往复式压缩机常见故障及在线监测系统的应用

李建明，李 军

（国家能源宁夏煤业集团 煤制油分公司 仪表管理中心，宁夏 宁东 750411）

1 往复式压缩机常见故障

往复压缩机的故障按功能划分有两大类：一类是热力性能故障，另一类是机械性能故障[1]。热力性能故障又称之为热力故障，故障原因集中在气阀、活塞环、工艺气系统、冷却系统等部位。故障时其特征表现为机组运行时出口气量不足，出口气体压力、温度以及级间压力、温度不正常。机械功能故障，从本质上来看是设备运动部件或结构故障，故障原因主要有运动部件本身故障，运动部件之间的配合间隙变化、运动部件本身的裂纹等[2]。其故障特征为设备运行时振动突变，发热量异常，现场异响等动力故障模式。

对现场检维修进行统计分析，构建常见故障类型分布图。其运动部件故障占比为59.9%包括气阀故障、支撑环故障、曲轴连杆、活塞环故障等[3]。密封部件故障占比为25.4%，主要是填料、活塞密封环故障。

图1 往复压缩机常见故障类型分布图Fig.1 Distribution of common fault types of reciprocating compressors

2 在线监测系统组成

2.1 监测系统组成

现场传感器信号经安全栅、数字采集器、交换机通过局域网传输至服务器，设备管理员可通过局域网客户端访问服务器，对实时数据进行监测及故障诊断。状态监测厂家专业服务人员可通过远程访问进行诊断分析。

2.2 测点及传感器的选择

往复机故障点主要分布在曲轴箱、气缸壳体、轴承温度、活塞杆、气缸出入口气阀等处。所以需要对气缸及曲轴箱振动、十字头冲击、轴承及气缸温度以及活塞杆沉降、偏转进行测量。

根据往复压缩机常见故障类型分析，其运动部件和密封组件故障占比达到85.3%。所以要根据其故障点来选取测点，方能实现对压缩机故障判断和预知。

往复机活塞在运行中进行往复运动，其曲轴旋转一周为一个运行周期，故在机组飞轮上安装金属块提供脉冲信号，作为键相传感器输入信号为测点提供故障诊断参考点，键相位传感器固定在设备安装混凝土或钢结构基础上。键相探头参数为供电电压：10V DC～40V DC，有效工作距离：2.5mm，安装方式：底座支架螺纹安装，温度范围：-40℃～80℃，防护等级：IP67。

曲轴箱振动用来监测基础和壳体振动，对于不平衡类故障有明显表征，所以使用速度传感器测量[4]。往复式压缩机在活塞往复运动过程中，气缸作用在曲轴上的力在正常情况下可以相互抵消。但是当发生气阀损坏、刮缸、泄露等情况时，气缸会产生不平衡力。此时安装在曲轴箱箱体对角线上的速度传感器能够完好地监测到这种不平衡力。考虑到现场环境对测量的影响，要求传感器灵敏度：100mv/g，频响范围：4.5Hz～5KHz，量程范围：0～1000mm/s，非线性：±2%，温度范围：-40℃～100℃，防护等级：IP67，防爆等级：Ex iaIICT4。

十字头冲击信号振幅小、振速高，为高频振动，所以使用加速度传感器测量。传感器安装于十字头上，对于十字头间隙过大，十字头螺母或螺栓松动，液体吸入气缸，活塞销圈间隙过大等故障特征明显[5]。主要用于监测拉缸、水击、连接松动等冲击类故障。加速度传感器灵敏度：100mv/g，频响范围：0.5Hz～10KHz，量程范围：-50g～50g，抗冲击：5000g pk，非线性：±1%，温度范围：-54℃～121℃，防护等级：IP67。

活塞杆位置采用电涡流传感器，垂直沉降探头安装在填料函尾部螺栓上，水平偏转探头安装在填料函尾部侧面，可以监测到活塞环磨损程度，活塞杆弯曲程度[6]。在故障诊断中结合机身振动历史波形图和十字头冲击历史趋势图能够为十字头松动状态和气缸的滑动区状况提供诊断依据，为滑道磨损，活塞支撑环、填料函替换提供检修依据。要求传感器灵敏度：3.94mv/um，频响：0Hz～10KHz，量程：0.5mm～4mm。线性标注偏差：小于±0.1mm，温度：-30℃～120℃。

采用热电阻对气阀温度进行测量，热电阻温度传感器可采用两种形式进行安装，即磁吸安装或导热胶粘贴。热电阻固定在各气阀阀盖上，对气阀温度实时监测，为气阀故障诊断提供重要依据。传感器要求——测温元件：PT100，温度范围：-40℃～85℃，防爆等级：Ex iaIICT4，防护等级：IP67。

3 往复压缩机典型故障特征

往复机故障按照其可严重程度分为常规故障和恶性故障两大类。典型故障有撞缸、活塞杆断裂、连杆螺栓断裂、拉缸、气阀阀片断裂、支撑环严重磨损等。

◆ 常规故障包括：气阀类故障，支撑环、活塞环磨损故障，填料函磨损故障[7]。

故障特征：故障发生时间较长，故障破坏力弱，现场容忍能力较强。

故障诊断方法：常规故障种类多，涉及的相关参数多，分析方法较复杂，要根据气阀温度、气缸振动、机身振动以及活塞杆沉降趋势、水平偏转进行综合状态分析，结合机组排气量进行综合诊断分析。

故障处理紧迫性：机组暂无重大故障风险，可根据生产状况合理安排检修。

◆ 恶性故障包括：拉缸、撞缸、活塞杆断裂、活塞紧固元件松动。

故障特征：故障发生突然、时间短、破坏力大，对设备造成不可修复性损伤。

故障诊断方法：根据活塞换向点冲击，即气缸振动，结合活塞杆位移相对变化量以及曲轴箱振动的变化进行故障诊断分析。

故障处理紧迫性：急，机组存在重大故障风险，需要及时停车。

◆ 典型故障特征如下：

1）撞缸故障特征：撞缸的瞬间即在0°或180°两个相位附近缸体振动剧烈冲击。缸体冲击伴随曲轴箱振动急速上涨，同时活塞杆沉降在0°或180°两个相位出现波动。

2）活塞杆断裂故障特征：活塞杆沉降量和水平偏摆量瞬间跑最大，超过量程上限甚至造成活塞杆探头损坏；在0°或180°两个相位附近缸体振动急剧增大。

3）连杆螺栓断裂故障特征：活塞杆沉降量及水平方向偏摆量同时出现较大幅度波动，活塞杆断裂时，缸体振动、曲轴箱振动瞬间增大[8]。

4）拉缸故障特征：活塞杆沉降量和水平方向偏摆量同时出现异常波动，相对变化很大，甚至达到1mm。一旦发生拉缸现象机身振动和气缸振动信号必然异常增大。

5）气阀故障，主要是气阀阀片、弹簧或部件主体在工作中发生变形、断裂、失效等情况导致气阀不能正常工作的故障。故障特征：气阀故障必然伴随着阀盖温度的异常升高，与此同时在吸气阀和排气阀开启的相位，缸体振动冲击剧烈[9]。

6）支撑环严重磨损故障特征：活塞杆沉降量在支撑环逐渐磨损的过程中相对变化量逐渐增大，一般超过0.5mm为低报值，此时证明已发生磨损，当超过0.8mm时磨损严重[10]；同时缸体振动、机身振动测量值趋势平稳，无较大变化。

7）活塞杆紧固螺栓松动故障特征：活塞杆沉降量在螺栓松动时波动迅速增大，超过0.5mm，甚至0.8mm。

4 典型案例分析

4.1 气阀阀片断裂故障

故障简介：该机组为某国产六缸立式往复压缩机，测量的工艺介质为氢气（29℃，3.5Mpa）。某日该机组四号缸在运行过程中发生阀片断裂故障。

状态监测系统图谱分析：

1）该机组在一个月的时间里，吸气温度1从40℃升高到60℃，较其他气阀温度上涨了20℃左右，排气温度1从39℃升高到44℃，较其他排气阀温度上涨了15℃左右。

2）四号缸缸盖振动由39m/s2左右上涨到80m/s2左右，从缸体振动监测图上可看到吸气阀开启相位的振动明显冲击增大，在线监测系统振动参数持续报警。

诊断结论：如图2所示机组振动检测图可知，吸气阀及其对应的排气阀温度存在升高趋势。从振动监测图上分析：①四号缸吸气阀、排气阀温度均异常升高；②与此同时缸体振动峰值增大，该振动值在气阀开启相位波动明显。以上现象表明，四号气缸吸气阀出现气阀泄漏故障。因该故障对机组运行影响较低且该厂生产任务较重，在诊断结论发出后第二个月停机检修，开盖后发现吸气阀阀片断裂。

图2 机组四号缸振动监测图Fig.2 Vibration monitoring diagram of the fourth cylinder of the unit

图3 机组二号缸状态监测图Fig.3 Unit 2 cylinder status monitoring diagram

4.2 撞缸故障

故障简介：该机组为某国产四缸卧式往复压缩机，测量的工艺介质为一氧化碳、氢气（35℃，4.6Mpa），某日该机组状态监测系统监测振动值报警，分析发现存在撞缸现象。

状态监测系统图谱分析：

1）从机组振动历史趋势图发现缸体振动在正常运行期间由40m/s2左右迅速增大至110m/s2，涨幅达到70m/s2。两天后进一步增大至190m/s2以上。

2）从二号缸振动历史波形图和历史柱状图可见活塞运动到内止点190°时出现剧烈冲击。

诊断结论：结合二号缸振动波形图以及历史波形图和柱状图分析，二号缸振动突然增大，活塞运动到内止点时振动波形出现剧烈冲击，猜测是活塞杆紧固原件松动或缸体内进入异物导致二号缸出现撞缸故障。

该厂迅速组织设备停机并拆检二号缸，确定十字头紧固螺母松动。这是一起典型的在线监测诊断系统报警，实现故障预判、避免设备损伤的案例。

5 结语

往复式压缩机的在线监测系统的构建应该遵循其故障特征，传感器的选择要结合故障特性及信号特性，选取最具代表性的参数进行测量。本文从确定传感器选型及安装位置开始，构建了监测系统网络，通过局域网充分发挥检测系统的作用。参考常规故障特征及故障案例，参考实际案例，通过运用在线状态监测系统，实现了故障诊断和预判，证明了搭建在线状态监测系统的必要性和充分性。