管理体系，对其进行全面的诊断；很多压缩机的缺点都是隐蔽的，不易察觉的。我们只有在资料模式下才能发现他们。因为利用了这些资料，我们也能找出资料中可能的错误。通过对该模型的观测，可以更好地理解各个节点之间的联系因素，特别是参数的特征比率，进而对可视化模型进行优化和完善，对于提高往复式压缩机的故障诊断工作具有十分重要的意义。