往复式氢气压缩机振动监测及减振措施

往复式氢气压缩机振动监测及减振措施
摘要：往复式压缩机在石油化工、天然气输送管线等领域有着广
泛的应用，其中，以电机为动力的活塞式氢气压缩机是加氢装置的核
心设备。

本文针对往复式氢气压缩机的振动问题，分析了压缩机及其
附属管路的振动特性，采用在线监测和故障诊断技术，实现对往复式
氢压机的振动监测，并提出相应的控制措施，确保压缩机的长期稳定
工作。

关键词：往复式压缩机振动措施监测
引言
加氢工艺要求温度高、压力大，往复式氢气压缩机在该领域有着
无可替代的地位，但同时也存在着振动复杂、故障率高、运行周期短
等问题。

尤其是在机组运行过程中，若不能得到及时的检测和处理，
将会造成高压、易燃、易爆等危险气体的泄露，从而引发火灾和爆炸。

因此，研究并掌握往复氢压缩机的振动机理，监测其工作状态并消除
其振动，是保证其安全、稳定、长期运行的关键。

1往复式氢压机的工作机理
往复式压缩机的主体部分包括：机体（曲轴箱），曲轴，连杆，
十字头，中间连接体，气缸，活塞，活塞杆，填料，气阀等。

其工作
原理为：通过活塞在汽缸中的往复运动和气门的对应打开和关闭动作，使得汽缸中的气体完成膨胀，吸气，压缩，排气四个过程，持续地进
行循环，将压力较低的气体增压排放出去。

往复压缩机工作压力范围
广，但结构复杂，易损零件多，气流波动大，振动复杂。

往复压缩机
的运动部件是其工作原理和易损件。

根据不完全统计，在压缩机的失
效中，阀的故障约占40%，而活塞和填料组的故障约为30%，而传动
件包括活塞杆、十字型、大、小瓦和曲轴的故障则约占总故障的20%。

2状态监控系统
BH5000系统拥有丰富的分析图，能够为设备的管理、运行和维护
人员提供丰富的、专业的机组状态解析图，能够对机组的运行状况进
行精确的把握，并对其进行故障判断。

2.1BH5000传感器的主要监测参数及工作原理
(1)活塞杆的沉降：利用电涡流传感器测定了活塞杆的沉降位移，
单位为um。

主要用于检测活塞支承环、活塞环的磨损问题、磨损程度以及交叉头的检测。

电涡流传感器：利用电涡流效应，对被测对象和
探针端面之间的相对位置进行检测。

该方法通过在传感线圈上施加高
频电流，在传感线圈上形成交变磁场，利用电涡流的作用，使被测对
象的表面形成一个反向的电涡流，从而引起传感器线圈阻抗的变化。

在较小的间隙内，电涡流会增加，阻抗也会增加，而传感器的输出电
压也会随之降低；相反，从传感器输出的电压信号会增加。

这样，电
涡流传感器就可以输出一个与被测量对象的位移成比例的电压。

(2)冲击信号：在十字头上设置一个加速度传感器，用于探测十字
头因冲击而产生的震动，例如十字头松动，液体进入气缸，连杆轴瓦
间隙太大，气门松动等。

压电加速度传感器：通过压电陶瓷、石英晶
体等材料的压电效应，使其受到的压力发生改变，并通过晶体形变来
获得振动加速度。

(3)外壳振动：在曲轴箱外壳上装有压电速度传感器，对曲轴、连杆、活塞等旋转部件产生的振动进行检测。

(4)气阀温度：在各气门阀帽上装有热电阻温度传感器，用于测定气阀的温度。

在阀门工作过程中，如果有一个阀门出现了故障，系统的温度就会上升，从而实现对阀门的故障监控。

2.2气体阀门的监测与故障判定
根据不完全统计，在所有的压缩机故障中，气阀是控制进气和排气的主要元件，也是往复压缩机中最容易出现故障部件，所以准确地判断气阀的故障非常重要，尤其是确定气阀的具体故障，对提高维修效率具有决定作用。

在活塞从汽缸的内止点到外止点、再到内止点这一运动循环中，每一个气缸的进、出气阀的工作时间都是不同的，所以，在一个运动循环中，每一个气阀的大致工作时间点都是确定的，再加上振动波形图，就可以很容易地确定到底是哪一个气阀故障。

2.3压缩机壳体的振动监控
若曲轴箱两侧箱体的振动值超过规定，且在整个循环期间其数值保持不变，则可判定为该机组的旋转及传动设备的故障。

产生的原因可能有：1.曲柄瓦磨损或空隙过大。

2.连杆的尺寸瓦头磨损或空隙过大。

3 十字头销钉与轴套之间的磨损和空隙太大。

4.活塞连杆上的十字头和连杆的连接不牢。

5.曲轴箱主轴瓦螺栓，连杆大头瓦螺栓，十字头螺钉等的松脱或断裂。

此时需要停车，拆卸，检修，以免继续运转造成重大事故。

3活塞式氢压气机管路减振措施
3.1往复式氢气压缩机管道振动分析
往复氢压缩机管路的剧烈振动具有较大的危害性，它会导致压缩
机的容积效率下降，排气量减少，机组功率损耗、气阀和控制设备的
损坏，更重要的是，管路和配件的连接处会出现松动和断裂，给设备
的安全稳定运行带来极大的危险，特别是氢气这种易燃的介质，很容
易导致氢气泄露引发火灾和爆炸。

从活塞式压缩机的工作原理出发，
分析了管道的强迫振动。

管道振动的成因，按其所受的激励可归纳为
三类：(1)管道因设备的振动而产生的振动。

(2)管道因空气流动而产
生的振动。

(3)当单元激振频率与管道内空气柱自振或管道机械自振
频率相一致或相近时，管道产生谐振，从而产生管道振动。

3.2往复压气机管路的振动控制措施
通过对管道振动的分析，减振措施要从两个方面考虑：一是减少
管道的脉动，也就是减少管道中的流体压力；二是在管道中增设约束
支承，使其能够更好地吸收振动能量。

结果表明：氢压机出口管道的
前段自振频率对管道的振动有很大的影响，尤其是一、二阶振型。

在
管道自振频率为0.8-1.2倍时，管道将发生共振，从而导致管道的振
动振幅增加，破坏力也增加。

为了防止谐振对管道的损伤，必须使外
部干扰的频率与管道的自振频率保持一致。

为保证设备的安全运行，
就要对管道支架进行改造。

将管道支座设置于最大振幅处，可有效地
吸收振动能量，降低管道的振动。

根据现场实际情况，给出如下减振
措施。

(1)在出口管地面局部位置增设一种能支承、限制管道各方向位移、起到调整作用的支架，保证出口管与压缩机主体的刚性一致。

(2)把原来的管道支座更换成弹性减震橡胶墩，对管道的振动进行
抑制。

(3)对于由于空气流动而产生的管道振动，可以通过在适当的法兰
上增设孔板来减小管道内的不均匀度，或者在管道上增设缓冲槽，通
过缓冲槽的体积减小压力不均匀度。

(4)若激振频率在空气柱自振频率的谐振区段内，就会产生共振。

气柱体系的自振频率与介质的声速、气体柱长有关，如果介质恒定，
则其声波速度是恒定的，只有通过改变气柱体系的长度即管道的长度，才能改变减小共振。

(5)若激振频率在管子的机械固有频率范围内，就会产生共振。

用
有限元法和模态法来算出管道的固有频率，来判断是否发生共振。

在
工程实践中，通常采用的方式是通过调整支脚的位置及数量，使管道
的自振频率发生变化。

4结语
企业的设备管理和维护人员及各岗位的操作者都要熟知设备的温度、振动、振动加速度以及活塞杆沉降探针的工作原理及安装位置，
这对了解整个系统的工作原理、机组监测及故障判定具有重要意义。

通过对往复氢气压缩机的管路振动的研究，制定有效的减振方法，即
可以实现机组的长周期的稳定运行，也可为企业节省大量的维修成本。

参考文献：
[1]宋天民.石油化工机械.北京：中国石油化学工业出版社，2000
年10:145-147.
[2]江志农，等.往复压缩机的故障检测与诊断方法.北京：科技出版社，2008:8:142-151.。