往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估及故障診斷方法研究

蔣大明

（中節(jié)能萬(wàn)潤(rùn)股份有限公司，山東煙臺(tái) 264000）

0 引言

往復(fù)式壓縮機(jī)作為一種通用的化工設(shè)備，因其工作效率高、壓力范圍廣、輸出壓力穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在石化企業(yè)中廣泛使用，是石油、化工生產(chǎn)使用過(guò)程中較為關(guān)鍵的設(shè)備，能夠壓縮空氣、氫氣、氨氣、天然氣、瓦斯氣、乙烯氣、丙烯氣等氣體，工作效率比較高。然而，因?yàn)槠淞慵^多、機(jī)構(gòu)復(fù)雜，很容易發(fā)生機(jī)械故障。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在石油、化工行業(yè)中，大約有15%的重大事故是因往復(fù)式壓縮機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題而引發(fā)的。因此，企業(yè)應(yīng)該充分了解往復(fù)式壓縮機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造和工作原理，定期對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行檢查維護(hù)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，從而避免事故的發(fā)生。

在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，若能及早發(fā)現(xiàn)和診斷出設(shè)備的早期異常和故障，并在不拆解設(shè)備的情況下準(zhǔn)確判斷出故障的原因和部位，就可以有效提高企業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，減少和防止事故的發(fā)生。所以，引入在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)的故障評(píng)價(jià)方式相結(jié)合，必然是設(shè)備故障診斷的發(fā)展趨勢(shì)。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)常見(jiàn)故障分析

1.1 往復(fù)式壓縮機(jī)工作原理

往復(fù)式壓縮機(jī)的工作原理是由外部電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)箱內(nèi)的曲軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)連桿動(dòng)作，連桿拉動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣缸容積會(huì)隨著設(shè)備的運(yùn)行而不斷變化，這種變化具有規(guī)律性。當(dāng)活塞從氣缸頂部缸蓋處開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)的容積是一個(gè)逐步增大的過(guò)程，這時(shí)外部氣體打開(kāi)進(jìn)氣閥片，新氣體進(jìn)入氣缸內(nèi)，當(dāng)氣缸容積增大到一定程度時(shí)，進(jìn)氣閥便關(guān)閉，完成進(jìn)氣過(guò)程。當(dāng)活塞向缸蓋處擠壓運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)容積是一個(gè)逐步縮小的過(guò)程，氣缸內(nèi)氣體被活塞壓縮，氣體壓力升高，當(dāng)壓力升高到一定程度時(shí)，排氣閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)將氣體排出。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)極限時(shí)，促進(jìn)排氣閥關(guān)閉，這種循環(huán)往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)“吸氣—壓縮—排氣”的過(guò)程，其工作原理如圖1 所示。

圖1 往復(fù)式壓縮機(jī)工作原理

1.2 常見(jiàn)故障統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過(guò)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，往復(fù)式壓縮機(jī)故障多由設(shè)計(jì)、制造、安裝和操作環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題而導(dǎo)致。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，因設(shè)計(jì)缺陷產(chǎn)生的故障約占6%；零件制造質(zhì)量低劣故障約占46%；不遵守操作規(guī)程造成的故障約占40%；安裝檢修質(zhì)量不符合要求故障約占8%。對(duì)47臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)的故障信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共發(fā)生故障970 例，其中氣閥故障達(dá)61%、十字頭故障8%、填料函故障7%、活塞桿故障5%。通過(guò)故障頻次數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，上述4 類故障是往復(fù)式壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的主要問(wèn)題（表1）。

通過(guò)表1 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，往復(fù)式壓縮機(jī)閥片故障率最高，其次是十字頭，然后是填料函和活塞桿。

表1 往復(fù)式壓縮機(jī)故障統(tǒng)計(jì)信息

往復(fù)式壓縮機(jī)的故障種類雖然較多，但從故障狀態(tài)的反映形式上來(lái)看，可大致分為兩大種：一種是熱力類參數(shù)變化，如吸（排）氣壓力、排氣量等相關(guān)位置溫度等參數(shù)變化，同時(shí)包括油路、水路發(fā)生故障后所表現(xiàn)出來(lái)的熱力類參數(shù)變化；另一種則是動(dòng)力性能參數(shù)變化，如異常振動(dòng)、異常、喘振、共振等問(wèn)題，這些問(wèn)題多由部件損壞所致。

2 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)分析

動(dòng)態(tài)RCM（Reliability Centered Maintenance，以可靠性為中心的維修）管理模式是以傳統(tǒng)RCM 管理為基礎(chǔ)，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)相融合，形成的一種新型維修管理模式。這種模式有預(yù)防維護(hù)和預(yù)見(jiàn)維修的雙重特點(diǎn)，同時(shí)融入主動(dòng)維修的因素，引導(dǎo)用戶主動(dòng)評(píng)價(jià)故障。這種分析模式的包括RCM 分析評(píng)價(jià)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估、可靠性管理完善和提升等，其模式如圖2 所示。

圖2 動(dòng)態(tài)RCM 管理框架

通過(guò)對(duì)故障信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用RCM 評(píng)價(jià)法對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行檢維修是一種傳統(tǒng)的方法，這種方法主要利用原始數(shù)據(jù)，因此也稱為靜態(tài)RCM 評(píng)價(jià)法。RCM 分析主要是從設(shè)備重要程度、設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備檢修決策等維度進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。其中，設(shè)備重要度和設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)都是按照一定的原則和方法，從用戶可接受程度和故障風(fēng)險(xiǎn)的角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，一般劃分為高、中、低三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，高風(fēng)險(xiǎn)約占比例的20%左右，最終設(shè)備檢維修預(yù)案和決策主要是根據(jù)高級(jí)、中級(jí)設(shè)備及對(duì)應(yīng)的高級(jí)、中級(jí)故障風(fēng)險(xiǎn)形式予以制定。關(guān)注重點(diǎn)故障的設(shè)備管理，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)故障進(jìn)行關(guān)注，對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、高頻次檢測(cè)、備件儲(chǔ)備、預(yù)案建立等合理協(xié)調(diào)資源。

本文提出的動(dòng)態(tài)RCM 方法是對(duì)傳統(tǒng)靜態(tài)RCM 方法的補(bǔ)充與提升，可以結(jié)合設(shè)備發(fā)生的各種故障和檢維修信息，對(duì)每臺(tái)設(shè)備的故障模式進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果計(jì)算出各類設(shè)備故障的影響指數(shù)，確定各項(xiàng)故障模式的影響結(jié)果，并結(jié)合設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量、振動(dòng)等，準(zhǔn)確分析設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)；并結(jié)合數(shù)據(jù)變化和趨勢(shì)，提前預(yù)判出設(shè)備可能存在的隱患和故障，有效開(kāi)展檢修和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障檢修方案和維護(hù)策略的建立與制定，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的應(yīng)用。

動(dòng)態(tài)RCM 是對(duì)傳統(tǒng)故障評(píng)價(jià)的一種優(yōu)化，是在傳統(tǒng)定期維修模式的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展起來(lái)的。因此，引入動(dòng)態(tài)RCM 是一種創(chuàng)新的方案，隨著設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)和故障監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，動(dòng)態(tài)RCM 得到持續(xù)發(fā)展后，必然以狀態(tài)維修模式為主、定期維修模式為輔，推動(dòng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷研究的不斷發(fā)展。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)搭建一套在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以達(dá)到實(shí)時(shí)掌握機(jī)組的運(yùn)行狀況、了解機(jī)組運(yùn)行趨勢(shì)、預(yù)測(cè)正在發(fā)生和可能發(fā)生故障的目的。系統(tǒng)的前期目標(biāo)是機(jī)組本身的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和初步的故障診斷，后期系統(tǒng)將與工廠現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程監(jiān)視和無(wú)人管理。往復(fù)式壓縮機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的基本功能主要有以下8 個(gè)。

（1）數(shù)據(jù)通信的主要功能是完成工控上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）數(shù)據(jù)處理功能是對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理過(guò)程。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能對(duì)示功圖、氣缸振動(dòng)、活塞桿沉降量及其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行整體過(guò)程的監(jiān)控。

（4）頻譜分析功能對(duì)設(shè)備輸出的振動(dòng)和位移信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析的過(guò)程。

（5）趨勢(shì)分析功能將輸出的氣缸振幅、活塞桿沉降量及示功圖等，根據(jù)歷史記錄數(shù)據(jù)給出歷史趨勢(shì)圖。

（6）參數(shù)設(shè)置功能是為工作人員提供設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的參考。

（7）故障分析和報(bào)警功能對(duì)未來(lái)可能發(fā)生或已經(jīng)存在的故障進(jìn)行報(bào)警。

（8）報(bào)表打印功能為打印監(jiān)測(cè)信號(hào)信息以及相關(guān)的圖表、數(shù)據(jù)等，提供支持。

3.2 在線監(jiān)測(cè)方案

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)有成熟的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，采取數(shù)據(jù)采集、智能保存、自動(dòng)傳輸?shù)确绞?，?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。智能在線監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)在于在設(shè)備特征明顯的部位安裝傳感器，并配置合理的數(shù)據(jù)采集參數(shù)，結(jié)合設(shè)備信息根據(jù)ISO 10186 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行報(bào)警限值設(shè)定，并通過(guò)設(shè)備維護(hù)和監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，其整體流程如圖3、圖4 所示。

圖3 設(shè)備監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)

圖4 智能態(tài)勢(shì)監(jiān)控系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程中心采用分布式架構(gòu)進(jìn)行分別架構(gòu)系統(tǒng)部署。

（2）系統(tǒng)內(nèi)整合故障診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，擁有完整的多種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)型式，輸入對(duì)應(yīng)的部件（如軸承、齒輪等）信息后，能夠自動(dòng)計(jì)算，快速識(shí)別缺陷。

（3）系統(tǒng)具有模板建立和更新功能，可完成單臺(tái)或多臺(tái)機(jī)組采集策略更新。

（4）系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能和數(shù)據(jù)篩選功能，分析數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)設(shè)置篩選條件如采樣值、頻率、時(shí)間、高通濾波等，可篩選出需分析的數(shù)據(jù)。

（5）系統(tǒng)支持報(bào)警閾值設(shè)定功能，實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警值的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

（6）系統(tǒng)集配置與數(shù)據(jù)分析于一體，支持OPC 服務(wù)器軟件功能。

（7）系統(tǒng)具備查看趨勢(shì)圖功能，能夠基于轉(zhuǎn)速、功率、負(fù)載等條件，分類采集振動(dòng)、位移等數(shù)據(jù)，并建立發(fā)展趨勢(shì)，便于及時(shí)采取適當(dāng)處理措施。

（8）系統(tǒng)運(yùn)用時(shí)域波形、頻譜、包絡(luò)解調(diào)等相關(guān)工具進(jìn)行診斷分析，結(jié)合可選的故障征兆，進(jìn)而對(duì)機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行診斷，了解故障、部位和原因等。

在線監(jiān)測(cè)診斷分析系統(tǒng)可滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理與運(yùn)行維護(hù)人員的設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障分析需求，通過(guò)該模塊提供的分析工具，可判斷機(jī)組的工作狀態(tài)，定位故障部位、故障原因及故障劣化的模式。為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障診斷提供各類分析方法，包括設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)分析、時(shí)域波形、頻譜、多時(shí)譜、多頻譜、多趨勢(shì)、長(zhǎng)波形、瀑布圖、轉(zhuǎn)速波形、倒頻譜、包絡(luò)解調(diào)等。

3.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

往復(fù)式壓縮機(jī)因其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用和安裝的在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量也比較多，每個(gè)位置上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)都有明確的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)和監(jiān)測(cè)對(duì)象，功能也各有不同，往復(fù)式壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)部位、監(jiān)測(cè)類型和傳感器選型之間要相互對(duì)應(yīng)（表2）。

表2 往復(fù)式壓縮機(jī)在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)和傳感器類型

3.4 故障種類監(jiān)測(cè)

通過(guò)實(shí)際的在線監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)不同位置的故障時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化是不同的，最直觀的診斷方式就是監(jiān)測(cè)參數(shù)波形圖變化，常見(jiàn)的波形圖界面如圖5 所示。

圖5 常見(jiàn)波形圖界面

結(jié)合現(xiàn)有的故障信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、匯總與分類，分析故障類型與監(jiān)測(cè)特征之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)應(yīng)模型如圖6 所示。

圖6 故障類型與監(jiān)測(cè)特征對(duì)應(yīng)模型

目前基于在線監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)RCM 評(píng)估方法仍需進(jìn)一步研究和完善，仍需以靜態(tài)RCM 方法作為可靠性維修的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)，廣泛積累動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)特征和對(duì)應(yīng)的故障類型，不斷豐富狀態(tài)評(píng)價(jià)和故障診斷的數(shù)據(jù)模型，通過(guò)動(dòng)態(tài)RCM 和靜態(tài)RCM 相結(jié)合的評(píng)價(jià)模式，來(lái)預(yù)判、評(píng)估機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和劣化傾向，為制定維保和檢修策略提供準(zhǔn)確依據(jù)，及時(shí)消缺，不斷改善，以指導(dǎo)和保障往復(fù)式壓縮機(jī)組的正常、平穩(wěn)運(yùn)行。?

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要結(jié)合往復(fù)式壓縮機(jī)故障數(shù)據(jù)對(duì)傳統(tǒng)靜態(tài)RCM 評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究和改進(jìn)，引入了動(dòng)態(tài)RCM 和靜態(tài)RCM 相結(jié)合的新型狀態(tài)評(píng)估模式，并輔以在線監(jiān)測(cè)和異常預(yù)警，來(lái)指導(dǎo)機(jī)組故障預(yù)防策略的制定，為促進(jìn)往復(fù)式壓縮機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了更加完善的監(jiān)測(cè)、評(píng)估與檢修保障。