楊天山，楊靜

（1.克拉瑪依安泰煉化工程有限責任公司；2.新疆培訓中心，新疆 克拉瑪依 834000）

在石油和天然氣的壓力儲運過程中，石油化工的安全和穩(wěn)定是石油化工產(chǎn)品長距離高效運輸?shù)年P鍵。然而，往復壓縮機的結(jié)構(gòu)相對復雜。同時，往復式壓縮機在實際生產(chǎn)運行過程中故障率高，受設備超負荷、機組運行環(huán)境差、維護不及時等多種因素影響，不時發(fā)生各種大小安全生產(chǎn)事故。往復壓縮機的振源不同，機身結(jié)構(gòu)復雜，設備的工作環(huán)境復雜(高溫、高壓、易燃、易腐蝕等)，振動源頭多樣，難以穩(wěn)定捕獲，這使得故障診斷和維護往復壓縮機變得困難。如何運用現(xiàn)代先進的技術對壓縮機進行故障診斷，保證其安全可靠，是石油化工大公司長期以來所關心的問題。

1 往復式壓縮機故障診斷技術現(xiàn)狀分析

往復式壓縮機的發(fā)展由來已久，其形成過程可以分成四個時期。往復壓縮機的歷史最早時期可以追溯到19世紀。那時，我國的技術系統(tǒng)尚不完善，技術還處在起步階段。通常情況下，都采用事后處理的方式進行對壓縮機設備的維修和處理。第二個時期是20世紀初期。往復式壓縮機的總體尺寸有了很大的改善，而且其機械結(jié)構(gòu)也逐步趨于系統(tǒng)化，所以采用的方式也由事后維修改為定期的預防性維修。第三個時期是20時期60年代。中國在這一階段已經(jīng)取得了很大的進步。電腦技術的發(fā)展與運用給人類的生活帶來了巨大的變化，相關工作人員還可以通過電腦技術對壓縮機的運行狀況進行實時監(jiān)測，并針對其運行狀況采取相應的預防措施。往復式壓縮機的發(fā)展到如今已經(jīng)經(jīng)過了相當漫長的時期，雖然我們已經(jīng)對往復式壓縮機的故障診斷有了系統(tǒng)研究，但是，從目前的狀況來看，往復式壓縮機故障診斷技術的發(fā)展并不理想，這在很大程度上制約了往復式壓縮機的發(fā)展與進步。

2 常見故障類型

往復式壓縮機的常見故障，根據(jù)其成因，可以將其歸結(jié)為兩種類型：一種是由不同的流體造成的，另一種是由機械原因造成的。流體對設備熱特性的影響，主要是由于壓氣機的燃燒能力不足、設備壓力降低以及溫度的反常。造成這種故障的最直接的原因是氣閥、活塞環(huán)、加注箱以及空氣濾清器。由于液壓平臺的機械故障而造成的動力不正常，一般是儀器、儀器的異常響聲、振動不平衡、溫度過高等。原因主要是儀表部件距離長、結(jié)構(gòu)部件之間連接松動、閥組整體故障和部分部件溫度過高。

3 往復式活塞壓縮機故障診斷研究

3.1 計算機在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)

本文介紹了一種基于傳感器A/D轉(zhuǎn)換器和微機控制技術的壓縮機在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。經(jīng)A/D變換、濾波、降噪后，將其傳輸至計算機進行分析、處理，實現(xiàn)了對誤差的可視化，對其進行相應的評價和警示。

3.2 故障的分析

在往復式活塞壓縮機中，一般都是通過在線間接診斷來實現(xiàn)故障診斷的。關鍵機械零件的狀態(tài)改變，應當由輔助診斷信息間接地進行，其主要內(nèi)容是：

（1）振動的檢測。振動信號包含很多信息。許多機械故障都有異常的震動。此外，振動探測的儀器、設備相對簡單，信號處理技術相對成熟，能夠在機器工作時完成相應的檢測與診斷，從而方便地實現(xiàn)對機器的實時監(jiān)控。因而，這種方法在機械故障診斷中起著舉足輕重的作用。其中有：①Poincare轉(zhuǎn)換：由于難以確定量化特性，Poincare轉(zhuǎn)換的頻率分析方法對非線性情形的效果不是很好。結(jié)果顯示，采用直接對時域信號進行分析，可以得到較好的處理結(jié)果，而且在處理過程中損耗較少。Poincare轉(zhuǎn)換法利用往復式壓縮機的振動或其他信號，對機械的工作狀況進行評價，從而判斷機械有無故障。主要是利用令牌空間重建理論對一維信號進行重構(gòu)，從而產(chǎn)生二維和三維的信號，分析并比較典型誤差，進一步確定誤差類型。②頻譜分析：在對往復式壓縮機故障進行故障診斷時，發(fā)現(xiàn)其頻譜組成十分復雜，難以對各譜線進行有效的識別。對氣門振動信號的實測數(shù)據(jù)進行了分析，發(fā)現(xiàn)其存在一定的誤差，使其波形的頻譜分布出現(xiàn)一定的改變。在功率頻譜分析中，這一改變更為顯著。通過對信號頻譜能量分布的分析，分析了不同頻段的頻譜特征，并對其進行了分析。但是，很難觀測到功率頻譜的能量分布。有必要尋找一種客觀的指標來描述這一改變的程度。功率頻譜的遠近就是一個衡量標準。經(jīng)過對比和分析，得出了散度J的頻譜距離與功率頻譜的描述非常相似。這是一種非常好的頻譜范圍，能有效地發(fā)現(xiàn)問題。③時間序列模式的參數(shù)和譜分析法(AR)：機械設備工作狀態(tài)的改變往往是時間序列模型中的參量和剩余量的反應。利用時序模型建立了壓氣機振動信號的動力學模型，建立了基于該模型的AR頻譜。AR頻譜比傅里葉頻譜有很多優(yōu)勢：傅里葉頻譜具有窗信號處理能力，易于生成虛假頻譜分量；AR頻譜分析是以時間序列模型的參數(shù)和階次為基礎，不受限于數(shù)據(jù)長度，能較好地實現(xiàn)對錯誤信號的實時檢測。AR光譜具有譜線平滑、譜峰清晰、分辨率高、直觀性好等特點。在許多誤差條件下，AR譜可以清晰地反映出來，這與能量頻譜的計算結(jié)果是完全吻合的。然而，不能識別出問題的種類。④包絡分析。該傳感器所獲取的振動信號屬于一種含有大量載波的振幅，比如氣門的振蕩，是氣門的自然吸氣和排氣系統(tǒng)的諧振頻率。這些成分可以通過濾波振幅調(diào)制而被去除。通過與常規(guī)信號的比較，從而對故障狀態(tài)進行評價，在輕質(zhì)閥門彈簧失效的情況下，其工作性能是很好的。

（2）溫度監(jiān)控。往復式壓縮機的很多零件都會受到很大的沖擊和摩擦力，而溫度是一個敏感的因子，它能反應出零件狀態(tài)的改變。它在監(jiān)控橫向滑塊、活塞和其他部件的潤滑、磨損和協(xié)調(diào)方面尤其有用，還能反映出制冷和氣門部件的工作狀況。

（3）鐵譜分析。鐵譜分析是監(jiān)測壓縮機中移動蒸汽磨損狀態(tài)的理想輔助手段，例如，國外的CSI機器油液污染監(jiān)測技術。但是，當同一材料的多對摩擦存在磨損缺陷時，鐵譜分析無法準確區(qū)分損傷部位，因此應結(jié)合其他方法使用。

（4）人工智能專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種以豐富的實際工作經(jīng)驗和專業(yè)知識為基礎，用于處理復雜、困難的系統(tǒng)故障診斷的智能化計算機系統(tǒng)。一個專家體系的層次主要是由它的知識庫來決定的，而更完整、更真實的知識庫，則是更高層次的專家系統(tǒng)。

3.3 現(xiàn)存的幾個需要處理的問題

（1）故障監(jiān)控的精確度低。往復式壓縮機的在線故障監(jiān)控數(shù)據(jù)往往是間接采集的，也就是所謂的“二次數(shù)據(jù)”，存在著較大的不確定性，容易導致誤診。為此，必須深入探討識別理論，以強化對典型缺陷的認識，對要辨識的狀態(tài)選擇檢測與診斷功能進行清晰地區(qū)分。另外，現(xiàn)有的相關研究主要是從定性關系的錯誤性質(zhì)出發(fā)，對量化的關系還有待探討。比如，氣門故障診斷，閥板裂紋的早期抗力預報，不同類型的裂紋、長度和方向的特性，都需要深入的研究

（2）某些典型故障仍然無法診斷。對于活塞桿、曲軸、連桿等零件的斷裂進行預測和診斷，目前還沒有一種行之有效的方法。國外文獻中提出了采用壓力傳感器來監(jiān)測各曲軸的轉(zhuǎn)動情況，但目前尚無實際應用報告，其準確性及可靠性尚需進一步研究。北京理工大學開發(fā)了一種新型的金屬和非金屬裂紋監(jiān)測系統(tǒng)。但怎樣運用于往復式壓縮機也還有待探討。

（3）研制的診斷系統(tǒng)診斷方法單一?，F(xiàn)階段開發(fā)的診斷系統(tǒng)的診斷方法相對簡單。在當前的診斷系統(tǒng)中，診斷措施通常是單一的，提高診斷水平的關鍵在于上述診斷方法能否廣泛應用于往復式壓縮機。

（4）充實專家系統(tǒng)的知識庫。擴展專家知識庫是一項長期的工作，而基于知識的典型故障特性的研究實驗，針對往復式壓縮機的試驗研究存在著諸多問題，必須加大 CAT的研發(fā)力度。

4 常見的往復式壓縮機故障診斷技術方法

4.1 小波分析法

小波分析是一種新的方法。小波分析與傳統(tǒng) FFT分析法比較，能更好地反映時頻域非平穩(wěn)信號的局部特征，同時能夠較好地捕獲信號的時頻特性。在往復壓縮機故障診斷中，獲得的非平穩(wěn)壓縮機振動信號可以通過波形設置分為低頻和高頻信號，降級信號可以在特定的頻率范圍內(nèi)被抑制、濾波甚至指示，此外，采用波包分析和單支重構(gòu)等技術分析方法提取誤差信號，并構(gòu)造了一組新的誤差信號特征矩陣。最后，結(jié)合壓縮機的設計特點，對非平穩(wěn)振動信號進行波形變換，處理后的信號數(shù)據(jù)可以用于檢測壓縮機故障，為壓縮機故障診斷提供可靠的信號數(shù)據(jù)支持。

4.2 專家系統(tǒng)診斷法

作為一種高效、復雜的壓力提升設備，往復式壓縮機的機械部件多、結(jié)構(gòu)復雜，缺陷類型與缺陷外觀之間的關系復雜。有時，可見缺陷通常是由許多因素造成的，這些因素使得工程師和技術人員難以準確判斷壓縮機故障。單純依靠經(jīng)驗進行故障診斷，常常會造成故障診斷率低，故障診斷不完全，而專家系統(tǒng)則是一種新的故障診斷技術。

本系統(tǒng)是一個大型的專門技術數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)唧w領域內(nèi)的專家進行分析、評價，并為其提供專業(yè)技術服務。在專家系統(tǒng)的故障診斷中，建立一個理想的專家系統(tǒng)是非常關鍵的。要構(gòu)建一套完善的專家系統(tǒng)，必須從獲得大量、可靠的知識、建立起正確、高效的知識表達方法、構(gòu)建和維護知識庫、對推理過程進行理性的了解、對推理的可信度和有效性的判定。

4.3 聲發(fā)射技術分析法

聲發(fā)射是在產(chǎn)生平均電容時，聲波在不同的頻率下發(fā)出的。比如，在壓縮機的正常工作過程中產(chǎn)生的振動，壓縮機材料表面的滑移產(chǎn)生的彈性波，氣閥的裂縫，線圈的摩擦力等，都會產(chǎn)生一定的頻率的聲波。AE技術是指利用專用設備對壓縮機運行時所發(fā)出的各類聲音信號進行收集，并對其進行分析，以判斷其失效原因，實現(xiàn)非破壞性檢測。該系統(tǒng)由檢測點、信號采集與傳輸、數(shù)據(jù)分析與處理三部分構(gòu)成。將聲波傳感器置于可疑位置，利用信號采集、傳輸系統(tǒng)采集壓縮機工作過程中所產(chǎn)生的各類聲音信號，并將其傳送給分析與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并將其與壓縮后的壓縮信號進行比較，從中提取出故障信號的特點，識別出故障的部位及類型。

5 往復式壓縮機故障診斷應注意的問題

不同的故障診斷技術有不同的應用優(yōu)勢和不同的應用。應根據(jù)當前情況進行公平監(jiān)管。在未來壓縮機的故障診斷中，有許多需要注意的問題。這里有幾個要點需要注意：在使用波形分析的過程中，我們需要連接神經(jīng)網(wǎng)絡或?qū)＜蚁到y(tǒng)。由于外部因素的影響，信號變化很大。我們主要考慮危險信號的影響，以盡量減少此類信號的影響，避免錯誤的故障診斷結(jié)果；深入研究定量錯誤診斷率，主要從錯誤原因入手，預測錯誤因素，降低錯誤診斷的總體風險，通過定向處理提高錯誤解決的有效性；往復壓縮機工作方式具有動態(tài)變化的趨勢，逆向壓縮機工作方式具有隨機性和不可控制性。據(jù)此，可以對壓縮機進行合理的優(yōu)化設計，從而延長壓縮機的運行時間。專家系統(tǒng)知識庫的內(nèi)容是有限的，為提高用戶壓縮機故障的綜合診斷能力，必須及時完成專家知識庫的建設，并建立健全的信息管理體系，對其進行全面的診斷；很多壓縮機的缺點都是隱蔽的，不易察覺的。我們只有在資料模式下才能發(fā)現(xiàn)他們。因為利用了這些資料，我們也能找出資料中可能的錯誤。通過對該模型的觀測，可以更好地理解各個節(jié)點之間的聯(lián)系因素，特別是參數(shù)的特征比率，進而對可視化模型進行優(yōu)化和完善，對于提高往復式壓縮機的故障診斷工作具有十分重要的意義。

6 結(jié)語

針對往復式壓縮機故障，必須運用正確的故障診斷技術，充分考慮各因素的影響，重視正確的檢測條件，解釋故障原因，制定相應的處理措施，以提高壓縮機故障診斷的及時性。