【壓縮機網】往復壓縮機是一種在石油、化工、天然氣儲運、冶金、制冷等國民經濟領域廣泛應用的通用動力機械，具有流量范圍寬、壓力范圍廣、壓縮效率高等突出優勢。雖然往復壓縮機應用優勢明顯，但其也存在振動大、易損件多、檢修周期短等問題，活塞桿斷裂、撞缸、連桿螺栓斷裂、拉缸、管道裂紋、氣閥閥片斷裂、活塞組件磨損、填料磨損等典型故障時有發生。開展往復壓縮機故障監測診斷技術的研究與應用是減少壓縮機惡性故障發生、保障機組安全穩定運行的必由之路。

　　往復壓縮機常見故障類型，可分為泄漏類、磨損類、斷裂類、松動類、沖擊類、堵塞類等。根據發生部位，分為氣閥類、傳遞部件類、密封組件類等。往復壓縮機故障種類雖然很多，但按照監測的狀態參數大致可分為兩類：熱力性能故障和機械性能故障。熱力性能故障可以從壓縮機熱力性能參數的變化上體現出來，包括進排氣量、進排氣壓力、溫度的變化以及油路、水路流量及溫度的變化等，可通過監測進、排氣溫度、氣缸壓力、潤滑油溫度、壓力等進行改善，監測對象包括氣閥、填料函、活塞環、軸承等。機械性能故障可以從往復壓縮機機械性能參數的變化上體現出來，如由于零部件磨損斷裂而引起的沖擊和振動。當然，某些故障所體現的征兆也會同時反映在熱力參數和動力參數的變化上。

　　往復壓縮機的狀態監測和診斷方法有很多，目前通常使用在線監測診斷方法，通過傳感器實時采集壓縮機的工況信息，通常對處理后的信息進行人工分析和比對、診斷。

　　用于故障分析診斷的往復壓縮機監測信號包括鍵相信號、振動信號、壓力信號、溫度信號等，結合壓縮機的實際結構，可按鍵相信號、氣閥溫度信號、氣缸動態信號、活塞桿位移信號、十字頭振動信號、缸體振動信號、曲軸箱振動信號、機組主軸承信號進行在線監測測點的布局。

 

　　一．基于振動信號的監測診斷技術

　　首先是基于振動信號的氣閥故障診斷方法的應用。氣閥的故障是往復壓縮機最常見的故障，個別機組氣閥故障數量占故障總數的60%以上。氣閥的故障診斷通常是采用加速傳感器拾取閥蓋上的振動信號，通過提取振動信號的特征反映氣閥的工作狀態，因而信號具有調制的特點。針對調制的特點，目前普遍使用的方法是通過帶通濾波器對載波帶進行濾波后，進行包絡分析，最后提取包絡分析后信號的時域特征指標來分析故障。因為伴隨著設備工況的變化，載波的頻帶會發生變化，需要人為提前確定載波頻率的特征帶，并進行帶通濾波，給實際應用帶來了很多不便。在實際運用中，采用多次帶通濾波，對能量最大的一個頻帶進行包絡解調的方法來解決這個問題，但是這種方法受噪聲干擾太大，計算效率低下。因為氣閥振動信號噪比低，而且對實時性要求高，這就限制了該方法在氣閥故障診斷中的應用。另外，采用幾何分離的方法進行多載波帶的信號包絡分析，但這種方法僅可以分辨出頻率，對應的幅值誤差太大，并且計算速度較慢。而近年來，研究的方法采用從信號包絡解調的精度和運算的實時性兩方面考慮，將能量算子作為包絡解調的方法，在包絡解調之前的信號預處理中，使用小波包變換技術來避免人為確定特征帶的問題，將提升方法引入小波包變換中，來提高小波包變換的速度，提出了基于小波包變換和能量算子技術的包絡解調分析方法，將此技術用于往復壓縮機氣閥振動信號包絡，提高對故障前后的信號進行分析計算，取得了滿意的結果。

　　能量算子是在研究非線性語音建模時引入的一種調制信號的分離方法，用于分析和跟蹤窄帶信號的能量，在調制作用的結果中，可以解調出信號的幅值及瞬時頻率。小波包變換本質上就是對信號進行等帶寬多帶濾波，在抑制噪聲方面效果很好。將提升方法引入小波包變換后，提高了小波包變換的計算速度，在實時監測診斷應用中更有優勢。采用小波包變換與能力算子相結合的包絡解調分析框架，解決了對信號包絡解調前，需要人為確定載波帶對信號進行帶通濾波的問題，不僅應用于氣閥的故障診斷分析，還可以用于旋轉機械的滾動軸承和齒輪箱故障分析。

　　其次是基于振動信號的連桿小頭瓦故障診斷的應用，往復壓縮機在運行過程中，驅動機的旋轉運動最終轉化為活塞的往復運動；運動形式的轉換過程中，連桿是通過十字頭銷將動力傳遞到十字頭及活塞上的，同時，氣動力、活塞力也通過十字頭銷最終傳遞至連桿及曲軸上。因此，十字頭銷可以看做力傳遞的樞紐。當十字頭銷受到的連桿力為零時，對它的曲柄轉角即為連桿小頭瓦轉向角。機械結構中的圓柱轉動副可視為滑動軸承，連桿小頭處活塞銷長度約為連桿小頭寬度的3倍，為了裝配需要和保證兩構件在工作過程中的相對轉動，轉動副中軸徑和軸承之間存在一定間隙，當轉動副因潤滑不良或其他各種原因造成磨損以后，間隙逐漸增大，此時，間隙對機械系統的動力學響應的影響顯著增強。間隙的存在使轉動副中多了兩個自由度，即少了兩個方面的約束，所以軸頸的中心與軸承的中心是不重合的，運動副是用來連接兩個物體并傳遞力或力矩的，當磨損增大到一定程度后，力和力矩不能順利地傳遞，使得被連接的兩物體越過間隙后直接發生碰撞；從而引起力和加速度出現較大的異常波動并伴有較大的幅值。間隙增大，對十字頭加速的影響增強，波動的幅值增大，產生的碰撞力也增大，但是力和加速度發生突變的位置始終在其運動換向點附近。在有磨損間隙的工況下，十字頭必然會在其運動的反向點附近產生短時高頻振動，并通過與其連接的十字頭滑道傳遞到機體表面。所以，在往復壓縮機十字頭滑道的正上方的機體表面安裝加速度振動傳感器，監測振動信號的時域波形，當發生小頭瓦磨損故障，可在時域波形中看到在十字頭的運動換向點附近出現大的振動沖擊信號，采用振動信號角域分析的小頭瓦磨損故障診斷方法在實際運行中是可行的。

 

　　二．基于活塞桿位移信號的監測診斷技術

　　1.活塞桿自激振動特征提取方法

　　自激振動是某些系統在輸入和輸出之間具有反饋特性并有能源補充，從而引起振動的。活塞桿部件在實際運動的過程中，由于活塞和十字頭受到摩擦力的作用，會產生自激振動。活塞桿自激振動會產生相應的頻率，這位提取診斷活塞桿類故障的特征參數提供了相應的參考。

　　2.基于活塞桿軸心軌跡的故障診斷方法

　　對于往復壓縮機故障而言，必須能夠從活塞桿軸心位置軌跡提取必要的特征參數來反映設備的運行狀態。活塞桿軸心位置的變化與每一時間點位移傳感器和活塞桿表面距離和活塞桿撓度有關，活塞桿撓度計算時可以把活塞桿看做簡單的超靜定梁，其十字頭端可作為活動鉸鏈支座，活塞端作為固定支座，活塞桿的自重作為均布載荷。對于往復壓縮機，如果活塞桿撓度較大，會造成填料密封磨損加快，高溫高壓氣體從填料處泄漏，排氣量會大大降低，嚴重影響壓縮機的工作效率，也會危害到設備及人的安全，因此，控制活塞桿的撓度極為重要。在實際工作中，采用繪制活塞桿正常和故障時軸心位置軌跡圖進行對比分析，判斷活塞桿是否正常工作，實現活塞桿運行狀態的早期預警功能。

　　3.基于活塞桿位移信號的松動故障診斷方法

　　活塞桿在往復壓縮機中是否連接活塞和十字頭的零件。在壓縮機運行過程中，活塞桿受力較大的部位主要集中在活塞桿與旋緊螺母螺紋連接處，活塞桿階梯處和活塞桿與十字頭連接處，這些地方由于形狀的變化，運動過程中易引起應力集中。這些位置都是活塞桿發生跳動故障后，容易引起活塞桿斷裂的主要位置，尤其是螺紋連接的末端需重點檢測。活塞桿跳動故障會引起整個活塞桿組件的加速度值增大，從而導致振動增大，并且隨著跳動量的增加，振動更加強烈。此外，活塞桿的應力應變也會隨著跳動量的增加而逐漸增大，在活塞桿的螺紋處，階梯處和活塞桿與十字頭連接處應力集中明顯，易發生斷裂的危險。活塞桿跳動故障的模擬分析結果與實際故障的狀態監測具有高度一致性，采用動力學和有限元分析聯合仿真的方法對研究不同類型的活塞桿故障具有指導意義，可以分析活塞桿在不同故障形式下的應力應變變化，為活塞桿各類故障的事故預防和故障診斷在線監測技術推廣應用奠定基礎。

　　4.基于活塞桿軸心振動能量的故障診斷方法

　　目前，國內外在役的往復壓縮機故障在線監測診斷系統，都對活塞桿位移，包括縱向下沉與橫向偏擺信號進行監測。使用的傳感器為非接觸式的電渦流傳感器，通過兩個方向的位移傳感器，實現活塞桿運動過程中活塞桿相對傳感器位置變化信號的在線監測。常規位移量監測方法屬于相對參數監測，即傳感器實時采集信號與初始安裝位置的差值，計算活塞桿位移相對變化量。在往復壓縮機實際故障監測診斷中，基于活塞桿振動能量指數的方法可提取活塞桿軸心振動能量，軸心軌跡面積和單一方向振動能量參數，能有效反映活塞桿的運行狀態，相對位移平均值受安裝因素的影響較大，對故障監測效果較好，特別對斷裂、撞缸故障更加敏感。從實際運行結果來看，活塞桿振動能量伴隨故障變化呈現出逐漸增大的趨勢，故障預警效果相對較好，對完善在線監測系統的活塞桿監測報警參數，聯鎖保護系統控制參數具有積極意義，可有效彌補現有機組殼體振動裂度對故障早期反應不敏感的問題，提高在線監測系統與聯鎖保護系統故障預警、停車的準確性。

 

　　三．基于閥蓋溫度信號的監測診斷技術

　　氣閥是往復壓縮機故障率最高的部件，氣閥故障會直接影響壓縮機的排氣量和工作效率；若閥片斷裂后的殘片落入缸體，可能引發嚴重的拉缸、撞缸故障，甚至導致壓縮機爆炸事故。因此，氣閥故障的早期故障預警與診斷意義顯著。氣閥閥蓋溫度數據直接反映閥腔內的介質溫度和氣閥的工作情況，同時氣閥閥片運動過程中與閥座、升程限制器發生碰撞，因此缸體振動傳感器也可對閥片工作情況進行監測。

　　在實際的往復壓縮機氣閥故障監測中，仍依賴人工完成，一是對于不同的氣閥故障，如氣閥泄漏故障，氣閥閥片斷裂故障，氣閥彈簧失效故障等，需要同時結合氣閥溫度數據和缸體振動數據才能判斷，但是這兩類數據常常因為如現場干擾、負荷調節等一些原因存在變動，需要診斷專家完成人工診斷；二是不同往復壓縮機缸體上的氣閥個數不一致，也很難建立一般的智能分類器，如人工神經網絡或支持向量機，實現氣閥故障診斷。

　　實際工作中，往復壓縮機在線監測系統實現了氣閥閥蓋溫度的實時監測，但報警方式采用單一特征值過線報警，而相關報警線設置工作復雜，同時受工況影響，也存在報警延時問題。氣閥正常工作時，氣閥溫度存在季節性、晝夜性、工藝性以及其它原因等的變化和波動，但是同類氣閥之間具有波動起伏一致的特點；當缸體的某氣閥發生故障時，該氣閥溫度會偏高自身氣閥溫度而升高，并與其它氣閥溫度不再保持正常起伏一致的特點。根據這個特點，實際工作中可提取能夠反映這個特點的特征參數，實現故障異常監測，進一步對故障氣閥進行自動定位，實現故障早期快速報警。

 

　　四．基于氣缸動態壓力信號的監測診斷技術

　　1.基于仿真動態壓力的連桿大頭瓦故障診斷方法

　　大頭瓦是曲軸傳遞動力的關鍵節點，由于往復壓縮機大都具有強制潤滑功能，大頭瓦磨損在機組處于穩定工況下時不易發生。但由于往復壓縮機的工況隨生產改變得較為頻繁，氣缸內工作狀態不穩定，從而直接影響曲柄連桿結構的動力學行為。在這樣的工況下，大頭瓦瓦面巴氏合金長期受動載荷的作用，易發生疲勞磨損，一旦磨損，潤滑油膜受到破壞，疲勞面將快速擴展，進而惡性循環導致大頭瓦快速失效。因此，振動監測方法是捕捉大頭瓦異常的一種有效方法，而如何確定大頭瓦磨損相位成為關鍵。由于連桿大頭瓦磨損故障模擬實驗難度大，同時易引發曲軸表面拉傷，因而，在實踐中，會采用相關類似的故障機作為分析對象，采用模擬動態壓力仿真技術，建立往復壓縮機關鍵運動部位受力模型，完成連桿大頭瓦動態載荷分析，實現早期預警與診斷。

　　2.基于實測動態壓力的故障診斷方法

　　基于動態壓力測量的示功圖監測和分析是往復壓縮機狀態監測與故障預警的重要工具；尤其是通過示功圖可以更靈敏、更早期地監測效率的變化，更早期地對氣閥泄漏等可能造成爆炸事故的嚴重故障進行預警。示功圖是指在往復壓縮機的一個循環中，氣缸內氣體動態壓力隨活塞位移而變化的循環曲線。可用動態壓力傳感器測量動態壓力，鍵相傳感器測量飛輪轉動角度換算成形程或體積來實現示功圖的監測。大量的實踐表明，往復壓縮機氣體壓縮過程出現的異常或故障，示功圖都會表現出不同的形狀。能夠遠程監測示功圖，且靈敏、定量地監測出示功圖形狀的異常，就可以提高監測系統的故障預警能力，利用現代圖形變換和統計模式識別的方法來實現其監測、異常識別，達到往復壓縮機故障早期識別的目的。

 

　　五．基于聲發射技術的活塞桿斷裂的預警技術

　　當固體材料受到力作用時，由于內部缺陷的存在或微觀結構的不均勻性，會產生應力集中，使塑性變形加大或形成裂紋與擴展，這時會釋放出彈性波，這種現象稱為聲發射。活塞桿在周期性非對稱拉---壓載荷下產生裂紋及裂紋擴展，會產生聲發射現象。聲發射信號的產生率是變化無常的，活塞桿的裂紋擴展過程產生是聲發射信號是連續的。裂紋疲勞擴展到一定程度后擴展速度會加快，這與應力強度的大小有很大關系，而裂紋疲勞擴展可以通過聲發射參數反映出來，這是通過聲發射技術對活塞桿的疲勞斷裂進行預測的主要依據。嚴格來說，沒有裂紋的活塞桿應該沒有聲發射現象，但因活塞桿加工質量問題，存在一些細小的裂紋，會有少數聲發射現象。聲發射特征參數中幅度和能量對有無裂紋都很敏感，由于幅度計算相對簡便，采用幅度作為監測參數來判斷活塞桿有無裂紋。聲發射的能量和計數會隨裂紋擴展程度的增加而增大，可以通過兩者趨勢的變化程度來預測活塞桿的使用壽命。活塞桿不同部位裂紋的聲發射特征參數基本相同，說明當螺紋連接部位出現裂紋后，應變率、疲勞次數同樣會與聲發射計數、能量有對應關系。

　　設備故障診斷的發展方向一直是：不斷尋求解決工程實際難題的方法與技術。往復壓縮機隨著在線監測診斷系統技術的發展推廣應用不斷地豐富完善，故障診斷專家系統、故障智能保護系統的研發與應用是發展的必然趨勢。

 

來源：本站原創