從往復(fù)壓縮機(jī)常見(jiàn)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(cè)診斷系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器重要運(yùn)動(dòng)部件及熱力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并綜合分析，最后通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了診斷系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)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(lì)源眾多，對(duì)其實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)較困難，雖然人們已對(duì)其開(kāi)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(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，故障診斷需要開(kāi)展多種方法提高診斷的準(zhǔn)確性，同時(shí)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(cè)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(jiàn)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(shí)排氣量不足，排氣壓力、溫度及級(jí)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(shí)異常的響聲、振動(dòng)和過(guò)熱等動(dòng)力故障模式，產(chǎn)生的原

　　因主要是運(yùn)動(dòng)部件配合間隙的變化、結(jié)構(gòu)的裂紋等，用振動(dòng)法診斷較方便。所謂參數(shù)法就是通過(guò)測(cè)定機(jī)器的各項(xiàng)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(cè)發(fā)展趨勢(shì)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(dòng)法就是根據(jù)機(jī)器運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲在機(jī)器內(nèi)部零部件或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷時(shí)，機(jī)器的動(dòng)力學(xué)性能就會(huì)發(fā)生改變，產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲信號(hào)可以反映機(jī)器內(nèi)部狀態(tài)變化，通過(guò)測(cè)量振動(dòng)、噪聲信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)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(shì)。

　　參數(shù)法和振動(dòng)法應(yīng)用到同一對(duì)象時(shí)，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(dòng)方式較為復(fù)雜的機(jī)械，如果單獨(dú)采用一種振動(dòng)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(guò)程，而且對(duì)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(dòng)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(dòng)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(lái)確診故障。這就需要借助較完善的故障診斷裝置對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)的性能參數(shù)和振動(dòng)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(dòng)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)不如旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)那么成熟，這是因?yàn)橥鶑?fù)機(jī)械在工作過(guò)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(lì)源多的特點(diǎn)導(dǎo)致機(jī)器的性能參數(shù)與振動(dòng)也各具特點(diǎn)，即使是相同的設(shè)備，由于安裝條件、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和負(fù)荷變化等條件的不同，采用絕對(duì)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(duì)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在具備條件時(shí)，結(jié)合類比判定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同規(guī)格型號(hào)、同運(yùn)行狀況的若干設(shè)備進(jìn)行對(duì)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(cè)系統(tǒng)

　　故障診斷參數(shù)法和振動(dòng)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(cè)系統(tǒng)把診斷方法與診斷標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，對(duì)實(shí)時(shí)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(cè)系統(tǒng)是針對(duì)大型往復(fù)式壓縮機(jī)開(kāi)發(fā)的集振動(dòng)、溫度、壓力、撞擊監(jiān)測(cè)和診斷于一體，將機(jī)器監(jiān)測(cè)、診斷、報(bào)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(cè)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(cè)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(lái)監(jiān)測(cè)氣閥溫度。壓力傳感器與氣缸進(jìn)排氣空間相通，用來(lái)監(jiān)測(cè)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(lái)監(jiān)測(cè)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(lái)監(jiān)測(cè)氣缸振動(dòng)，速度傳感器置于曲軸箱箱體對(duì)角線上，用來(lái)監(jiān)測(cè)曲軸箱箱體振動(dòng)，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(guò)監(jiān)測(cè)金屬塊來(lái)監(jiān)測(cè)曲軸轉(zhuǎn)速并提供采集信號(hào)觸發(fā)，為所有監(jiān)測(cè)測(cè)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(dòng)傳感器

　　2. 功能模塊

　　BH5000R客戶端軟件共有13個(gè)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(gè)常規(guī)圖譜可滿足設(shè)備日常巡檢的目的�；钊麠U沉降/偏擺、活塞桿軌跡、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、多參數(shù)分析、示功圖、綜合監(jiān)測(cè)、其他參數(shù)實(shí)時(shí)趨勢(shì)、其他參數(shù)歷史趨勢(shì)及活塞桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)9個(gè)圖譜用于設(shè)備的高級(jí)診斷。往復(fù)報(bào)警查詢、診斷報(bào)告、機(jī)組月報(bào)及廠級(jí)報(bào)警4個(gè)界面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的查詢和匯報(bào)。

　　“機(jī)組概貌圖”根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組直觀顯示機(jī)組結(jié)構(gòu)及實(shí)時(shí)測(cè)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(dòng)等的實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)。“歷史比較圖”監(jiān)測(cè)活塞桿沉降/偏擺、缸體振動(dòng)、曲軸箱振動(dòng)的趨勢(shì)。“單值棒圖”可以清晰地監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)值相對(duì)于“報(bào)警線”和 “危險(xiǎn)線”的情況。“活塞桿沉降/偏擺監(jiān)測(cè)”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(gè)方向的運(yùn)行狀態(tài)。“振動(dòng)監(jiān)測(cè)界面”對(duì)缸體/氣缸缸頭、曲軸箱、電動(dòng)機(jī)主軸、十字頭和主軸軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。“多參數(shù)分析”是對(duì)比振動(dòng)與沉降/偏擺波形，用于對(duì)比分析。“示功圖”監(jiān)測(cè)氣缸內(nèi)工作狀況，通過(guò)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(gè)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(cè)界面可以實(shí)現(xiàn)所有氣缸號(hào)測(cè)點(diǎn)的特征值圖譜同時(shí)顯示，用于對(duì)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(shí)趨勢(shì)圖”用來(lái)繪制“溫度”、“撞擊次數(shù)”、“壓力”和“流量”的實(shí)時(shí)趨勢(shì)。“其他參數(shù)歷史趨勢(shì)圖”用來(lái)繪制“溫度”、“撞擊次數(shù)”、“壓力”和“流量”的歷史趨勢(shì)。“活塞桿應(yīng)力分析”能夠監(jiān)測(cè)活塞桿受力情況。綜合應(yīng)用這13個(gè)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(jiàn)下表。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)根據(jù)API618和機(jī)組實(shí)際情況建立絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)組概貌圖和單值棒圖中設(shè)報(bào)警值和危險(xiǎn)值，監(jiān)測(cè)氣閥溫度、動(dòng)態(tài)壓力曲軸箱振動(dòng)、缸體振動(dòng)、活塞桿沉降和水平位置相對(duì)于報(bào)警線和危險(xiǎn)線的情況，一旦發(fā)生測(cè)量值超過(guò)設(shè)定值，將自動(dòng)報(bào)警，如機(jī)組概貌圖中的實(shí)時(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)值報(bào)警時(shí)將由正常狀態(tài)下的白色顯示變成黃色報(bào)警或紅色危險(xiǎn)顯示。在歷史比較圖中，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備同一部位的測(cè)量值在不同時(shí)間段的趨勢(shì)進(jìn)行整周期對(duì)比觀察，從而應(yīng)用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)器狀態(tài)進(jìn)行判定，如在監(jiān)測(cè)氣閥溫度趨勢(shì)過(guò)程中，可以自由選擇時(shí)間段內(nèi)溫度的趨勢(shì)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(cè)點(diǎn)值在同一時(shí)間段的趨勢(shì)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(dòng)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(dòng)的故障。

　　另外，對(duì)同規(guī)格型號(hào)同運(yùn)行狀況的若干臺(tái)機(jī)組可以根據(jù)系統(tǒng)直接生成歷史數(shù)據(jù)報(bào)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(tái)C—3402B型機(jī)組是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，為兩級(jí)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(lái)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(cè)診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)四缸所有進(jìn)排氣溫度、活塞桿沉降、缸體振動(dòng)以及曲軸箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，通過(guò)客戶端軟件對(duì)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(cè)、分析診斷設(shè)備是否異常，其氣缸編號(hào)如圖2所示。

圖2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　2009年10月30日以前，該機(jī)組所有測(cè)點(diǎn)值的絕對(duì)值與相對(duì)趨勢(shì)都處于較穩(wěn)定水平。在30日15時(shí)08分時(shí)，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(bào)警。通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)圖模塊把活塞桿沉降圖、缸體振動(dòng)趨勢(shì)和曲軸箱振動(dòng)狀態(tài)圖在同一時(shí)間段進(jìn)行比較(見(jiàn)圖3)，明顯發(fā)現(xiàn)該缸的殼體振動(dòng)峰值從活塞桿沉降異常點(diǎn)開(kāi)始由60m/s2突變到120 m/s2，曲軸箱振動(dòng)水平也突然增加。應(yīng)用歷史比較圖模塊功能，把兩個(gè)周期內(nèi)缸體振動(dòng)異常波形與歷史波形進(jìn)行比較(見(jiàn)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(chǎng)檢修人員對(duì)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(cè)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(kāi)車，穩(wěn)定運(yùn)行后工作恢復(fù)正常。

五、結(jié)語(yǔ)

　　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(jiàn)故障和分析診斷方法，以往復(fù)壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為最終手段，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的正確診斷，證明了狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。