往復壓縮機氣閥失效診斷方法研究

劉 江

（中國石油四川石化設備檢修部，四川彭州 611930）

1 引言

往復壓縮機結構復雜、易損件多，故障率一直居高不下，尤其氣閥故障更是占據(jù)60%以上，導致故障停機次數(shù)占總停機次數(shù)的85%以上[1]，氣閥的好壞不僅影響壓縮機運行效能，甚至還會引起級間壓比失衡而導致傳動件故障。因此，需要深入研究氣閥失效征兆，建立高效的故障診斷方法以及科學的評價標準，才能及時、精準診斷氣閥故障。

目前，工程應用多局限于聲音及相關工藝參數(shù)的分析，對檢測人員實踐經(jīng)驗要求很高。因此，國內(nèi)已有很多專家、學者對往復壓縮機氣閥故障診斷方法進行了大量的研究工作。文獻[2]通過校正壓力采集曲線外死點位置，提出了基于示功圖修正的往復壓縮機氣閥故障診斷方法；文獻[3]基于傳統(tǒng)頻譜分析診斷方法，引入小波變換來提取氣閥振動信號中的能量特征向量。文獻[4]采用經(jīng)驗模態(tài)分解的功率譜分析方法，按頻率由高到低將氣閥信號分解為有限個固有模態(tài)函數(shù)之和，選擇對氣閥故障敏感的IMF分量進行功率譜分析，從而獲得高信噪比故障特征。文獻[5]基于生物免疫系統(tǒng)的反面選擇機理，對氣閥數(shù)據(jù)進行支持向量機訓練，構造出代表氣閥自己空間的最小特征超球體和故障空間來實現(xiàn)快速診斷。文獻[6]建立了一種基于AR與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡結合的診斷模型，模擬柴油機氣閥漏氣、氣門間隙異常等故障，進行故障模式識別。上述診斷方法對人員專業(yè)技術要求很高，因此在工程實踐中未得到廣泛應用。本文繞開上述復雜的噪聲及振動分析途徑，立足氣閥失效后的熱力學響應機理，將閥蓋溫度作為長期監(jiān)測的核心參數(shù)，摸索運行規(guī)律，建立評價方法及標準，并在實踐中得到了成功應用并積累了豐富經(jīng)驗。

2 監(jiān)測原理及技術

氣閥失效最核心的表現(xiàn)形式之一就是氣缸和閥室之間短路串通導致漏氣。若吸氣閥漏氣，經(jīng)壓縮后的氣體便從吸氣閥泄漏處倒流回到閥室，導致閥蓋溫度上升；若排氣閥漏氣，吸氣行程時，高溫氣體便從排氣閥泄漏處倒流回缸體，氣體部分滯留并被反復壓縮溫度升高，導致閥蓋溫度上升。因此，監(jiān)測閥蓋溫升情況能有效識別氣閥狀態(tài)。

本文以國內(nèi)某大型石化企業(yè)22臺大型往復壓縮機為研究對象，安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過磁座式Pt100鉑電阻溫度傳感器吸附在閥蓋固定位置，對氣閥閥蓋溫度進行實時監(jiān)測，同時從MES系統(tǒng)引入機組各級進氣壓力、排氣壓力、進氣溫度、排氣溫度、填料溫度、流量等工藝參數(shù)，每3秒采集1次數(shù)據(jù)形成運行趨勢，進行綜合研判。

3 基于閥蓋溫度的氣閥故障特征規(guī)律研究

閥蓋是隔絕工藝介質(zhì)和大氣環(huán)境的關鍵部件，其溫度也同時受兩者共同影響。因此，研究閥蓋溫度特征規(guī)律，是深入認識閥蓋溫度與氣閥狀態(tài)對應關系，準確理解信號特征與運行機理的關鍵，也是精準故障診斷的前提。筆者對502支氣閥6年閥蓋溫度運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計研究，總結出以下重要規(guī)律。

3.1 介質(zhì)與閥蓋溫差規(guī)律

實踐表明，壓縮機開機帶負荷后，工藝介質(zhì)排氣溫度與排氣閥蓋溫度屬于階躍激勵-響應變化關系，介質(zhì)溫度在10 min內(nèi)即可從瞬態(tài)轉(zhuǎn)至穩(wěn)態(tài)，而閥蓋溫升響應過程卻需要1～1.5 h，有些閥蓋溫升甚至要接近2 h，因此對新裝機組或檢修后機組氣閥質(zhì)量的驗收，需要機組帶負荷運行至少2 h后方可進行。實踐還表明，平穩(wěn)運行過程中，介質(zhì)進排溫度與吸排氣閥蓋溫度屬于穩(wěn)態(tài)傳熱過程，工況不變其溫差基本不變；隨著介質(zhì)溫度的升高，閥蓋與介質(zhì)的溫差越大。

3.2 環(huán)境溫度變化溫差規(guī)律

實踐表明，閥蓋溫度與環(huán)境溫度變化、介質(zhì)溫度三者呈同步變化，由于溫度變化過程緩慢，可近似為穩(wěn)態(tài)傳熱過程。從短期觀察，閥蓋溫度呈24 h周期性變化，一般在每日7～9點達到最小，在15～19點達到最大，冬季溫差范圍為3～5 ℃，夏季溫差范圍為4～7 ℃。從長期觀察，閥蓋溫度呈季節(jié)周期性變化，一般在7月下旬至8月中旬達到最大，1月中旬至2月中旬達到最小，夏季與冬季閥蓋溫差范圍為15～25 ℃。

3.3 氣閥失效閥蓋溫升規(guī)律

氣閥失效后，氣缸和閥室之間瞬間短路串通漏氣，閥蓋內(nèi)部及表面溫度隨時間不斷變化，屬非穩(wěn)態(tài)傳熱，主要呈現(xiàn)2種形態(tài)特征：一是氣閥流道逐步積垢或閥片沖蝕或彈簧磨損等，導致泄漏量逐漸增大，近似穩(wěn)態(tài)傳熱過程，閥蓋溫度呈“緩慢增長型”，如圖1所示（某企業(yè)乙烯裝置二段加氫循環(huán)壓縮機排氣閥彈簧磨損閥蓋溫度歷史趨勢）；二是氣閥閥片瞬間斷裂后，氣缸和閥室立即串氣，進或排氣壓力突然變化，閥室內(nèi)介質(zhì)溫度迅速升高，但由于閥蓋溫升滯后性，閥蓋溫度呈“指數(shù)增長型”，并最終趨于穩(wěn)定，如圖2所示（某企業(yè)蠟油加氫裝置新氫壓縮機吸氣閥閥片斷裂閥蓋溫度歷史趨勢）。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，呈“緩慢增長型”時，閥蓋溫度從變化到穩(wěn)定需要經(jīng)歷數(shù)小時，甚至數(shù)日或數(shù)月，時間長短取決于氣閥流道積垢或閥片沖蝕或彈簧磨損等速度；呈“指數(shù)增長型”時，閥蓋溫度從變化到穩(wěn)定的時間需要30～50 min，時間長短不僅取決于閥片斷裂的面積，而且取決于介質(zhì)的壓力以及閥蓋的厚度。針對“指數(shù)增長型”，建立平板一維非穩(wěn)態(tài)導熱問題的分析模型予以解釋說明。首先引入過余溫度

建立控制方程及初始條件

求解閥蓋溫度得

3.4 氣閥失效后其它閥蓋溫升規(guī)律

實踐表明，當某吸氣閥泄漏，該吸氣閥蓋溫度會升高，同一缸同一作用側(cè)的其它吸氣閥蓋溫度基本不變，但同一缸同一作用側(cè)的排氣閥蓋溫度均會升高；當首級或中間級某排氣閥泄漏，該排氣閥蓋溫度會升高，同一缸同一作用側(cè)的其它吸、排氣閥蓋溫度基本不變，該缸背壓及壓比均會減小，會導致同一缸另一側(cè)排氣閥蓋溫度有所下降。

4 基于閥蓋溫度的氣閥故障診斷方法及判斷標準

4.1 分析思路

根據(jù)分析人員不同，基于溫度的氣閥故障分析思路主要分以下2種：一是以介質(zhì)進排氣溫度、壓力監(jiān)測為主，若有異常再詳細排查氣閥閥蓋溫度是否異常，從而判斷故障氣閥位置，這種分析思路適用于工藝操作人員。多年來，筆者也一直在探索僅通過進排氣溫度變化來精準判斷氣閥狀態(tài)，但效果并不理想，主要原因如下：（1）級間冷卻器工作不正常，或排氣旁通閥向進氣管漏氣，或吸氣閥漏氣等都會導致進氣溫度升高；（2）氣缸冷卻效果不好，或進氣溫度偏高，或本級壓比偏高，或活塞環(huán)漏氣，或排氣閥漏氣等都會導致排氣溫度升高；（3）吸（排）氣閥的微小泄漏或氣閥流道易結焦或當吸（排）氣閥較多時，進（排）氣溫升短期變化并不明顯，因此預早期發(fā)現(xiàn)氣閥故障的難度很大。二是以閥蓋溫度監(jiān)測為主，若某閥蓋溫度異常升高再詳細排查介質(zhì)溫度、壓力是否異常，來驗證診斷結論的準確性，這種分析思路適用于設備監(jiān)檢測人員，目前監(jiān)測行業(yè)以第二種應用最為廣泛。筆者通過多年實踐，總結出氣閥故障判定方法與準則以及氣閥故障佐證方法與準則。

4.2 相對判定方法與準則

筆者在實踐中總結出以下2種氣閥閥蓋溫度異常的相對判定方法與準則。

圖1 緩慢增長型

圖2 指數(shù)增長型

（1）方法Ⅰ及其準則

方法Ⅰ采用閥蓋溫度與介質(zhì)溫度進行比較，分析閥蓋溫度與介質(zhì)溫度的相對關系。建立平板一維穩(wěn)態(tài)導熱問題的分析模型，解釋說明其變化機理。首先計算介質(zhì)能量

閥蓋傳熱公式

由（4）、（5）求解

在不同溫度下，金屬導熱系數(shù)是不同的。以鋼Q235為例，進氣溫度一般為15～45 ℃，導熱系數(shù)近似取60 kW/（m·c），排氣溫度一般為80～120 ℃，導熱系數(shù)近似取56 kW/（m·c）。當溫度變化較小時，導熱系數(shù)近似相等，t介質(zhì)-t環(huán)境與t內(nèi)表面-t外表面之比可近似為常數(shù)。

統(tǒng)計往復式新氫壓縮機閥蓋運行規(guī)律發(fā)現(xiàn)：當環(huán)境溫度為20 ℃，進氣溫度為45 ℃時，吸氣閥蓋溫度與進氣溫度的溫差為4～5 ℃；當環(huán)境溫度為20 ℃，排氣溫度為120 ℃時，排氣閥蓋溫度與排氣溫度的溫差為18～22 ℃。若閥蓋溫度與介質(zhì)溫度之差超過上述數(shù)值，可作為異常判定的標準之一。

（2）方法Ⅱ及其準則

方法Ⅱ根據(jù)參比的對象不同，分為縱向比較法和橫向比較法?？v向比較法即用異常閥蓋溫度與之前自身狀態(tài)溫度進行比較，適用于壓縮機前后負荷基本不變且介質(zhì)及外界溫度變化不大的情況。橫向比較法即用異常閥蓋溫度與同級其它氣閥閥蓋溫度的溫差進行比較，不僅適用于上述情況，而且也適用于壓縮機前后工況變化較大，且無法進行縱向比較的情況。

大量的實踐研究表明，當吸氣閥泄漏時，閥蓋溫度將上漲8～15 ℃；排氣閥泄漏時，閥蓋溫度將上漲10～20 ℃。因此，若閥蓋溫升超過上述數(shù)值下限時，可作為異常判定的標準之一。

4.3 絕對判斷方法及準則

氣閥異常不僅要按照上述方法進行識別診斷外，同時排氣閥蓋溫度還要滿足以下三級評價準則。該準則是筆者參照相關技術規(guī)范，總結多年監(jiān)測經(jīng)驗探索形成，并在實踐中得到驗證。

A區(qū)：排氣閥蓋溫度不大于100 ℃，認為壓縮機溫度正常。業(yè)內(nèi)一般認為，排氣溫度低于120 ℃，壓縮機溫度正常?？紤]氫氣壓縮機排氣閥蓋溫度通常比排氣溫度低18～22 ℃，因此排氣閥蓋溫度異常報警線不應超過100 ℃。

B區(qū)：排氣閥蓋溫度大于100 ℃且不大于110 ℃，認為壓縮機已經(jīng)處于嚴重過熱狀態(tài)。潤滑油到150 ℃會變稀薄，到175 ℃左右開始分解變質(zhì)。支撐環(huán)、活塞環(huán)一般不大于180 ℃，氣閥閥片材質(zhì)最高耐溫一般不大于250 ℃，高于此溫度活塞環(huán)會分解碳化。此外，美國石油學會API618規(guī)定：往復壓縮機最大預期排氣溫度應不超過150 ℃，如使用高壓氫氣或無油潤滑氣缸，對于富氫分子量≤12，預期排氣溫度不應超過135 ℃。考慮氫氣壓縮機排氣閥蓋溫度通常比排氣溫度低20～25 ℃，因此排氣閥蓋溫度不應超過110 ℃，超過應盡快停機檢修。

C區(qū)：排氣閥蓋溫度大于110 ℃且不大于130 ℃，或機組流量下降或末級背壓下降已無法滿足生產(chǎn)條件，應立即停機。美國石油學會API618推薦：排氣溫度跳閘設定值比最高預期排氣溫度高30 ℃；但溫度跳閘設定不應超過180 ℃?？紤]氫氣壓縮機排氣閥蓋溫度通常比排氣溫度低30～35 ℃，因此排氣閥蓋溫度不應超過130 ℃。針對其它介質(zhì)的壓縮機，其設定值可參考文獻[7]推算。

4.4 氣閥故障佐證方法與準則

不考慮壓縮機首級之前工藝系統(tǒng)介質(zhì)流量不足等因素，大量實踐表明：氣閥失效后，壓縮機各級工藝參數(shù)將同時出現(xiàn)不同程度的變化。以3級3列往復壓縮機氣閥失效為例，其工藝參數(shù)變化規(guī)律如表1所示。

數(shù)據(jù)還表明，低壓級缸尤其是第一級吸氣閥漏氣對氣量的影響較大。同時，多級壓縮機吸氣壓力變化產(chǎn)生壓比變化，將引起排氣溫度變化，但影響最大的末級。因此如果吸氣壓力下降，末級壓比增大最明顯，末級排氣溫度最容易超出允許范圍。

5 結語

本文對大量氣閥閥蓋溫度規(guī)律進行了統(tǒng)計研究，得出一些典型規(guī)律并給予理論解釋，同時詳細介紹了氣閥故障識別及判定準則，這些基礎性的分析思路方法，對往復壓縮機氣閥故障診斷都具有較強的實踐意義。

表1 氣閥泄漏伴隨其工藝參數(shù)變化規(guī)律