從往復壓縮機常見故障和診斷方法、故障診斷常用標準出發，基于狀態監測診斷系統，對機器重要運動部件及熱力參數進行監測并綜合分析，最后通過實際應用驗證了診斷系統對壓縮機運行工況監測和故障診斷的有效性和實用性。

一、前言

　　往復式壓縮機組在石化企業中起著十分重要的作用，但由于結構復雜，激勵源眾多，對其實施狀態監測診斷技術較困難，雖然人們已對其開展了不少研究并取得了一些研究成果，但總的水平還不高。為了實現預知維修，使壓縮機能夠長周期安全穩定運轉，故障診斷需要開展多種方法提高診斷的準確性，同時完善設備診斷標準，并且要以設備狀態在線監測為應用手段。這樣，往復壓縮機的全面診斷才能有更好的效果。

二、往復壓縮機的故障診斷

　　1. 常見故障及診斷方法

　　往復壓縮機的故障可以分為兩大類：一類是流體性質的，屬于機器熱力性能故障，主要表現為機器工作時排氣量不足，排氣壓力、溫度及級間壓力、溫度異常，可稱之為熱力故障模式，產生的原因主要是氣閥、活塞環、填料函、冷卻水路及吸氣濾清器等部位發生故障，用參數法進行診斷較方便;另一類是機械性質的，屬于機械功能故障，主要表征為機器工作時異常的響聲、振動和過熱等動力故障模式，產生的原

　　因主要是運動部件配合間隙的變化、結構的裂紋等，用振動法診斷較方便。所謂參數法就是通過測定機器的各項性能參數值，將這些數據進行處理，然后同基準值相比較，得出偏高、偏低等分析結果，從而診斷機器在整體性能方面或零部件性能方面存在的故障，并進行分析判斷其故障部件，預測發展趨勢的技術。

　　由于選擇的診斷參數不同，參數法又可分為熱力參數法和電力參數法等。所謂振動法就是根據機器運行產生的振動和噪聲在機器內部零部件或結構出現缺陷時，機器的動力學性能就會發生改變，產生的振動和噪聲信號可以反映機器內部狀態變化，通過測量振動、噪聲信號來監測機器狀態變化，并在此基礎上診斷原因、部位、程度、性質和發展趨勢。

　　參數法和振動法應用到同一對象時，側重點是不相同的，哪一種方法更有效，則應視故障原因，然而往復壓縮機是一種結構和運動方式較為復雜的機械，如果單獨采用一種振動法，很難滿足需要，實際的故障分析診斷是從故障現象到故障原因的過程，而且對某些故障原因所表現的故障征兆，既可以反映在熱力參數的變化上，又可反映在機器的動力參數變化上。即故障現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，也可能是活塞環磨損導致泄漏等原因造成的。因此把參數法與振動法相結合分析診斷，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確診故障。這就需要借助較完善的故障診斷裝置對往復壓縮機的性能參數和振動同時進行監測，進而為診斷人員提供較全面的診斷依據。

　　2. 故障診斷標準

　　在故障診斷中，標準是判別設備狀態的準則和規范，不管使用什么診斷方法，都需要依據相應的標準。然而，往復機械的振動標準遠不如旋轉機械的振動標準那么成熟，這是因為往復機械在工作過程中有不平衡力的存在，其大小、頻率隨氣缸數、氣缸排列方式的不同而不同，激勵源多的特點導致機器的性能參數與振動也各具特點，即使是相同的設備，由于安裝條件、現場環境和負荷變化等條件的不同，采用絕對統一的標準也是不可靠的。因此，根據目前的常用標準，機組應該從自身出發，參考絕對標準，逐步積累狀態數據，建立設備診斷的相對標準，同時在具備條件時，結合類比判定標準對同規格型號、同運行狀況的若干設備進行對比判別，并在三種標準結合應用的基礎上尋求機組狀態判定的新標準。

三、狀態監測系統

　　故障診斷參數法和振動法的結合，故障診斷標準的完善和綜合應用，關鍵是獲取設備各部件足夠的運行狀態信息。借助于往復壓縮機狀態監測系統把診斷方法與診斷標準相結合，對實時和歷史數據運用多種方法進行分析，是掌握設備運行狀態、實現“預知維修”的重要途徑。BH5000R往復壓縮機在線監測系統是針對大型往復式壓縮機開發的集振動、溫度、壓力、撞擊監測和診斷于一體，將機器監測、診斷、報警和預防維修于一體的網絡化信息系統，目前本系統已在中石油各分公司普遍應用。

　　1. 測點布置

　　根據往復壓縮機的主要部件和故障特點，BH5000R往復壓縮機狀態監測系統傳感器布置如圖1所示。熱電阻溫度傳感器粘貼在各氣缸進排氣閥外側閥蓋上，用來監測氣閥溫度。壓力傳感器與氣缸進排氣空間相通，用來監測氣缸內部壓力，位移傳感器安裝在填料函尾部螺栓上，用來監測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，用來監測氣缸振動，速度傳感器置于曲軸箱箱體對角線上，用來監測曲軸箱箱體振動，鍵相傳感器安裝之前需要在機器飛輪上粘貼金屬塊，鍵相傳感器安裝在車間地面上，通過監測金屬塊來監測曲軸轉速并提供采集信號觸發，為所有監測測點提供故障診斷參考。

圖1 往復式壓縮機傳感器布置

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.曲軸箱振動傳感器

　　2. 功能模塊

　　BH5000R客戶端軟件共有13個圖譜分析界面：機組概貌、運行狀態、歷史比較及單值棒圖4個常規圖譜可滿足設備日常巡檢的目的�；钊麠U沉降/偏擺、活塞桿軌跡、振動監測、多參數分析、示功圖、綜合監測、其他參數實時趨勢、其他參數歷史趨勢及活塞桿應力監測9個圖譜用于設備的高級診斷。往復報警查詢、診斷報告、機組月報及廠級報警4個界面實現現場人員對設備運行狀態的查詢和匯報。

　　“機組概貌圖”根據現場機組直觀顯示機組結構及實時測量值等信息。“運行狀態圖”可以顯示活塞桿沉降/偏擺、缸體振動等的實時和歷史趨勢。“歷史比較圖”監測活塞桿沉降/偏擺、缸體振動、曲軸箱振動的趨勢。“單值棒圖”可以清晰地監測測點值相對于“報警線”和 “危險線”的情況。“活塞桿沉降/偏擺監測”顯示活塞環、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部水平、垂直兩個方向的運行狀態。“振動監測界面”對缸體/氣缸缸頭、曲軸箱、電動機主軸、十字頭和主軸軸承進行實時監測。“多參數分析”是對比振動與沉降/偏擺波形，用于對比分析。“示功圖”監測氣缸內工作狀況，通過比較判斷示功圖的形狀，可掌握膨脹、吸氣、壓縮及排氣往復式壓縮機四個工作階段的狀態，從而掌握氣閥、活塞環、缸套和填料函等部件的工作情況。綜合監測界面可以實現所有氣缸號測點的特征值圖譜同時顯示，用于對比判斷出往復壓縮機所有部件的工況。“其他參數實時趨勢圖”用來繪制“溫度”、“撞擊次數”、“壓力”和“流量”的實時趨勢。“其他參數歷史趨勢圖”用來繪制“溫度”、“撞擊次數”、“壓力”和“流量”的歷史趨勢。“活塞桿應力分析”能夠監測活塞桿受力情況。綜合應用這13個圖譜，能夠診斷出氣閥、活塞組件、曲軸及輔助系統等的故障，見下表。

狀態監測系統診斷故障表

四、診斷系統的應用

　　1. 診斷方法、標準在系統中應用

　　BH5000R狀態監測系統根據API618和機組實際情況建立絕對標準，在機組概貌圖和單值棒圖中設報警值和危險值，監測氣閥溫度、動態壓力曲軸箱振動、缸體振動、活塞桿沉降和水平位置相對于報警線和危險線的情況，一旦發生測量值超過設定值，將自動報警，如機組概貌圖中的實時測點數值報警時將由正常狀態下的白色顯示變成黃色報警或紅色危險顯示。在歷史比較圖中，可以實現設備同一部位的測量值在不同時間段的趨勢進行整周期對比觀察，從而應用相對標準對機器狀態進行判定，如在監測氣閥溫度趨勢過程中，可以自由選擇時間段內溫度的趨勢圖，溫度變化的具體情況一目了然。在運行狀態圖中，可以實現同一設備中不同部位的測點值在同一時間段的趨勢圖和整周期的波形圖進行查看，方便熱力參數法和振動法的綜合應用，這一功能尤其適用于既反映在熱力參數又表現在機器振動的故障。

　　另外，對同規格型號同運行狀況的若干臺機組可以根據系統直接生成歷史數據報表，采用類比判別標準進行設備異常的診斷。

　　2. 診斷案例

　　某平臺C—3402B型機組是由電動機驅動，為兩級四缸雙作用臥式平衡型壓縮機組，被壓縮介質為氫氣，該機組經常由于活塞環磨損等故障頻繁停車檢修，這給企業帶來了很大的安全隱患和經濟損失。該機組于2009年4月裝上了5000R狀態監測診斷系統，系統對四缸所有進排氣溫度、活塞桿沉降、缸體振動以及曲軸箱振動信號進行綜合監測，通過客戶端軟件對機組進行性能分析，以確定設備運行狀況，為合理調節參數提供依據，監測、分析診斷設備是否異常，其氣缸編號如圖2所示。

圖2 狀態監測系統

　　2009年10月30日以前，該機組所有測點值的絕對值與相對趨勢都處于較穩定水平。在30日15時08分時，4#氣缸內活塞桿沉降量發生突變，沉降量從-300μm突變到了-560μm，BH5000R系統機組概貌圖與單值棒圖發生報警。通過系統運行狀態圖模塊把活塞桿沉降圖、缸體振動趨勢和曲軸箱振動狀態圖在同一時間段進行比較(見圖3)，明顯發現該缸的殼體振動峰值從活塞桿沉降異常點開始由60m/s2突變到120 m/s2，曲軸箱振動水平也突然增加。應用歷史比較圖模塊功能，把兩個周期內缸體振動異常波形與歷史波形進行比較(見圖4)，發現沖擊的峰值從59.61m/s2增加到134.9m/s2。綜上分析，可判斷為4#氣缸支撐環發生斷裂。

圖3 運行狀態

圖4 歷史比較

　　2009年11月2日，現場檢修人員對該機組進行了解體檢修，發現4#氣缸支撐環已經發生明顯斷裂，與監測系統診斷結果吻合。更換了所有4#氣缸的支撐環，機組再次開車，穩定運行后工作恢復正常。

五、結語

　　往復壓縮機的故障診斷是研究的熱點和難點之一。本文參考診斷常用標準，綜合往復壓縮機的常見故障和分析診斷方法，以往復壓縮機狀態監測系統為最終手段，實現了現場機組的正確診斷，證明了狀態監測系統的有效性和實用性。