高洪英 張玉偉 黃扶顯

作者通聯(lián)：科比技術有限責任公司 新疆克拉瑪依市金龍鎮(zhèn) 6834003

目前國內(nèi)各領域旋轉設備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術的應用已較為普及，往復機械的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術的研究與旋轉設備相比起步較晚，國外往復機械診斷技術的研究與開發(fā)在20 世紀60年代取得突破性進展，隨著科技的發(fā)展，到本世紀初，技術理論研究、監(jiān)測軟硬件的開發(fā)與應用已基本完善。2011年克拉瑪依石化公司購置了往復式壓縮機離線監(jiān)測系統(tǒng)，2012年陸續(xù)開展了往復式壓縮機離線狀態(tài)監(jiān)測工作。

一、往復式壓縮機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術原理

往復式壓縮機結構復雜、零部件較多，運動過程中氣閥的啟、閉，活塞、連桿、十字頭往復運動時產(chǎn)生撞擊和噪聲，并且各缸之間的撞擊和噪聲相互干擾，如果采用常規(guī)頻譜分析的手段，頻譜圖上將呈現(xiàn)連續(xù)而密集的寬帶譜線，故障特征信息被背景噪聲所湮沒，難以提取和識別，而且振動對氣體泄漏也不敏感。

往復機械與旋轉設備故障診斷不同的是，不再局限于振動分析作為唯一的測試手段，不再以振幅的高低作為判斷故障的依據(jù)，而是以信號波形在正常位置出現(xiàn)缺失、移位、異常信號作為判斷故障的依據(jù)。通過監(jiān)測相對于曲軸轉角的每一個作功周期氣缸的壓力曲線，結合閥罩的振動、超聲波波形以及溫度數(shù)據(jù)，使壓縮機的膨脹、吸氣、壓縮、排氣事件與氣閥的啟閉事件對應起來，綜合分析判斷事件具體性質(zhì)，得到有價值的信息。

1.監(jiān)測儀器組成

監(jiān)測儀器是美國windrock 公司生產(chǎn)的精密分析儀RT9260，由TECIP-TRAP9260 監(jiān)測硬件和RTwin9.3 分析軟件兩部分組成。TECIP-TRAP9260 主要由數(shù)據(jù)采集儀、壓力傳感器、超聲波傳感器、振動和加速度傳感器、溫度傳感器、相位探頭、相位連接線、無線鍵相發(fā)射器等組成。采集儀后面的通道可以連接壓力、振動、超聲、溫度傳感器進行數(shù)據(jù)采集和傳輸。

2.鍵相信號選取

鍵相信號的選取是往復式壓縮機監(jiān)測工作開始的第一步，由于各缸之間的角度差是固定的，選取離驅(qū)動端最近的缸為1號缸，作為相位參考基準，盤車找到1號缸的上止點位置，這時在飛輪上鉆一直徑8mm、深6mm的孔，在機架上安裝一電渦流傳感器，使其對準鉆孔，當飛輪旋轉至孔經(jīng)過電渦流傳感器時，在傳感器內(nèi)感應出交變電流，經(jīng)前置器送至數(shù)據(jù)采集器作為每一個作功循環(huán)的起始位置，開始整周期采集數(shù)據(jù)，傳感器離飛輪的距離保持在3～5mm。

3.測點布置

（1）壓力傳感器。大型進口壓縮機及近幾年生產(chǎn)的國產(chǎn)壓縮機，在每個氣缸兩端對應余隙的位置處均設有通向缸內(nèi)的通孔，出廠時此孔安裝有堵絲，測試壓力時把堵絲更換成專用的測壓閥，把壓力傳感器連接到測壓閥上，傳感器調(diào)零后以鍵相信號作為參考基準，采集多個作功周期的壓力曲線。測試完畢，再關閉測壓閥，取下傳感器，依次測量每個氣缸。

（2）振動和超聲波傳感器。把一個加速度傳感器和一個超聲波傳感器同時放在氣閥閥罩上，以鍵相信號作為參考基準，測量多個周期的高頻振動信號和超聲波信號，依次測量每個氣閥。每次測量的測點位置相對固定，用不同顏色的油漆把振動、超聲傳感器放置的位置進行標識。

（3）溫度傳感器。依次用紅外測溫儀測量每個閥罩的溫度，傳至數(shù)據(jù)采集器并進行存儲。

二、常見的故障與判斷方法

往復式壓縮機常見的故障有氣閥失效和泄漏，活塞環(huán)失效，連桿軸瓦磨損等，對于這些故障的判斷可以利用壓力—容積（p—V）圖進行分析，也可以利用振動、超聲進行分析?？耸緝?nèi)大部分壓縮機沒有安裝示功閥的接口，無法進行壓力測試。下面主要介紹利用振動、超聲進行分析判斷的方法。

1.氣閥泄漏故障

氣閥發(fā)生泄漏，由于這種振動是由漏氣而不是機械運動引起的，它將表現(xiàn)為一種高頻振動，對氣閥的測量參數(shù)選取超聲波（頻率范圍36～40kHz）和高頻振動信號（5.6～40kHz），高頻信號頻率高，波長短，方向性好，衰減大，因此抗干擾性強，超聲波對氣閥的泄漏較敏感，高頻振動信號對氣閥的撞擊信號敏感。

正常的氣閥在壓力—轉角曲線上氣閥的開啟和關閉的位置，超聲和振動波形上均有清晰的波峰與之對應。

氣閥在開啟時不泄漏，這是因為氣體能自由地流過氣閥。氣閥泄漏發(fā)生在其關閉至再開啟期間。最嚴重的泄漏發(fā)生在其承受最大壓差的時候。在排氣過程中，吸氣閥泄漏最嚴重，在進氣過程中，排氣閥泄漏最嚴重。遵循這個原則，可對氣閥的泄漏故障進行判斷。

2.活塞環(huán)泄漏

活塞環(huán)泄漏時的振動和超聲波形圖與氣閥泄漏不同，在波形圖上基線變寬的區(qū)域是間歇的，當活塞環(huán)兩側壓力相等時，活塞環(huán)不泄漏，當活塞環(huán)兩側壓差最大時，活塞環(huán)泄漏最嚴重。

3.連桿軸瓦磨損故障

對于雙作用壓縮機，活塞桿受力由作用在活塞兩側的氣體壓力差，活塞、活塞桿、十字頭、連桿產(chǎn)生的往復慣性力，活塞環(huán)與氣缸、十字頭與滑軌產(chǎn)生的摩擦力組成。在壓縮機的整個作功循環(huán)過程中，活塞桿受到的拉力和壓縮力是交替的，活塞桿這種從受壓到受拉的短暫反向過程，可使十字頭銷兩邊獲得潤滑。

當壓縮機及介質(zhì)的參數(shù)均輸入完整時，軟件會計算出活塞桿受力曲線和受力反向角（圖1），以零線為界，活塞桿受力曲線表現(xiàn)為零線以下受拉，零線以上受壓，受力反向兩次。

當十字頭銷與襯套、曲軸銷與連桿大頭瓦間隙過大時，在活塞桿受力反向時就會產(chǎn)生沖擊，間隙大則沖擊的幅值也大。通過在壓縮機中體下方測量十字頭的低頻和高頻振動曲線，再與活塞桿受力曲線比較，即可判斷連桿大、小頭間隙是否正常。這種振動與氣閥的振動不同，它們之間的差別在于曲軸轉角不同。

4.氣閥松動

圖1 缸活塞桿受力曲線

圖2 某壓縮機氣缸氣閥振動波形

圖3 某壓縮機1號缸軸側吸排氣閥振動、超聲波波形

在壓縮機每個氣閥上采集超聲波信號和高頻振動信號，超聲波信號對氣閥的漏氣很敏感，而振動信號能有效判斷氣閥出現(xiàn)的沖擊。圖2 是某壓縮機氣缸曲軸端4個氣閥的高頻振動信號疊加在壓力曲線上。1CS1 即1#缸曲軸端北側吸氣閥在20°～40°的曲軸轉角范圍內(nèi)出現(xiàn)了較大的沖擊尖峰，該位置并非氣閥開啟位置，也不是其他氣閥串擾所致。當曲軸側缸內(nèi)壓力開始上升約20°后出現(xiàn)的沖擊，表明氣閥可能存在松動。開始壓縮時，氣體壓力較低，不足以托起氣閥，故起始位置無沖擊，當壓力升至能托起氣閥時，氣閥沖向閥罩產(chǎn)生沖擊信號。

檢查發(fā)現(xiàn)，氣閥密封墊圈脫落，氣閥便在閥室內(nèi)反復撞擊。

圖4 設備構成俯視圖

5.在無壓力曲線情況下判別氣閥的開啟與關閉時刻的方法

氣閥的振動、超聲波波形結合缸內(nèi)的壓力曲線很容易判斷出氣閥的開啟、關閉時刻，然而有的國產(chǎn)壓縮機沒有測壓力的開孔，無法測取缸內(nèi)的p—V 曲線。氣閥的開啟、關閉時刻雖然不直觀，但也可以根據(jù)壓縮機的工作過程判斷出氣閥開啟關閉的時刻。以雙作用壓縮機為例（圖3），軸側及蓋側的氣閥開啟、關閉共8個事件，由事件發(fā)生的前、后順序進行判斷，從曲軸轉角為0°開始依次順序為軸側吸氣閥關閉——蓋側吸氣閥開——軸側排氣閥開——軸側排氣閥關——蓋側吸氣閥關——軸側吸氣閥開——蓋側排氣閥開——蓋側排氣閥關。

圖5 異構循環(huán)氫壓縮缸蓋側氣閥振動、超聲波形

圖6 異構循環(huán)氫壓縮缸軸側氣閥振動、超聲波形

三、氣閥失效、氣閥泄漏分析與診斷實例

克石化公司II 套高壓加氫裂化/異構循環(huán)氫壓縮機K-2102/2201B為意大利新比隆公司生產(chǎn)，型號2HE/1-1，功率690kW，轉速329r/min，兩缸雙作用對稱平衡型。設備構成見圖4，每月定期進行一次振動、超聲狀態(tài)監(jiān)測。

2012年10月31日對壓縮機K-2102/2201B 進行振動、超聲波監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)（ULT為超聲信號，VT1為高頻振動信號），異構循環(huán)氫壓縮機蓋側及軸側的氣閥振動、超聲波形圖中（圖5、圖6），在曲軸轉角180°之前的波形基線明顯變寬，此波形為故障波形。

由于此壓縮機沒有壓力測試孔，無法測取氣缸內(nèi)的p—V曲線，利用氣閥泄漏故障判斷方法，判斷基線變寬的時間段為氣閥關閉至再次開啟的時間段；利用氣閥開啟、關閉判斷方法，判斷在這個曲軸轉角處再開啟的氣閥有軸側吸氣閥和蓋側的排氣閥，圖中有的曲線在曲軸轉角為0°時變寬，有的在＞0°時變寬，由此可初步判斷，軸側的吸氣閥和蓋側排氣閥都有泄漏的可能，建議對以上兩氣閥進行拆檢。

圖7 異構循環(huán)氫壓縮缸各氣閥振動、超聲波形（維修后）

2012年11月8日 對異構循環(huán)氫壓縮缸各氣閥進行拆檢結果顯示，蓋側排氣閥及軸側吸氣閥的閥片斷裂，隨后對以上兩氣閥進行了更換維修。對維修后的壓縮機進行監(jiān)測表明，各氣閥的振動、超聲波形正常（圖7）。