往复压缩机的故障分析.ppt

2020/5/18,工业装备故障诊断技术,1,往复压缩机的故障类型热力学参数异常主要零部件故障振动异常示功图及阀片运动规律的测量与故障分析气流压力脉动与管道振动,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,2,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,3,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,4,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,5,压缩机故障一般都是在设计、制造、安装和操作中产生的问题。曾有人对某化工厂使用的往复式压缩机故障率进行调查，发现属于设计缺陷产生的故障仅占6%；属于零件制造质量低劣的故障占46%；属于不遵守操作规程造成的故障占40%；属于安装检修质量不符合要求的故障占8%。往复式压缩机的故障种类虽多，但从反映故障状态的监测参数（征兆参数）上可分为两大类：一类故障征兆表现在机器的热力参数变化上，如机器的排气量变化，吸、排气压力变化，各部分温度变化以及油路、水路故障所表现出来的热力参数变化。另一类故障征兆表现在机器的动力性能参数变化上，如压缩机主要零部件的缺陷、磨损、损坏和断裂故障所表现出来的机器振动和不正常声音，还有各种原因引发的管道振动。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,6,1.传递动力部分曲轴、连杆、十字头、活塞销、活塞等零部件的故障。2.气体的进出及其密封部分气缸、进气和排气阀门、弹簧、阀片、活塞环、填料函及排气量调节装置等部分的故障。3.辅助部分包括水、气、油三路的各种冷却器、缓冲器、分离器、油泵、安全阀及各种管路系统方面的故障。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,7,4.1往复式压缩机的故障类型与故障原因,4.1.1压缩机热力参数异常及其故障原因,吸、排气压力不正常吸气压力低吸气压力高排气压力低排气压力高压力不稳定,温度不正常吸气温度高排气温度高气缸过热轴承过热活塞杆过热曲轴两端盖发热,排气量降低压缩机的各级吸气阀漏气气缸内泄漏与外泄漏吸气受阻系统外泄漏冷却器效率低压缩机转速降低,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,8,气阀故障往复式压缩机有60%以上的故障发生在气阀上，据某石化公司炼油厂对循环氢压缩机的故障统计，气阀故障引起的停机次数占总停机次数的85%以上。气阀一旦发生故障，马上影响压缩机的产气量，降低效率，浪费能源。阀件破损后碎块落入气缸，引起气缸拉毛，活塞和活塞环损坏，带来更为严重的问题。,疲劳破坏由于阀片承受着频繁的撞击载荷和弯曲交变载荷，阀片容易产生疲劳破坏。阀片磨损环状阀片与导向块工作面之间产生的摩擦磨损，可减弱阀片强度，降低使用寿命。阀片材料缺陷材料夹渣、夹层、裂纹等缺陷引起阀片应力集中。介质腐蚀压缩介质本身有腐蚀性或介质中含有水份，工作时冲刷阀片，破坏阀片表面保护膜，在阀片局部地方出现腐蚀麻点和空洞，引起应力集中，产生腐蚀疲劳破坏。,阀片损坏,4.1.2压缩机主要零部件的机械故障,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,9,弹簧变形时与弹簧孔壁发生摩擦磨损，强度下降而断裂弹簧从阀片全闭到全启，其载荷由预压缩力变化到最大压缩力，承受脉动循环载荷，引起疲劳破坏介质对弹簧表面腐蚀，产生麻点、凹坑，引起应力集中，加速弹簧疲劳破坏材质不符合要求，弹簧的加工、热处理有缺陷,气阀弹簧损坏,4.1.2压缩机主要零部件的机械故障,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,10,4.1.2压缩机主要零部件的机械故障,阀座密封面不平，表面粗糙度达不到要求密封面被碰伤阀片变形、破裂阀隙通道有异物卡住气体温度高，润滑油易变成碳渣卡住封面。石油气压缩机，温度和压力越高，聚合物积碳越严重，碳渣粘着在阀片和阀座上，使气阀漏气弹簧力过小弹簧端面与轴线不垂直阀座、阀片严重磨损,气阀漏气,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,11,活塞杆断裂往复式压缩机的活塞杆断裂事故也较常见，据报导约占重大事故的25%左右，活塞杆断裂，不仅损坏活塞和气缸，而且还由于其它零部件的连锁性破坏，使易燃、易爆或有毒气体向外泄漏，带来人员伤亡、生产装置毁坏等一系列严重事故。活塞杆发生断裂的地方多数是在活塞连接处与十字头连接处，其原因一般是：（1）活塞杆的螺纹由于螺纹牙型圆角半径小，应力集中严重，容易在循环载荷下产生裂纹和断裂。因此对大型压缩机须用滚压加工，用以消除应力集中。（2）退刀槽、卸荷槽、螺纹表面的粗糙度达不到要求，容易产生表面裂纹。（3）活塞杆的材质和热处理有问题，例如存在粗晶、魏氏体组织、偏析以及强度和塑性不符合要求。（4）连接螺纹松动或连接螺纹的预紧力不足。（5）某一级因其他故障原因而严重超载。（6）活塞杆跳动量过大。（7）工艺气体腐蚀。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,12,连杆螺栓断裂连杆螺栓在工作时承受很大的交变载荷和几倍于活塞力的预紧力，因此对它不仅要求具有足够的静强度，更重要的是要有较高的耐疲劳能力。对其结构形状、应力集中情况和装配精度等方面都有严格要求。连杆螺栓断裂的原因有：（1）连杆螺栓拧得太紧或太松。拧得太紧，螺栓承受过大拉力而折断；宁得太松，工作时螺母松动，连杆大头瓦在连杆体内晃动，螺栓承受过大的冲击力而折断。（2）开口销折断引起连杆螺栓松动、断裂。（3）连杆螺栓疲劳断裂。（4）连杆螺栓的材质、锻压、热处理、加工、探伤和装配有问题。（5）连杆大头瓦过热，活塞卡住或超负荷运转，连杆螺栓因承受过大应力而折断。（6）运动部件出现故障，对连杆螺栓产生较大冲击载荷。（7）长期使用达50008000小时，未对连杆螺栓进行磁粉探伤和残余变形测量。如果螺栓有万分之一以上残余变形者均应报废。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,13,曲轴断裂曲轴承受较大的交变载荷和摩擦磨损，对疲劳强度和耐磨性要求较高。曲轴多数发生拐臂处断裂，曲轴断裂的原因有：（1）压缩机地基与电动机基础发生不均匀沉降，使联轴器严重不对中，曲轴承受巨大的附加载荷。（2）压缩机超载或在紧急停机时产生的剧烈冲击。（3）安装不正确或工作中气缸轴线发生变化，与曲轴轴线不垂直，使曲轴承受附加弯矩。（4）轴瓦在曲轴上装配不良，支承面贴合不均，间隙过小，轴承发热，轴颈拉沟、咬住或弯曲变形。（5）轴颈与曲拐过渡圆角是最严重的应力集中点，该处最容易发生疲劳断裂。圆角半径一般取r=(0.050.09)d(d为曲拐销直径)，其表面粗糙度不大于0.4。（6）设计不合理、材质不良、热处理不合要求，探伤不及时等,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,14,活塞卡住、咬住或撞裂（1）润滑油质量低劣，注油器供油中断，发生干摩擦，因摩擦发热，阻力增大被卡住、咬住。（2）气缸冷却水供应不足，或气缸过热状态下突然通冷却水强烈冷却，使气缸急剧收缩（抱缸），把活塞咬住。（3）气缸带液（例如，制冷压缩机吸入蒸发器中的液体造成“冲缸”；压缩机吸入气体太潮湿，气体被压缩后有水份析出，发生气缸“水击”），可撞裂活塞，甚至击破气缸。（4）气缸与活塞间隙太小。（5）气缸内掉入活塞螺母、气阀碎片等坚硬物，活塞撞击时碎裂。（6）活塞材质不良、铸件质量低劣，强度达不到要求。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,15,4.1.3压缩机故障振动分析,往复式压缩机由于存在旋转惯性力、往复惯性力及力矩，将会引起机器和基础的振动。除了这种机械运动引起的振动之外，往复式压缩机由于间歇性吸气和排气，气流的压力脉动还会引起管路振动。如果气流脉动频率恰好与气柱或管道自振频率相同，就会产生管道共振，这种共振将带来严重的后果，不仅引起压缩机和基础、管道各连接部分松动，严重时甚至会振裂管道。压缩机机体振幅的大小与机器的结构型式有关。我国现行往复式压缩机机械振动测量与评价标准（GB/T7777-87）是通过对压缩机机体外表面不同高度和不同方向上（X、Y、Z三个方向）进行振动测量，取其最大的振动速度有效值作为压缩机振动烈度的评定值。压缩机按不同结构型式分为四类，各类压缩机的振动烈度不允许超过中规定的极限值。对于天然气工业用的压缩机标准则以美国石油学会标准API618为基础。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,16,4.1.3压缩机故障振动分析,往复式压缩机旋转惯性力和往复惯性力分析,2.曲柄连杆机构的旋转惯性力和往复惯性力,1.活塞的位移、速度和加速度,一阶往复惯性力:,二阶往复惯性力:,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,17,4.1.3压缩机故障振动分析,往复式压缩机由于存在旋转惯性力、往复惯性力及力矩，将会引起机器和基础的振动。除了这种机械运动引起的振动之外，往复式压缩机由于间歇性吸气和排气，气流的压力脉动还会引起管路振动。如果气流脉动频率恰好与气柱或管道自振频率相同，就会产生管道共振，这种共振将带来严重的后果，不仅引起压缩机和基础、管道各连接部分松动，严重时甚至会振裂管道。上述这些振动问题往往是设计、制造中产生的。另外，往复式压缩机由于安装和操作不当也会带来一些故障振动问题。经常可能发生振动的部位和原因：,1.振动故障,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,18,4.1.3压缩机故障振动分析,1.振动故障,气缸与底座调整不良，连接螺栓松动气缸与活塞环磨损或间隙太大气缸余隙太小，活塞在往复运动中碰撞阀座，发出沉闷的金属撞击声和振动活塞和阀座上的螺栓螺母因松动而落入气缸，发生敲击振动氨制冷压缩机和临界温度较低的气体容易发生气缸带液，在气缸内发生液体冲击压缩机运行中曾中断供水，阀门、缸壁、活塞温度迅速上升，在高温下突然通入冷却水冷却气缸，使缸壁骤然冷却而抱住活塞，产生很大振动，甚至严重损坏缸体和活塞,气缸振动,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,19,4.1.3压缩机故障振动分析,1.振动故障,机体振动,往复惯性力和力矩没有平衡好曲轴中心线与机身滑道中心线不垂直对称平衡型压缩机机身的主轴承不同心，机身水平度不符合要求地脚螺松松动，运动部件连接不牢，基础刚性不好，底座不均匀下沉联轴器对中不良，或机体基础与电动机底座不均匀下沉主轴承间隙过大或轴瓦磨损连杆大头和曲拐销之间间隙过大，曲拐销向反方向运动时对大头瓦产生撞击十字上下滑板与十字头滑道间隙过大。具有浮动销的十字头，十字头销能在销孔中转动，虽然磨损均匀，但磨损后冲击和振动较大活塞杆弯曲或活塞杆连接螺母松动活塞杆负载过大，连杆轴承损坏,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,20,4.1.3压缩机故障振动分析,1.振动故障,压缩机机体振动引起基础振动基础结构薄弱，与机体或管道某一部分发生共振由压缩机振动等原因产生基础下沉,基础振动,2.噪声故障,往复式压缩机运行过程中，各运动部件会发出有节奏的与转速一致的正常响声，有经验的工人能从不同响声中判断出压缩机运行是否正常。当响声有刺耳的噪声、撞击声和不规则的节奏时，他们可立即判定机器运转不正常，甚至能判断故障发生的大致部位。常用的监测手段是用听棒测听机器各个部位，也可用机械故障听诊器，它是利用加速度传感器拾取的信号经过滤波、放大，通过耳机测听，比听棒有更高的灵敏度和信噪比。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,21,4.1.3压缩机故障振动分析,振动和噪声故障,往复式压缩机由于运动部件机构复杂，零部件多，产生故障振动和故障声音是由多种原因产生的，而且各种激励力对机器外壳上某测点的振动响应，由于传输途径的干扰也往往难以识别故障。往复式压缩机的故障频谱图不同于旋转机械，它除了工频成分之外，往往伴有许多高倍频成分，而且它们的幅值也较高。高倍频成分上的能量集中可能是反映出主轴承磨损、活塞撞击、阀碰撞等故障。往复式压缩机进行故障振动和声音的状态监测，相对其他旋转机械来说难度较大，故障诊断的研究工作开展得还不很普遍。有必要有意义对活塞式压缩机状态监测与故障诊断技术进行深入研究，研制出有一定特色且切实可行的在线监测系统。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,22,4.1.3压缩机故障振动分析,往复压缩机需监测的状态量及其测量分析方法,振动和噪声故障,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,23,4.1.3压缩机故障振动分析,某钢铁厂空压机站有多台2D12-100/8型空气压缩机，曾出现过多起一、二级气缸十字头连杆断裂事故和基础底脚螺栓松动引起振动的故障。该机型为2列、对称平衡式，结构布置如图4-6所示。机器的技术参数如下：排气量102m3/min一级排气压力：0.2MPa二级排气压力：0.8MPa轴功率：540kw转速：500r/min,故障实例：对称平衡式空压机的故障振动诊断,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,24,4.1.3压缩机故障振动分析,故障实例：对称平衡式空压机的故障振动诊断,1).多台压缩机运行期间，第一次监测，发现该型压缩机的3号机比4号机在测点上的振动值高出很多，从测点H方向的频谱图上可见，3号机的工频成分幅值为2.1mm/s，3倍频、5倍频成分的幅值也非常高，而对比4号机同测点同方向上的工频成分幅值，仅为0.4mm/s。由此确定3号机存在故障，由于测点位于靠联轴节端的轴承座上，初步诊断为联轴节对中不良或该端机座松动。经过检查，发现曲轴箱靠电动机端的底座地脚螺钉确定松动情况严重，引起该处测点很高的振幅。停机后紧固地脚螺栓，振幅就大幅度下降。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,25,4.1.3压缩机故障振动分析,故障实例：对称平衡式空压机的故障振动诊断,2).第二次监测，发现4号机测点（位于一级缸体部位）三个方向上的振幅较上一次测量值有较大幅度上升，振动幅值呈迅速上升趋势，在短短的半天时间内，同一测点上4号机比3号机的通频振幅几乎大了近一倍，工频成分高出3倍，前者还存在明显的4倍频成分，证明4号机的一级缸体部位存在故障。当即决定停机检查，结果发现一级缸十字头螺栓松动，使活塞、连杆和十字头在运动中产生较大的撞击力。经过调整以后，该测点的振幅基本恢复到原来状态。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,26,4.1.3压缩机故障振动分析,经验总结：,（1）气缸上的测点（上例中测点和）在径向和轴向方向上的振幅对活塞在缸体内的运行情况好坏比较敏感。径向和轴向振幅明显上升，说明活塞、连杆、十字头存在松动，在往复运动过程中发生直线位置偏移。（2）地脚螺栓松动，在机座垂直方向上的振幅将会明显上升。（3）十字头滑道处径向振动明显上升，反映十字头与滑道接触不良。（4）通过同类机组振动情况的相互比较，机组自身不同时刻的振动情况比较，有助于判别机器是否存在故障和故障发展的程度。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,27,4.2示功图及阀片运动规律的测量和故障分析,4.2.1压缩机示功图显示的故障,压缩机运行时，气缸内的气体体积和压力是在不断变化的，通常利用示功器观察和记录不同的活塞位置或曲轴转角时气缸内部气体压力的变化，所得到的就是P-V示功图。利用示功图形状变化，可以显示压缩机在结构设计、管道配置以及操作运行中的故障和问题。例如：测量压缩机的指示功率，气阀上的压力损失和功率损失，气缸余隙容积的大小，气阀和管道截面积是否太小，气阀、活塞环、密封填料是否泄漏，气阀弹簧力过大或过小，以及阀片颤振、气流脉动等故障情况。故障的判别一般采用正常示功图与不正常示功图作对比的方式进行，需要有一定的实践经验。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,28,压缩机示功图显示的故障,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,29,4.2示功图及阀片运动规律的测量和故障分析,4.2.2阀片运动规律曲线,对一个性能良好的气阀来说，要求它在气缸内压力超过排气压力或低于吸气压力时能够迅速打开，亦即气流在阀上的压力损失要小；当阀片到达阀挡（升程限制器）时，没有太多的反弹，能够稳定地贴在阀挡上；阀片在开启和关闭过程中波动要小，关闭后不应有多次开启现象；当活塞到达上、下死点位置后，阀片能及时返回阀座。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,30,4.2示功图及阀片运动规律的测量和故障分析,4.2.2阀片运动规律曲线,阀片运动规律曲线在故障诊断方面的作用1）判断阀片开闭是否及时，如果阀片滞后开闭或开闭时间过长，则可能的故障原因是：(a)弹簧力不合适；(b)阀座上带有过多的油水，对阀片产生粘着作用。(c)阀隙通流面积太小，气流阻力太大；(d)气流存在压力脉动。2）判断是否存在气流压力脉动气流压力脉动在阀片运动规律曲线图上不仅表现为阀片开闭不及时，而且还出现大幅度的波动、高频率的颤振和多次开启现象。3）判断气阀流通截面大小阀片运动曲线包围的面积表示气阀的实际通流能力，称为“时间截面”。阀片运动曲线的“时间截面”太小，表示气阀流通截面太小。气流阻力大，相应在气阀上的压力损失也大。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,31,4.3压缩机的气流压力脉动与管道振动,4.3.1气流脉动引起的故障分析,往复式压缩机在运转过程中，吸气、排气是间断性的，活塞运动速度也是随时间而变化的，这种现象会引起管道内气流的不稳定流动，产生流体压力脉动。,管路系统内所容纳的气体称为气柱。气体像任何振动物体一样，具有一定的质量，可以压缩、膨胀，具有一定弹性，所以气柱本身就像一个弹簧，压缩机装在管路的始端，活塞运动时周期性地向管路吸气、排气，对管路中的气柱产生激发力，引起气柱振动。气柱是一个连续的弹性体，在接受了激发后，就把所形成的振动能量以声速向管道远方传播。简单管道的气柱固有频率：,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,32,4.3压缩机的气流压力脉动与管道振动,4.3.1气流脉动引起的故障分析,(i=1,3,5,),(1).管道一端封闭（如压缩机端），另一端为开口（如连接缓冲器、膨胀容器）。只要容器的容积大于管道容积的10倍以上，就可以把容器视为开口端。,(2).两端封闭的管道（如两台压缩机并联，中间用管道连接）,(i=2,4,6,),(3).两端均为开口的管道（如两个大容器之间用管道连接）,(i=2,4,6,),2020/5/18,工业装备故障诊断技术,33,4.3压缩机的气流压力脉动与管道振动,4.3.1气流脉动引起的故障分析,管路中的气柱是否会发生共振，取决于气流的激发频率。压缩机气流的压力脉动波形并不是一种简谐波，而是包含了多种频率成分的复合波形。我们可以通过谐波分析方法，把气流脉动波形分解为数阶谐波，其中幅值最大的谐波称为主谐波。当激发频率在气柱固有频率的共振区内，就会使管道中的气柱处于共振状态，此时气流压力脉动非常严重，引起管道、压缩机和基础的强烈振动。气柱共振状态下的管道长度称为共振管长，共振管长区为：,转速:n单作用:m=1双作用:m2,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,34,4.3压缩机的气流压力脉动与管道振动,4.3.1气流脉动引起的故障分析,实例某汽车制造厂一台型号为L8-60/70型双缸双作用空气压缩机，该机使用中发现当二级排气压力达到额定值0.7MPa时，一级排气压力超过额定值约18.5%。压缩机参数：转速n=428r/min吸入温度t=20一级排气额定压力p1=0.20.23MPa二级排气额定压力p2=0.7MPa一级进气管实测长度l=3.468m声速:双缸双作用压缩机的激发频率一阶共振管长,一般对于避免管道气柱共振的措施有两种：其一是取消进气管，这样一级排气压力可以恢复到正常的设计压力；其二是把进气管加长。最后采取了第二种措施，把进气管加长至l=6.5m，从而恢复到正常压力，管道振动现象也随之减弱。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,35,4.3压缩机的气流压力脉动与管道振动,4.3.2管道压力脉动的防治措施,管道压力脉动实质上是一种周期性的气流冲击波浪，消减压力脉动就是消减压力的不均匀度，减小其脉动幅度，通常的防治措施是在管路系统中加装各种类型的消振器，例如缓冲器、声学滤波器、孔板等。当然，管道中气流压力的不均匀度首先与激发源有关，在多缸压缩机中，缸体的布置方式和各缸曲柄的错角位置将会直接影响到压力波的波长和波动的均匀性。采用合理的吸排气顺序气阀开启时间长短与压比有关，而开启的相位差，取决于气缸的结构与曲柄错角的配置。对同一级压缩的二个缸来说，双作用气缸比单作用气缸的气流连续性好，压力脉动相对要小，同样为单作用气缸，曲柄错角a=90的配置优于a=0的配置，对动式单作用气缸的激发力是相互叠加的，脉动最大。对于相连两个级的气缸，任何型式的双作用气缸，由于I级缸排出的同时II级缸吸入，其进、排气激发力是相互抵消的,但是对于双级单作用气缸，只有对置式和曲柄错角为180的立式，激发力才能相互抵消。,2020/5/18,工业装备故障诊断技术,36,4.3压缩机的气流压力脉动与管道振动,4.3.2管道压力脉动的防治措施,2)装设缓冲器缓冲器实际上是个蓄能器，它像水库那样能够起到调节能量的作用。当上游处在压力波的峰值时，由于气体的弹性作用，压力波进入缓冲器后压缩其中气体，压力波的动能变为缓冲器内气体被压缩后的弹性势能。而当上游处在压力波的波谷时，缓冲器内压缩气体膨胀，势能变为动能，弥补了管道内瞬时压力的下降。这样，通过能量转换，缓冲器就等于一个气体弹簧，起到对振源的隔振作用，从而把出缓冲器后的压力脉动峰值降低了很多。,2020/5/18,工业装备故障