往复压缩机状态监测与故障诊断技术综述

张春生

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

往复压缩机是石油、化工等流程工业中广泛应用的一类通用机械，具有适用压力范围广、压缩效率高、适应性强等特点。近年来，由于往复压缩机组经常发生活塞杆断裂甚至机组爆炸等严重事故，其安全稳定运行越来越受到重视。

1.机械故障诊断技术的发展

机械设备故障诊断技术的发展大致可分四个阶段。

（1）第一阶段是在19世纪，当时机器设备本身技术水平和复杂程度都很低，因此采用事后维修方式。

（2）第二阶段是进入20世纪后，随着大生产的发展，机器设备本身的技术复杂程度也有所提高，设备故障或事故对生产的影响显著增加，这种情况下，出现了定期预防维修方式。

（3）第三阶段是从20世纪60年代开始，特别是70年代，设备诊断技术随着现代计算机技术、数据处理技术等发展，出现了更科学的设备状态维修方式。

（4）第四阶段是进入20世纪80年代以后，人工智能技术和专家系统、神经网络等开始发展，并在实际工程中应用，使设备维修技术达到了智能化高度。虽然这一阶段发展历史并不长，但已有研究成果表明，设备智能故障诊断具有十分广泛的应用前景。

目前，国内外诸多科研机构、大专院校及企业都对往复压缩机故障诊断技术进行研究。以GE Bently、Prognost、贺尔碧格为代表的国外企业已经开发了可工业化应用的往复压缩机在线监测系统，能对活塞杆载荷、汽缸动态压力等信号进行监测。在国内，西安交通大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等高校都对往复压缩机故障机理进行了深入研究，并开发了一些在线监测与分析系统。值得一提的是，由北京化工大学科研团队开发的BH5000R往复压缩机在线监测系统可靠性和实用性完全达到了工业化应用的要求。

2.往复压缩机常见故障与机理

目前往复式压缩机的常见易损构件包括气阀、活塞环、填料函、大小头瓦、活塞杆等，其中气阀故障占到60%以上，而活塞杆断裂则会引起重大事故。机组部件常见故障及其机理如下。

（1）气阀部件故障包括气阀泄漏、气阀卡塞、阀片断裂等。鉴于往复压缩机间歇性吸排气的工作特点，气阀阀片在开启与关闭过程中与升程限制器及阀座间的撞击不可避免。以曲轴转速为300r/min的往复压缩机为例，单个阀片1min内受到的冲击次数至少为600次。如此高频率的冲击，阀片所受的交变应力显著，由此引发各种气阀故障，缩短气阀寿命。

（2）活塞部件故障包括支撑环断裂、支撑环严重磨损、活塞环泄漏等。活塞部件是往复压缩机的核心部件，其故障将严重影响机组的工作效率。支撑环具有自润滑性能，起支撑活塞的作用，在活塞往复运动中与缸套相互摩擦受力。活塞环起密封作用，受径向气压力的作用，活塞环与缸套也会存在摩擦。

（3）传动部件故障包括活塞杆断裂、连杆螺栓断裂、大小头瓦磨损、曲轴瓦磨损等故障。传动部件主要包括曲轴、连杆、十字头，活塞杆等。作为往复压缩机重要组成部分，其中任何一部件发生故障，整个机组都会受到影响。连杆大小头分别与曲轴和十字头相连，通过连杆将曲轴的转动转化为十字头和活塞杆的往复运动；活塞杆则与十字头和活塞相连，直接带动活塞往复运动。传动部件中易导致重大故障的是活塞杆。在往复惯性力和气压力作用下，活塞杆不断受到拉、压交变力的作用，在螺纹及表面材料不佳处易形成裂纹，严重时则导致活塞杆断裂，甚至机毁人亡。

（4）管道故障包括气流脉动、气柱共振、管路机械共振等。引起往复压缩机管道振动的原因一般有两种：一是由于运动部件的动力平衡差或基础设计不当；二是气流的压力脉动引起。生产中遇到的管道振动绝大多数是由气流脉动引起。若管道设计不合理，脉动频率与管道结构固有频率及管道内气柱固有频率相近时就会引发强烈共振。

（5）辅助部件故障包括冷却系统、润滑油系统、填料函泄漏、气体过滤装置。辅助系统作为往复压缩机重要组成部分，其故障也不可忽视。如冷却系统、润滑油系统故障将会导致机组磨损迅速恶化；气体过滤装置故障会引起大量杂质进入气阀、缸体内部，迅速缩短气阀、缸套、支撑环等寿命。

3.往复压缩机故障诊断技术

随着科学技术的发展，通过网络实时监测压缩机组运行状态成为可能。目前，我国的机械故障诊断技术正由事后维修向故障预知维修发展，对机组运行状态进行实时监测必不可少。目前，国内在用的状态监测系统主要包括以下监测诊断手段。

（1）活塞杆位置监测。以活塞杆沉降与偏摆传感器监测活塞杆运行轨迹，反映活塞杆在往复运动中波动的状态。一方面，支撑环的磨损会引发沉降量的变化；另一方面，十字头的工作状态也会影响活塞杆沉降与偏摆信号；此外，活塞杆紧固螺栓松动会引发活塞杆跳动。

（2）十字头冲击振动监测。在十字头上方安装加速度传感器，可监测汽缸内的冲击振动，包括缸套磨损、气阀损坏、汽缸进入异物等引发的振动；也可对十字头滑道磨损、大小头瓦磨损、连杆螺栓松动、断裂等故障进行诊断。

（3）气阀温度监测。对气阀泄漏这样振动信号不明显的故障，通过振动信号无法进行有效诊断，对气阀加装温度传感器，可监测气阀温度趋势。通过温度趋势变化，温度异常气阀数量可诊断气阀泄漏、冷却系统异常、阀片断裂等故障。

（4）汽缸动态压力监测。由于对往复压缩机加装动态压力传感器要求较高，同时，压缩机本体带有示功孔的机组不多，所以现场安装动态压力传感器的机组很少。但是，作为对机组进行诊断最有效的方法之一，汽缸动态压力监测的作用不可忽视。对活塞环泄漏、汽缸余隙容积过大、气阀泄漏等故障，汽缸动态压力监测是最直接和有效的途径。

（5）曲轴箱振动监测。往复压缩机曲轴箱与每个汽缸都相连，任何汽缸出现异常，故障都会在曲轴箱上有所体现。同时，曲轴瓦磨损作为往复压缩机常见故障之一，通过监测曲轴箱振动对其进行诊断也是有效途径。目前，往复压缩机连锁保护均使用曲轴箱振动作为信号源。

4.在线监测系统现场应用

以中海油天津分公司辽东作业区的一台两缸卧式往复压缩机组为例，对在线监测系统的应用及效果进行说明。该监测系统型号为BH5000R往复压缩机在线监测系统。

该机组压缩介质为天然气，额定转速为900r/min，系统安装后，对机组气阀温度，缸体冲击振动，活塞杆沉降等信号进行实时监测。2011年5月，分析系统上线后机组运行情况，发现两个汽缸的缸体振动峰值相对较大，且存在一定波动。振动历史趋势图见图1。

分析缸体振动波形，发现1#缸缸体振动在曲轴转角30°与220°左右存在较大冲击；2#缸缸体振动在曲轴转角200°与300°左右存在较大冲击。根据往复压缩机气阀开启角度可确定，1#缸、2#缸的缸体振动峰值较大的原因是气阀开启过程中，受气流脉动影响，阀片与升程限制器、阀座发生强烈碰撞。具体振动波形见图2、图3。

在机组未来运行过程中，需对两缸缸体振动变化趋势密切关注，同时关注气阀温度变化情况，及时掌握机组气阀工作状态，合理安排机组检修。

5.发展趋势

往复压缩机故障诊断将朝着网络化、智能化及多源信息融合化方向发展。

在网络化实时在线诊断方面，应重点研制适合往复式压缩机故障诊断的专用新型集成化传感器和观测器，寻找各振动信号间相互交叉影响最小的最佳测点，利用现代信号处理方法以及智能理论等实现故障的自动诊断。

智能化方向上，随着专家系统、人工神经网络的迅速发展，实现故障的自动诊断成为可能。目前，国内外相关单位正在对往复压缩机故障诊断专家系统做深入研究，同时，充分利用神经网络等算法的自学习能力对历史数据进行数据挖掘也是研究的重点。

目前上线的往复压缩机状态监测系统更加关注机组部件的工作状态，忽视了机器运行过程中的过程量及过程参数。未来，将吸排气量、填料温度、冷却水温度、轴承温度等过程量引入监测系统，并深入研究不同数据与故障间的内在联系，实现机组的多源信息融合，将会大大提高往复压缩机故障诊断准确率，防范重大事故的发生。

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