往复压缩机气阀故障诊断新方法的应用研究

肖文军，陈凯

（中国石油天然气股份有限公司独石化公司炼油厂，新疆 克拉玛依 834000）

往复压缩机气阀故障诊断新方法的应用研究

肖文军，陈凯

（中国石油天然气股份有限公司独石化公司炼油厂，新疆 克拉玛依 834000）

利用BH550振动监测综合分析检测仪器，拓展应用到对往复压缩机气阀状态监测中，对压缩机气阀振动频谱进行监测对比分析，确定故障频谱类型，判断出气阀故障类型，以提高气阀故障分析准确性，对压缩机气阀故障准确判断具有指导意义。

往复式压缩机；气阀；故障诊断

0 引言

独石化公司炼油厂加氢联合车间共有9台往复式压缩机，其中有6台进口大型往复式压缩机，在这些大型压缩机中，存在许多气阀突发性故障问题，对装置安全平稳生产造成极大影响。为避免气阀突发性故障的发生，提高机组安全性、可靠性，需要提前发现压缩机气阀故障前期故障征兆，在故障发生前做到计划性检修，避免突发性故障对生产造成的冲击。产生气阀故障的原因很多，其中阀片、弹簧、等方面的故障占故障总数的60%以上，也是日常维护检修的主要工作内容（图1）。

图1 压缩机结构示意图

气阀是压缩机承载输送气体介质的关键部件之一，在实际工况中，有两个过程气阀是运动的，是吸气过程和排气过程，随着压缩机转速的不同气阀开启次数也不同，这也确定了气阀阀片的受到冲击频次也不同。气阀开启、闭合等状态产生的冲击载荷会形成有规律振动信号，是一个脉冲过程，因此收集分析气阀固有的冲击信号特征，对异常故障信号特征进行分类验证，就能做到预知性判别气阀的故障，对压缩机长周期运行提供可靠保障（图2）。

图2 气阀结构示意图

BH550离线状态监测综合分析仪具有数据采集、信号处理及分析等功能。该系统采用中间件技术，通过中间件与数据库建立联系，这样可完成故障诊断、故障报警、网络通信功能。

监测人员对采集的气阀加速度及冲击信号进行多种工具应用分析，结合数据库故障特征，就可以判断出气阀的实际工作状态。

目前我厂利用BH550离线状态监测综合分析仪对往复式压缩机气阀进行监测，多次成功进行对气阀故障诊断案例，现场拆检维修验证，表明该监测方法可靠有效，能够为往复压缩机气阀各种故障提供准确指导。

1 确定故障频谱方法

往复压缩机气阀内零运动主要是阀片承受冲击力，其随着压缩机工作往复运动，气阀阀片产生的冲击脉冲信号及振动频率是相对稳定的，完好状况的气阀的振动信号特征可通过初始监测保存下来，作为后期振动及脉冲信号的判别标准，定期的监测和收集异常特征频谱，通过现场压缩机运行状况加以判别分析去除气流、环境、系统管路等影响，对重点分析的信号特征、异常数据等状况，必要时可停机检查验证，以确定故障信号特征，建立故障判别依据和标准。

对压缩机气阀的状态监测，在实际应用中主要通过包络图、趋势图、波形图等分析方法，压缩机压缩气体产生的气体压力作用在阀片上，是瞬时作用力，阀片对阀座和升程限制器的碰撞产生的冲击形成的脉冲振动频率，是相对稳定的，通过阀片运动的加速度和位移我们可以计算出气体力的变化情况，随着加速度的变化，位移也发生变化，气阀在实际工作中就表现出不同的故障频谱，例如气阀阀罩固定顶丝松动通过加速度数据的变化，可以判别分析确认，而阀片断裂、气阀弹簧损坏等，通过包络分析就可以判断出故障。

在实际应用中，首先对压缩机气阀初始状态所具有的特征频谱进行采集保存，制定监测周期，初次应用建议每天1次，周期为3个月。主要把气阀初始状态频谱及冲击频率图谱相对固定下来，做为参考依据。后期为每周2次，按常规要求对气阀进行监测的数据采集，把采集的数据通过系统分析软件，进行各种频谱特征的分析展现，分析人员依据前期初始状态正常气阀的相应频谱进行比对，初步分析出故障范围。由于气阀故障的频谱影响因素较多，因此故障诊断应从多个频谱中分析，从中寻找异常典型的信号数据或频谱特征来判定气阀故障，用多组数据、多种图谱确定故障类型（图3）。

2 诊断分析案列分析

图3 故障诊断过程框图

案例1：80万/年催焦化柴油加氢装置K-101B压缩机，在某时间巡检时，发现循环氢北缸气阀有异响，为准确判别故障，增加了该压缩机气阀的监测频次 ，通过相对集中的监测发现循环氢南、北缸各有两个进气阀监测数据超标，它们分别是：IV/311（循环氢北缸东面进气阀）、IV/312（循环氢北缸西面进气阀）、IV/301（循环氢南缸东面进气阀）、IV/302（循环氢南缸西面进气阀）；IV/101（新氢一级东面进气阀）、IV/201（新氢二级东面进气阀）、IV/201（新氢二级东面排气阀）见图4。

从上述气阀的监测数据看都有上升趋势。以气阀IV311、 IV312举例如图5所示，本月份监测气阀运行加速度值分别为3.8m/s2、5.1 m/s2，次月监测数值已经达到8.8 m/s2、10.1 m/s2。

图4

在上述频谱监测的数据分析中， 压缩机气阀的振动波形图在周期内有上升趋势，在包络波形图如图6所示，与前期初始状态的包络图谱存在很大不同，冲击频谱峰值尖锐密集，说明存在故障特征，压缩机气阀（编号IV/312 IV/302）也存在上述气阀包络波形图相似状况；同时我们也观察到在气阀包络波形图上整个监测周期中，存在一个显著的冲击并且能量相对较大峰值（图7），而编号IV/101 IV/201 IV/201的气阀包络波形也很相似，存在周期内气阀关闭时较大的冲击力峰值，但波形方面没有差异。

依据监测分析的判断，维修人员择机对该压缩机气阀进行检修，拆检发现编号（IV/311、IV/312、IV/302）压缩机进气阀载荷调节器顶杆限位卡簧断裂损坏（图8所示），同时伴随发现有阀片严重吹蚀（图9所示），失去限位的顶杆在外力作用下，产生撞击从而产生包络频谱图的异常峰值，而且与前期监测频谱基本吻合。

图5

图6

图7

图8

图9

案例2：某时间上午，维护检修人员在巡检过程中发现加氢联合直馏柴油加氢装置K-101/B压缩机循环氢缸存在异常声响，通过监测看出南缸两个进气阀加速度监测数据升高（图10），同时观测到压缩机流量有下降趋势，对气阀进行数据采集（在气阀不同部位进行采集）。

将多组采集的数据通过系统分析发现循环氢南缸的两个进气阀（阀编号：IV/301，：IV/302）数据超标,查看编号IV/301近期趋势图，有跳跃上升趋势，加速度值由1.9m/s2突变到7.83m/s2，并且查看IV/302也发现跳跃上升的趋势，以IV/301（图11）。

我们对前期采集的监测数据通过包络波形图分析，IV/301的波形图，存在冲击峰值，冲击峰值呈现周期性的变化；IV/302也存在一些均匀的冲击，冲击能量从图上明显看出有峰值也存在周期变化（图12）。

从进气阀的频谱图进行进一步分析，IV/301在 4000Hz与4800Hz这一频带上出现较为明显的峰值，频谱频带窄、数值大，编号IV/302在3200Hz与4500Hz在这一频率上存在较为明显的峰值，频带宽数值小（图13）。

依此分析，判定 IV/301气阀存在故障，IV/302从包络波形图上可以看出存在相互干扰的频谱存在，说明有多项组件存在问题。维修人员择机对该机进行检修，拆检后发现IV/301气阀的弹簧损坏（图14），而气阀IV/302的多组阀片已经损坏，同时气阀座外缘结焦，部分阀片断裂碎片脱嵌入阀流道内（图15）。

3 结语

采用离线BH550状态监测系统在往复式压缩机气阀故障诊断中的应用，是一次状态监测应用的拓展，任何运动部件产生的冲击频谱通过状态监测仪器的收集都可以建立判别故障的依据，在分析方法上采用包络分析对压缩机气阀振动加速度数据进行融合，经BH550客户端软件分析后可形成气阀故障诊断频谱，经过多次现场检修验证，故障频谱特征能够有效提高故障诊断准确率，判定压缩机气阀故障需要对气阀监测数据从不同测量部位收集，气阀内零故障产生的频率是存在相互干扰的，因此收集分析需要基于长期的监测比对，建立自己的频谱数据库，分析与检修现场的相互验证，及时修正分析策略方法，这样才能更好的提高故障监测判别准确率。

图10

图11

图12

图13

图14

图15

[1] 郁永章等.压缩机工程手册[M].北京：中国石化出版社.

[2] 窦唯.压缩机技术[M].沈阳:沈阳气体压缩机研究所.

[3] 中国机械工程学会设备与维修工程分会编.设备状态监测与故障诊断技术及其工程应用[M].北京：机械工业出版社.

TH45

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1671-0711（2016）12（上）-0076-05