往复压缩机气阀故障混合诊断方法研究

往复压缩机气阀故障混合诊断方法研究

发表时间：2018-12-18T10:01:00.073Z 来源：《基层建设》2018年第33期作者：秦琦

[导读] 摘要：往复压缩机在石油石化行业中应用广泛。

重庆建峰工业集团检修分公司重庆 408601

摘要：往复压缩机在石油石化行业中应用广泛。其中气阀承担着输送介质的重要任务，需要频繁开启，易出现故障，因此分析气阀故障信息对机组安全运行非常重要。由于气阀阀片薄板结构及周期性冲击力造成气阀高频振动，产生信号冲击和调制现象。往复压缩机的多分量调幅调频振动信号包含气阀故障信息，对振动信号有效分析可以诊断气阀故障。然而往复压缩机振源复杂，干扰因素众多，机组故障点被隐藏于干扰因素当中，造成往复压缩机故障诊断困难。

关键词：往复压缩机；气阀故障；混合诊断方法；

往复压缩机故障多发的部位基本上是由动力传递部分、气体进出及其密封部分及辅助部分3大部分组成。导致往复式压缩机故障的各种因素所占的百分比气阀是往复式压缩机故障率最高的部件，由气阀原因导致的压缩机故障约占故障总数的36%。

一、研究现状

往复压缩机是工业上应用量大、面广的一种重要通用机械，其故障诊断比较复杂，对于其故障诊断技术的研究一直以来都得到了国内外学者的广泛关注。例如，在国外，美国学者曾经利用气缸内侧的压力信号图像判断气阀故障及活塞环的磨损；捷克学者根据对千余种不同类型的压缩机建立了常规性参数数据库，确定评定参数，以判断压缩机的工作状态等。在国内，有些专家对往复压缩机的缸盖振动信号进行过简单的分析，也有人在缸盖振动信号对缸内气体压力的影响方面进行过研究，尤其是近几年来，人工智能领域的专家系统和神经网络技术在往复压缩机故障诊断方面的应用以及一些专家学者对压缩机的常规性能参数的监测和控制方面所做的工作，目的都是为了改变目前压缩机操作人员用耳听、眼看、凭借经验判断故障的局面。然而，由于往复压缩机结构复杂、激励源多等特点，鉴于当前研究现状以及上述研究资料表明，计算机技术的不完善和人工智能领域的专家系统和神经网络技术的初步使用，使得故障诊断技术目前还只是处于第3阶段的整理完善和向第4阶段的过渡时期，至今尚无一套像旋转机械那样成熟的、得到人们普遍认可和广泛应用的诊断系统，以供选择并获得往复压缩机工作状态的有效特征参数。仅仅采取先凭经验或设想去确定和试凑特征参数，然后再进行实验验证的方法是不充分的，且不能找出最优特征参数，离实际应用还存在一定距离，这同往复压缩机在工业中的重要地位是不相称的。

二、往复压缩机气阀故障混合诊断方法

1.气阀故障机理。在大型往复压缩机中，环状气阀使用最为普遍。环状阀属于自动阀，即气阀开启与闭合不是由专门机构来操纵，而是靠阀门两侧的压力差来实现。环状阀由阀座、升程限制器、阀片、缓冲片、弹簧、气阀螺栓和螺帽等组成。阀片是气阀的关键件，在吸气或排气的结束，起关闭气流通道的作用，与阀座一起形成密封结构；阀座是气阀的主体，它与升程限制器一起构架了气阀组件的空间，在吸气或排气的结束起关闭气流通道的作用；升程限制器对阀片具有导向及限制升程的作用；弹簧的作用是在升程中缓冲阀片与升程限制器的撞击，在回程中辅助阀片自动复位并保证密封。锈蚀、积碳和磨损等会造成阀座密封面失效，导致气阀泄漏等故障发生。升程限制器升程过小，气体通道截面小，降低压气效率，升程过大，阀片冲击大，影响阀片寿命。阀片失效的主要形式是变形与折断，阀片的失效几乎全部都与弹簧的失效（折断或严重锈蚀）有关。弹簧的失效，引起阀片工况的变化，阀片受力不均，开启、闭合冲击力变大，可能使阀片在短时间内变形或断裂。阀片工作时要承受交变与冲击载荷，需要有较高的硬度和足够的韧性抗疲劳的能力。阀片发生故障会导致气体通道不能正常开启与关闭，因而造成气体泄漏与回流，造成压缩机吸、排气温度及压力变化；而阀片碎片进入气缸将对活塞—气缸体系造成严重破坏，导致拉缸等严重故障发生。

2.气阀故障诊断。气阀故障诊断常用4 类信号进行故障分析：温度

信号、振动信号、压力信号、噪声信号。一种信号由于监测不同机组部位，又可分为多种类型，比如温度信号就可以分为吸、排气腔温度、缸内气体温度、阀体温度和缸体温度等信号。由于4 类信号对于气阀故障诊断效果不同，因此对于不同的机组情况及诊断需求，应合理选择4 种信号中的一种或者几种类型。用于气阀故障诊断较为理想的信号包括气缸振动信号，气缸缸内压力信号，吸、排气腔温度信号。这里故障诊断采用气缸振动信号和吸、排气腔温度信号用于气阀故障监测与诊断。获取这2 种信号使用的传感器安装便利，易于工程实施；吸、排气腔的气体温度变化不大，容易测量，而且对故障的反应较为敏感；气缸振动信号中有明显的冲击成分，冲击信号的变化可以有效地反映气阀运行状况。同时，将监测振动的加速度传感器安装在十字头部位既可以正常监测气缸振动，也可以有效监测十字头运行状况。由于石化企业很多老式往复压缩机设计时没有在气缸预留压力传感器安装孔，压力传感器安装不便，因此不采用气缸缸内压力信号作为监测诊断信号。

3.阀片断裂故障诊断。某企业由电机驱动的6 缸M 型卧式往复压缩机，介质为氢气，气阀采用环状阀。该机组4#气缸十字头部位安装加速度撞击传感器，监测到振动峰值开始有明显上升趋势，同时4#气缸气阀阀盖部位安装温度传感器监测吸气腔内温度出现升高趋势。状态监测系统针对气阀故障监测在气阀阀盖部位安装温度传感器监测气阀吸气腔、排气腔温度，在十字头部位安装加速度传感器监测十字头及缸体振动。（1）4#缸外吸温度4 开始有升高趋势，其它3 个吸气阀监测温度无明显变化，此时4#气缸十字头部位振动只有微小增大，没有表现出异常振动，可以判断23 日开始，4#气缸外吸温度2 气阀已经出现一些故障，但问题表现不明显。（2）气阀温度趋势图分析：4#气缸外吸温度2，外吸温度4 都开始明显升高，外吸温度2 达到55℃，外吸温度4 达到95 ℃。分析后认为：吸气阀漏气，气缸排气阶段经过压缩后的高温高压气体通过故障吸气阀进入吸气腔，到下一个循环的吸气过程，出现故障的吸气阀吸入上一循环漏入吸气腔的高温高压气体，导致外吸温度2、外吸温度4 吸气温度异常升高。（3）缸体振动趋势图分析：4#气缸振动出现明显增大趋势，该机组4#气缸正常运行状态时，振动峰值值为50 m/s2，10月6 日振动峰值达到111 m/s2，并且有持续上升情况，最高振动值达到250 m/s2。该机组4#气缸正常工作时振动波形图，横坐标角度为曲轴转动角度，0°表示活塞外死点（即活塞离曲轴旋转中心最远距离处）。根据往复压缩机工作原理以及该机组运行状况可知：正常运行状况下，4#气缸盖侧吸气阀在曲柄转角达到50°左右时开启，在振动波形上表现为冲击增大，峰值大约60 m/s2，轴侧吸气阀在曲柄转角达到230°时开启，在振动波形上表现为冲击增大，峰值大约40 m/s2。缸体振动冲击值结合气阀温度趋势图分析可以初步判定气阀阀片断裂、变形等故障可能性较大。

往复压缩机气阀阀片断裂故障特征在气阀温度和缸体振动波形上都会有比较明显的体现，但由于此时故障一般已经达到晚期阶段，如果不能及时对故障进行排除一旦碎片掉入缸道可能会导致活塞损坏或拉缸等严重问题。通过对往复压缩机故障诊断分析，验证该方法的有