往复式压缩机组监测诊断技术的应用
北京西马力检测仪器有限公司
 
孙正龙   曹永辉
摘要:往复式设备的故障诊断和回转式设备的故障诊断存在较大差异。无论从使用技术,还是测试方法上都存在质的区别。本文着重针对气体往复式压缩机的诊断技术进行介绍。往复式设备的诊断技术在欧美发达国家开展已有40多年的历史,有大量成功的案例和使用经验。
关键词:往复式设备 故障诊断 泄露   活塞杆沉降 活塞杆载荷
1、引言
北京西马力检测仪器有限公司是一家从事设备状态监测和故障诊断的专业公司,自1996年至今,一直致力于将国外最先进的诊断技术引入到国内,确保中国的诊断技术和欧美发达国家同步。尤其是往复式设备的故障诊断一直以来被业内称为世界性难题,西马力公司通过引进美国WINDROCK公司的往复式设备诊断技术,取得了非常好的效果。
美国Windrock公司是专业从事往复式设备的状态检测和故障诊断专业公司,已有40多年往复式设备故障诊断经验,其产品广泛应用在石油、石化、船舶、铁路、压缩机制造等行业。在往复式压缩机状态监测方面,既有离线式的6320系列往复式压缩机故障诊断便携式仪器,又有在线式哨兵往复式设备状态检测系统。
往复式压缩机大都属于核心设备,其运转状况直接关系到整个生产流程运转状况。如果运行中的压缩机出现非计划性停车,将导致一系列问题:人身安全、设备安全、影响工艺流程、造成巨大的生产损失、增加额外的维修费用、影响人员、环境安全等,因此非常有必要做好往复式设备的状态监测和故障诊断工作。
统计研究表明80%的非计划性停车是由于气阀、活塞/活塞杆、填料、活塞环/支承环故障引起的。提前发现并诊断以上故障,防患于未然,减少意外停机和灾难性事故,保证设备长周期、安全稳定运行是往复式设备状态监测和故障诊断的目标。
2、国内往复式压缩机状态监测现状
经过多年发展,国内企业对旋转设备的状态监测无论从技术和意识上都有了革命性的发展,因为回转式设备的状态检测工作为企业创造了巨大的经济效益。但是在往复式设备状态监测方面,由于技术限制,没有可靠的监测办法,到70年代以后,随着欧美等发达国家往复式设备状态监测技术发展,往复式设备的状态监测技术已日渐成熟,中国国内一些企业开始了往复式设备的状态监测工作。中石油吐哈油田在上世纪90年代中期开始对所属500多台往复式压缩机进行状态监测,经过十多年的工作,累计建立测点18万多个,实现精密诊断3600多次,分析诊断出故障隐患200多台次。并由于状态监测工作的跟进,减少了设备故障抢修和事故直接损失上千万元,间接损失更是无法估量。通过定期监测和分析,及时调整设备运行参数,还极大的提高了设备运行状况,尤其是在调整天然气发动机性能方面效果非常显著,使机组平均运行效率保持在90%以上。
3、往复式压缩机状态监测的技术难点
对往复式压缩机进行状态监测,单单使用传统的振动监测根本无法解决问题,这点已经得到业内普遍验证。多年经验告诉我们,要想对往复式设备进行精密诊断,必须结合压力、温度、超声、振动等多种测试技术,才可以准确诊断出设备的故障根源和故障部位。
4、往复式设备诊断技术的应用
       压力、超声、振动监测技术的应用,可以解决往复式设备的大部分问题。下面分别介绍 一下各种技术的监测范围。
4.1 振动
相频振动检测方法是在往复设备诊断中行之有效的检测方法。此方法和我们常规振动检测方法有天壤之别。我们常规振动检测方法是通过时域波形或频谱来分析设备故障,不论时域波形还是频谱,由于压缩机的工作特点,其信号中存在大量的冲击信号,各种频率成分的信号都存在,根本无法根据频率信息分析出故障。
     以时域信号为例,常规时域信号其横坐标为时间单位,纵坐标为振动加速度;相频振动横坐标为相位(曲轴转动的角度),纵坐标为振动加速度。
      相频振动的优点是曲轴所转动的角度和阀门开启关闭状态、十字头位置、缸内压力状态一一对应。一旦曲轴所转动的角度和阀门开启关闭状态、十字头位置、缸内压力状态对应关系发生变化,说明该部件一定出了问题。而不是单纯看幅值和频谱结构来判断。
4.2 超声
超声信号由于频率高,传递性较差,在往复设备诊断中占据重要位置,如发动机监测时防止各缸信号窜扰,比振动信号具有更好的强度。
在往复式设备诊断过程中,以超声时域信号为例,常规超声时域信号其横坐标为时间单位,纵坐标为超声能量分贝单位;相频振动横坐标为相位(曲轴转动的
角度),纵坐标为超声能量分贝单位。
       同样相频超声的优点是曲轴所转动的角度和阀门开启关闭状态、十字头位置、缸内压力状态一一对应。一旦曲轴所转动的角度和阀门开启关闭状态、十字头位置、缸内压力状态对应关系发生变化,说明该部件一定出了问题。而不是单纯看超声的幅值和频谱结构来判断。
4.3压力
压力信号是往复式压缩机诊断中最为重要的一个参数,通过缸内压力的检测,可以及时发现压缩机的状况。通过缸内压力的变化和曲轴角度的对应关系,可准确诊断阀门泄漏、活塞环泄漏、十字头磨损、活塞销磨损、活塞杆受力状况等。
      测试缸内压力,可以计算出完成压缩机气体压缩循环所需要的功率,该功率用于判断压缩机是否处于过载状态,同时也与理论等熵功率一并用于计算等熵率。
除非压缩机负载和气体组分发生变化,通常情况下压缩机的等熵效率不会随着时间发生较大变化,出现任何较大偏差应及时进行调查。
      流量平衡为进入和排出气的质量之比,通常作为判断压缩机异常问题的首要征兆。结合对其他参数的详细分析可以使压缩机故障分析更为效率。
      测试缸内压力,可以准确得出活塞杆的受力状况。往复式压缩机的活塞杆受缸内气体压力和惯性力共同作用之下。活塞杆的负载会因为进排气压力、压缩机卸
载、气阀泄漏和其他原因而受到影响。压缩机活塞杆超载非常危险,必须严格防止和避免。因为活塞杆一旦由于负载过大产生裂纹或直接断裂,则很有可能出现极其严重的灾难性事故,危及人员安全,导致设备坏损,瘫痪,影响生产,甚至出现更大事故。
      活塞杆在活塞冲程中,由受压到受拉伸时其负载变化很大,反之依然。要保证十字头销的充分润滑,API标准618[6]建议,“活塞杆从受拉改变为受压状态曲
轴转动的角度不应小于15度曲轴角度,该角度定义为反向角” 。
5、往复式设备故障诊断仪器和系统
     目前西马力公司可以提供的监测手段有两种:一种是便携式检测仪器6320系列,一种是在线监测系统。两种检测手段都能很好完成往复式设备状态监测工作。
     从经济性角度考虑,建议优先采用离线巡检方式。对于非常关键的核心压缩机建议采用在线监测方式。

 

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