往复式压缩机活塞杆载荷分析及其应用

往复式压缩机作为石化行业的大型机组，是一种使用量大，涉及面广的通用机械。

由于往复式压缩机运动零件多，激励源多，干扰大，同时存在曲轴的旋转运动和活塞杆的直线运动2种形式，在不同的使用条
件下会表现出不同的故障问题。

例如活塞杆断裂、连杆小头衬套烧损等问题与活塞杆载荷大小及方向关系密切，对活塞杆载荷计算能够间接地分析往复机气阀泄漏问题。

因此，活塞杆载荷的核算与分析是往复活塞压缩机设计的一项重要工作，在故障诊断中可以作为一项分析依据。

1 反向角理论分析
往复式压缩机在任何运行状态下，活塞杆及所有传动部件都受压力或拉力，与十字头相连结的十字头销压在连杆小头衬套的一侧，而另一侧与衬套有微微的脱离，出现了间隙。

润滑油在压力作用下充分流入间隙，使十字头销和连杆小头衬套得到润滑和冷却。

如果只受拉力或者压力，十字头销总压在连杆小头衬套的一侧，受压一侧将始终没有与衬套脱离，也就没有间隙，因此就得不到润滑和冷却。

在活塞杆往复运动过程中，活塞杆受力的方向必须改变，使连杆小头衬套两侧轮流得到冷却和润滑，这就是“负荷反向”[1]。

负荷反向使得活塞受力正负交替，且必须保持一定时间，这个反向作用持续时间所对应的曲柄角度，称为反向角[2]。

如果没有活塞杆负荷反向或足够大的反向角，十字头销及连杆小头衬套会在短暂的运行时间里产生高温损伤。

当曲轴处于任意转角时，气体力F g、往复惯性力I和往复摩擦力F r合成的综合活塞力F p。

当综合活塞
力指向气缸侧时十字头销紧压在连杆小头衬套的气缸侧，如图1所示。

十字头销和连杆小头衬套在曲轴侧得到润滑和冷却；当综合活塞力反向指向曲轴侧时，十字头销紧压在连杆小头衬套的曲轴侧，十字头销和连杆小头衬套在气缸侧得到润滑和冷却，如图2所示。

可见，只有当反向角足够大时，才能让十字头销和连杆
小头衬套两侧得到充分的润滑和冷却。

图1 综合活塞力指向气缸侧
图2 综合活塞力指向曲轴侧
2 应用实例
2.1 诊断步骤
基于活塞杆载荷分析的往复式压缩机故障诊断过程可以按照以下步骤进行：
（1）活塞杆受力分析。

利用状态监测系统采集的数据可以得到曲轴旋转一周时活塞杆所受的气体力、往复惯性力及综合活塞力3条负载曲线。

该过程需要准确测量缸内压力和曲轴转角，这是确保综合活塞力准确的关键。

（2）故障诊断。

通过曲柄转角—受力曲线图，读出反向角的大小。

通过反向角的大小和受力情况对往复式压缩机进行故障诊断[3]。

2.2 测取压力信号及曲轴转角
综合活塞力主要来自气缸内的气体压力。

所以压力信号的准确程度直接关系到最终的分析结果。

符合API618标准生产的压缩机都会在压缩缸两端预留压力测试孔。

目前使用的压缩机由于年代较早，并未预留压力测试端口。

为了能够监测缸内动态压力，得到压缩机的真实示功图和真实性能，并以此进行活塞杆受力分析，以实际生产工艺的压力、气体组分等参数为
往复式压缩机活塞杆载荷分析及其应用
蔡国娟 山崧
中国石油化工股份有限公司天津分公司 天津 300270
摘要：介绍了反向角的定义，提出一种基于活塞杆载荷分析的往复式压缩机故障诊断方法。

通过反向角和活塞杆受力曲线判断十字头销和衬套的润滑状态，并根据活塞杆所受拉力及压力的大小变化分析气阀的工作状态。

通过诊断实例验证了此方法的有效性。

关键词：往复式压缩机 活塞杆 载荷 反向角 泄漏
Load Analysis and Application of Reciprocating Compressor Piston Rod
Cai Guojuan，Shan Song
Tianjin Branch，China Petrochemical Co.，Ltd.，Tianjin 300270
Abstract：The definition of reverse angle is introduced，and a fault diagnosis method for reciprocating compressor based on piston rod load analysis is proposed. The lubrication state of the cross pin and bushing is judged by the reverse angle and the force curve of the piston rod. The working state of the valve is analyzed according to the variation of the tension and pressure on the piston rod. The validity of this method is verified by a diagnosis example.
Keywords：reciprocating compressor；Piston rod；load；Reverse angle；Leak
（下转第61页）
算储量时，北、东、南三个方向均已控制，构造轴部钻井较多，钻遇油层一般为2m左右，目前均已水淹关井，进一步分析发现潜31构造西部油水边界推算在王63井附近，该井由于物性较差，仅采油586t，于1985年关井，但未见边水，位于王63东北方向的王14-8井钻遇潜31油层3.2m累积产油高达8.9万t，后因井下事故而伢产，关井前日产液达40t，日产油3t，尽管王14-8已经高含水，但通过对该井特征分析，认为油井出水应为高部位王13-6、王15-8井注入水，同时根据该井水样分析认为在构造西部低部位应存在砂岩发育带，因而部曙滚动探井王63-1井，2002年5月完钻，钻遇油层17.8m/2层，投产下部8m，日产油30t，后投产的王63-2，王63斜-4井日产油也在30t以上。

从而使区块新地质储量63万吨，新增可采储量28万t。

3.4 在剩余油富集区钻调整更新井
我们通过分析认为三南区块在高部位和高产报废
井附近还存在剩余油，因而2002年我们在高部位钻了一口新井王12-5B，日产油达3.4吨。

4 几点认识
（1）油田进入开发后期应加强剩余油分布的研究，及时钻调整更新井补充油田产量递减。

（2）随着现代工艺技术的发展及地下油水分布的变化应对以前的报废井进行复查利用。

（3）对地层压力较高的，生产层位较多的井，在不适宜卡堵水的情况下，应考虑降压开采。

（4）充分利用新技术对油藏重新认识滚动扩边，寻找新的储量。

参考文献
[1]江汉油田采油通迅2002年第1期.
[2]改善高含水期油田注水开发效果的实例[J].北京：石油工业出版社.
基准，设计加工生产带中空阀杆的专用阀片，在阀盖部位安装专用示功阀。

然后再将动态压力传感器安装在专用示功阀上，可以获取缸内气体的动态压力。

2.3 实例分析
以某台往复式压缩机为例，安装状态在线监测系统，建立活塞杆所受合力、气体力、惯性力与曲轴转角的对应关系实时曲线图和压缩机示功图。

该往复压缩机介质为氢气，压缩机转速300r/min，两级四列对称平衡型机组。

在某一时间节点时发现1#压缩缸活塞杆
受力曲线图如图3所示：
图3 活塞杆载荷与曲轴转角对应关系曲线
从图3中可以看出惯性力基本正常，反向角有180度，满足十字头销与连杆小头衬套充分润滑、冷却的需要。

但是活塞杆所受气体力与惯性力的合力（红色）有所偏移，活塞杆所受拉力的角度186度多于所受压力的角度171度，且活塞杆所受拉力的最大值与所受压力的最大值相差300kN左右，说明十字头销和衬套接触部位的两侧润滑和冷却状况有较大差异，往复式压缩机的工作状态有异常。

从图3中还可以看出活塞杆所受合力曲线过渡不圆滑，出现折点，说明气体力出现异常。

本台压缩机为双作用气缸，当曲轴侧气体被压缩的过程中，活塞杆拉力应该逐渐增大，但是图3中显示拉力值上升缓慢，说明曲轴侧气体力不足，反映出曲轴侧吸气阀有泄漏现象。

同理，缸头端气体在压缩过程中，活塞杆压力应该逐渐增大，但是图3中显示压力值增加缓慢，说明缸头端气体力不足，反映出缸头端吸气阀有泄漏现象。

图4示功图中显示缸内压力在上升过程中（压缩过
程），相对理论压力（虚线）上升曲线较慢，这正是
由于吸气阀泄漏所致。

图4 气缸两侧压力对曲轴转角图
同时，由于吸气阀泄漏，在缸内压力的对数图上也可以直观的看到，如图5所示。

可以看到，N（泄漏指数）的比率达到1.23（膨胀指数/压缩指数），其正常范围为0.95~1.05之间，大于1.05为吸气阀泄漏。

从以上活塞杆载荷分析图、示功图以及压力对数图可以看出，往复机吸气阀泄漏是机组故障原因。

通过更换
新的气阀，压缩机故障得以修复。

图5 压力对数图
3 结束语
活塞杆载荷分析中，气体力、往复惯性力、综合活塞力要对应于曲轴转角，并区分正负。

诊断实例表明通过对往复式压缩机活塞杆受力分析，利用反向角大小、受力曲线以及示功图、泄露指数综合判断往复式压缩机工作状态的方法是可行的。

参考文献 
[1] Shiva Prasad. BG Effect of Liquid on a Reciprocating Compressor[J]. Journal of Energy Resources Technology，2002（124）：187-190.
[2] 何振歧. 6HF/3大型往复压缩机连杆与十字头销烧蚀故障分析[J].机械设计与制造，2009（11）：222-224.
[3] 林梅，孙嗣莹.活塞式压缩机原理[M]. 西安：西安交通大学，2006.
（上接第49页）。