往复压缩机故障诊断.doc

往复压缩机故障诊断技术及案例分析
阳煤丰喜集团临猗公司 李博

关键词：往复压缩机、在线监测、故障诊断
往复压缩机是石油、化工生产流程中的重要设备，其运转状况关系到整个生产流程运转状况。但是，由于往复压缩机自身的结构特点和运行工况的复杂性，使得往复压缩机在运行过程中故障率比较高。本文主要研究如何将故障诊断技术实际应用到现场往复压缩机上，解决机组的实际问题，主要包括四个部分：往复压缩机的常见故障模式；往复压缩机在线监测分析诊断系统的组成和建立；往复压缩机故障诊断系统的实际案例；结论和建议。
1、往复压缩机的常见故障模式
往复式压缩机运动形式相对复杂，运行过程中振动冲击较大，易损零件众多，故障原因形式众多。因此，想要做好往复式压缩机故障诊断工作，首先要对往复机械的工作原理、机组结构、故障机理进行深入的分析，进一步提取、掌握往复式压缩机常见的故障特征，才能够真正做到对机组状态的有效监测。
2、往复压缩机组成
往复式压缩机从工作形式上主要可以分为以下几部分：
1）基础部份：主要包括机身、中体等部件；
2）辅助系统：主要包括润滑系统、冷却系统以及调节系统。辅助系统的作用是确保往复式压缩机安全、可靠运转，调同时节系统负荷减少不必要的能源浪费。
3）传动系统：主要包括曲轴、连杆、大头瓦、小头瓦、十字头、活塞杆等。传动部分的主要作用是传递驱动机提供给机组的动力，把电机或燃气发动机的旋转运动经由曲轴连杆机构变为十字头、活塞杆的往复直线运动，进而带动活塞做功，其作用相当于人类的骨架和关节，是整个设置中最重要的机构；
4）工作机构：主要包括气缸、气阀、活塞等。气体经由吸气阀进入气缸被活塞加压变为高压气体后经由排气阀排出。工作机构是整个往复式压缩机当中最易发生故障的机构。

图1 往复式压缩机的组成
3、往复压缩机主要故障模式
往复式压缩机各类故障所占的比例参见图2，具体可以分为运动部件故障、密封组件故障、工艺类故障、仪器类故障及管道类故障，85.3%的往复机故障均属于设备本身故障，往复机组本身故障可以分为运动部件及密封部件故障两大类，其中运动类部件故障占到设备本身故障的68.9%，密封类故障占到设备本身故障的31.1%。

图2 往复式压缩机故障百分比
从故障的模式与机理来分析，往复压缩机概括起来可分为两大类：一类是热力性能故障，一类是机械动力性能故障。热力性能故障一般表现为排气量不足，压力、温度波动异常，产生的原因主要是由于气阀、活塞环、填料函、水冷器、吸气滤清器等部件发生了故障；机械动力性能故障一般表现为机器工作时异常的噪声、振动、过热等，产生的原因主要是由于吸、排气阀损坏、活塞环磨损断裂、活塞杆填料函磨损、活塞杆导向环磨损、活塞杆下沉、裂纹及断裂、连杆十字头磨损、连杆螺栓及十字头螺栓松动断裂、活塞卡住与开裂、曲轴断裂、缸体开裂等。
针对上述故障，主要采取三类方式进行监测，即：振动监测（曲轴箱振动、气缸振动、活塞杆沉降等）、动态压力监测、缓变量监测（温度/压力/撞击）。
4、往复压缩机在线监测分析诊断系统测点布置
针对往复压缩机各主要部件存在的故障，主要有6类监测信号，分别为键相信号、曲轴箱振动、阀门温度 、活塞杆位置（沉降）、气缸动态压力、十字头冲击信号。其中阀门温度采用将热敏电阻直接粘贴在气阀外部的方式，主要用于测量进/排气阀温度，监测气阀故障。活塞杆位置采用电涡流传感器，安装方式可参考API618第3.6.7 节振动与位置检测[3]以及API670第6.1.3 节活塞杆沉降探头安装要求[4]，用于测量活塞杆位置，可以诊断支承环、活塞环、十字头等故障。动态压力采用动态压力传感器，安装在气缸上的示功孔中，根据API618标准第2.6.4.6节，气缸连接件要求预留尺寸为NPT 1/2示功孔，主要通过示功图和活塞杆载荷来测量气缸内部动态压力，监测气阀、活塞环、活塞杆、十字头大小头瓦等故障。冲击信号采用加速度传感器，并经过软件处理得出十字头处的冲击信号和振动信号，来监测拉缸、水击、连接松动等冲击类故障。曲轴箱振动采用加速度传感器，用来测量振动加速度、速度信号，监测基础振动、壳体振动、不平衡类故障。键相信号采用电涡流传感器，一般安装在飞轮处，提供信号采集触发，用于故障诊断参考。
4.1、往复压缩机在线监测分析诊断系统硬件组成
往复压缩机在线监测系统的硬件主要包括：传感器及前置器部分、现场防爆箱、信号电缆部分、安全隔离系统、信号采集及处理系统、数据服务器、远程网络及通讯系统等部分。
现场传感器安装在往复压缩机上，传感器的前置器通过延长电缆延伸安放在现场防爆箱中，将现场传感器模拟信号通过电缆铺设到控制室中，通过安全栅，实现现场防爆区与安全区的信号传输，从安全栅出来的信号接入对应的信号采集系统，实现信号的模数转换，最终将数字信号传入数据服务器，通过服务器上网，通过专用软件就可以远程实时在线监测和故障诊断。
4.2往复压缩机在线监测分析诊断系统软件组成
要想实现往复压缩机分析诊断，需要专业的分析诊断软件提供各种专用的分析手段。以BH5000R往复压缩机故障诊断分析软件为例介绍其主要功能。
软件功能主要包括：机组状态总貌图、趋势图、历史比较图、单值棒图等常用监测分析功能，可以实现对往复压缩机的实时和历史的数值和趋势分析；活塞杆沉降/偏摆监测，帮助分析活塞环，填料函、十字头滑块的磨损情况，同时了解活塞组件的运行状况；振动监测，可以对缸体/气缸缸头、曲轴箱、电机主轴、十字头、主轴轴承进行实时监测；活塞杆轨迹图，通过分析一个周期内活塞杆轴心位置的状态，可以及时准确地了解往复压缩机活塞杆在套缸内部水平、垂直两个方向的运行状态，当运行范围超出预设区域，将对汽缸、活塞杆、十字头及连杆部件产生机械性破坏；活塞杆应力监测，可实时监测活塞杆一个周期内的受力状态，包括惯性力、气体力、综合力，从而有效地反映连杆大小头瓦的状况及润滑情况；多参数分析可判断出曲轴在各个角度下，振动、活塞杆位置、活塞杆综合力和动态压力四种信号的数值关系；示功图可以实现对气缸内压力过程曲线进行横纵向比较，分析气缸、气阀、活塞环、支承环的工作情况。
通过上述监测系统功能，给设备管理人员提供有效分析设备故障手段，实现设备预知维修，降低维修成本，减少设备停机次数，提高生产效率，最大化生产效益。
5、往复压缩机故障诊断案例
通过几个实际的案例，具体介绍往复压缩机故障诊断系统的使用方法及故障诊断的过程，并实际证明往复压缩机故障诊断技术的有效性和实用性。
5.1往复压缩机气阀故障及活塞环磨损故障
中国石油长庆石化炼油厂两台新氢压缩机C3402A/B是由沈阳气体压缩机厂生产制造的4M-BX型四列两段平衡型压缩机组，排气压力：12.9MPa，介质为氢气，两台机组一用一备。该往复压缩机长期存在活塞环磨损、气阀损坏等故障，尤其是活塞环磨损十分严重，每三个月就要定期停机检修一次，更换活塞环，如不及时检修更换，则会造成缸套磨损、甚至拉缸等故障，存在极大的安全隐患，同时经常停机检修，又给生产和设备带来了较大的经济损失。
该机组与2008年底安装了往复压缩机在线监测系统，对活塞杆沉降、气阀温度、十字头冲击、曲轴箱振动等进行综合监测，如图5所示概貌图，并根据设备出厂要求和相关国际标准[5]设立的报警值如下：
Ø 曲轴箱振动报警值设置为5.5mm/s，危险值设置为7.5mm/s；
Ø 吸气阀温度报警值设置为55°C，危险值设置为75°C；
Ø 排气阀温度报警值设置为125°C，危险值设置为135°C；
Ø 活塞杆沉降报警值设置为1mm，危险值设置为1.2mm；
Ø 十字头振动根据机组振动峰值及能量设置报警值。
该机组从2012年11月安装该系统到2013年5月全厂大修共诊断出两起故障，并及时进行了处理，避免了不必要的经济损失和安全事故。
第一次为20012年12月，C3402A机组3缸1号吸气阀温度逐渐升高，从35℃升高到70℃，其它的气阀仍然保持正常的30℃左右。现场人员经过长期观察，断定该气阀肯定有问题，并经过现场复合初步判定为气阀泄露[5]，造成该阀温度偏高，超过了报警值。决定切换备台，进行现场检修，更换气阀后，该处温度又恢复到30℃左右。对拆下来的气阀进行检查后确认，现场拆卸的故障气阀如图6，气阀存在严重的堵塞故障，并有阀片断裂情况，造成气体泄露，引起气阀温度上升。经过本次处理后，避免了该气阀的进一步泄露，由于气体介质为氢气，长期气体泄露必定会对人员和设备造成巨大的危害，更严重还会引起气体爆炸，造成机毁人亡。
第二次为2013年4月，还是C3402A机组，通过监测系统发现该机组1缸的活塞杆沉降量比较大，达到了1.1mm，已经超过了报警值0.1mm。说明该处活塞环已经磨损十分严重，应该立即停车检修。但考虑到5月份就要进行全厂大修，是否能够等到大修时一起停车检修。因此，厂方开始对该机组进行了严密监护，根据活塞杆沉降情况进行决定是否提前对该机组进行停车检修。经过一周的观察，该处活塞杆沉降量又增加到1.3mm，厂方根据这一情况，决定不等全厂大修，提前切换使用备台，提前对该机组进行抢修。检修时发现，该缸的活塞环磨损已经十分严重，支撑环的磨损量已达到2.5mm，经过换算正好与活塞杆的下沉量相对应，如该机组再继续使用很快就会磨损活塞环和缸套，甚至引起拉缸。图7为该机组1号缸支撑环的磨损情况。
因此，通过以上几个例子，实际应用往复压缩机在线监测分析诊断系统，能够真正有效地诊断出往复压缩机出现的各类常见故障，并对设备维修起到了指导作用，实现了往复压缩机的预知维修。
6、结论和建议
针对往复压缩机这类故障多发的设备，通过往复式压缩机在线监测和故障诊断系统进行有效的分析是十分有必要的，能够及时发现故障征兆，指导合理的设备维护检修，力求避免突发性的恶性安全事故，保证生产的正常进行。
同时，往复压缩机故障诊断技术在国内还处于刚刚起步和不断摸索的阶段，还需要不断完善，主要有如下几点：
1）要想真正地通过使用监测诊断系统实现预知维修，还需要使用人员一定时间的摸索和实践，将理论知识与实际设备及工况相结合，才能准确地诊断出设备的复杂故障，目前大多很多只停留在监测方面；
2）需进一步加强往复压缩机专家系统的开发，可以最终实现软件的自动故障诊断，可以避免由于人员素质的差异造成的误判或未发现故障。
3）往复压缩机的监测诊断还需进一步引起企业和专家的重视，对于各类临氢及关键机组有条件的应尽量上监测诊断系统。
随着国家和企业对安全生产和环境保护的重视，通过利用往复压缩机故障诊断技术，将往复压缩机状态监测诊断系统应用于往复式压缩机，不仅可以避免由于突发事故的发生给生产企业带来的经济损失，指导维护维修，提高经济效益；同时可以避免在岗操作人员的人身伤亡及引起爆炸起火，对社会造成不良影响，具有较高的社会效益。因此，往复压缩机这类关键设备应用在线监测诊断系统是未来发展的趋势，往复压缩机故障诊断技术也会不断完善发展成熟。
参考文献
[1] 陈峰，张顶福等. 压缩机活塞失效分析.理化检验一物理分册.2004,40(12):633-635。
[2] 张琳，朱瑞松等. 往复压缩机监测与诊断技术研究现状与展望.化工进展.2004,23(10)：1099－1102。
[3] API618《石油化学和天然气工业的往复式压缩机》.第3.6.7 。
[4] API670《设备保护系统》第6.1.3。
[5] ISO 10816-6-1995.机械振动在非旋转部件上测量和评定机械振动 第6部分:额定功率在100KW以上的往复式机器。
[6]杨国安.机械设备故障诊断实用技术.北京：中国石化出版社，2007，161-162。
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