往复式氢气压缩机振动监测及减振措施

李帅

摘要：往复式压缩机在石油化工、天然气输送管线等领域有着广泛的应用，其中，以电机为动力的活塞式氢气压缩机是加氢装置的核心设备。本文针对往复式氢气压缩机的振动问题，分析了压缩机及其附属管路的振动特性，采用在线监测和故障诊断技术，实现对往复式氢压机的振动监测，并提出相应的控制措施，确保压缩机的长期稳定工作。

关键词：往复式压缩机振动措施监测

引言

加氢工艺要求温度高、压力大，往复式氢气压缩机在该领域有着无可替代的地位，但同时也存在着振动复杂、故障率高、运行周期短等问题。尤其是在机组运行过程中，若不能得到及时的检测和处理，将会造成高压、易燃、易爆等危险气体的泄露，从而引发火灾和爆炸。因此，研究并掌握往复氢压缩机的振动机理，监测其工作状态并消除其振动，是保证其安全、稳定、长期运行的关键。

1往复式氢压机的工作机理

往复式压缩机的主体部分包括：机体（曲轴箱），曲轴，连杆，十字头，中间连接体，气缸，活塞，活塞杆，填料，气阀等。其工作原理为：通过活塞在汽缸中的往复运动和气门的对应打开和关闭动作，使得汽缸中的气体完成膨胀，吸气，压缩，排气四个过程，持续地进行循环，将压力较低的气体增压排放出去。往复压缩机工作压力范围广，但结构复杂，易损零件多，气流波动大，振动复杂。往复压缩机的运动部件是其工作原理和易损件。根据不完全统计，在压缩机的失效中，阀的故障约占40%，而活塞和填料组的故障约为30%，而传动件包括活塞杆、十字型、大、小瓦和曲轴的故障则约占总故障的20%。

2状态监控系统

BH5000系统拥有丰富的分析图，能够为设备的管理、运行和维护人员提供丰富的、专业的机组状态解析图，能够对机组的运行状况进行精确的把握，并对其进行故障判断。

2.1 BH5000传感器的主要监测参数及工作原理

(1)活塞杆的沉降：利用电涡流传感器测定了活塞杆的沉降位移，单位为um。主要用于检测活塞支承环、活塞环的磨损问题、磨损程度以及交叉头的检测。电涡流传感器：利用电涡流效应，对被测对象和探针端面之间的相对位置进行检测。该方法通过在传感线圈上施加高频电流，在传感线圈上形成交变磁场，利用电涡流的作用，使被测对象的表面形成一个反向的电涡流，从而引起传感器线圈阻抗的变化。在较小的间隙内，电涡流会增加，阻抗也会增加，而传感器的输出电压也会随之降低；相反，从传感器输出的电压信号会增加。这样，电涡流传感器就可以输出一个与被测量对象的位移成比例的电压。

(2)冲击信号：在十字头上设置一个加速度传感器，用于探测十字头因冲击而产生的震动，例如十字头松动，液体进入气缸，连杆轴瓦间隙太大，气门松动等。压电加速度传感器：通过压电陶瓷、石英晶体等材料的压电效应，使其受到的压力发生改变，并通过晶体形变来获得振动加速度。

(3)外壳振动：在曲轴箱外壳上装有压电速度传感器，对曲轴、连杆、活塞等旋转部件产生的振动进行检测。

(4)气阀温度：在各气门阀帽上装有热电阻温度传感器，用于测定气阀的温度。在阀门工作过程中，如果有一个阀门出现了故障，系统的温度就会上升，从而实现对阀门的故障监控。

2.2气体阀门的监测与故障判定

根据不完全统计，在所有的压缩机故障中，气阀是控制进气和排气的主要元件，也是往复压缩机中最容易出现故障部件，所以准确地判断气阀的故障非常重要，尤其是确定气阀的具体故障，对提高维修效率具有决定作用。在活塞从汽缸的内止点到外止点、再到内止点这一运动循环中，每一个气缸的进、出气阀的工作时间都是不同的，所以，在一个运动循环中，每一个气阀的大致工作时间点都是确定的，再加上振动波形图，就可以很容易地确定到底是哪一个气阀故障。

2.3压缩机壳体的振动监控

若曲轴箱两侧箱体的振动值超过规定，且在整个循环期间其数值保持不变，则可判定为该机组的旋转及传动设备的故障。产生的原因可能有：1.曲柄瓦磨损或空隙过大。2.连杆的尺寸瓦头磨损或空隙过大。3 十字头销钉与轴套之间的磨损和空隙太大。4.活塞连杆上的十字头和连杆的连接不牢。5.曲轴箱主轴瓦螺栓，连杆大头瓦螺栓，十字头螺钉等的松脱或断裂。此时需要停车，拆卸，检修，以免继续运转造成重大事故。

3活塞式氢压气机管路减振措施

3.1往复式氢气压缩机管道振动分析

往复氢压缩机管路的剧烈振动具有较大的危害性，它会导致压缩机的容积效率下降，排气量减少，机组功率损耗、气阀和控制设备的损坏，更重要的是，管路和配件的连接处会出现松动和断裂，给设备的安全稳定运行带来极大的危险，特别是氢气这种易燃的介质，很容易导致氢气泄露引发火灾和爆炸。从活塞式压缩机的工作原理出发，分析了管道的强迫振动。管道振动的成因，按其所受的激励可归纳为三类：(1)管道因设备的振动而产生的振动。(2)管道因空气流动而产生的振动。(3)当单元激振频率与管道内空气柱自振或管道机械自振频率相一致或相近时，管道产生谐振，从而产生管道振动。

3.2往复压气机管路的振动控制措施

通过对管道振动的分析，减振措施要从两个方面考虑：一是减少管道的脉动，也就是减少管道中的流体压力；二是在管道中增设约束支承，使其能够更好地吸收振动能量。结果表明：氢压机出口管道的前段自振频率对管道的振动有很大的影响，尤其是一、二阶振型。在管道自振频率为0.8-1.2倍时，管道将发生共振，从而导致管道的振动振幅增加，破坏力也增加。为了防止谐振对管道的损伤，必须使外部干扰的频率与管道的自振频率保持一致。为保证设备的安全运行，就要对管道支架进行改造。将管道支座设置于最大振幅处，可有效地吸收振动能量，降低管道的振动。根据现场实际情况，给出如下减振措施。

(1)在出口管地面局部位置增设一种能支承、限制管道各方向位移、起到调整作用的支架，保证出口管与压缩机主体的刚性一致。

(2)把原来的管道支座更换成弹性减震橡胶墩，对管道的振动进行抑制。

(3)对于由于空气流动而产生的管道振动，可以通过在适当的法兰上增设孔板来减小管道内的不均匀度，或者在管道上增设缓冲槽，通过缓冲槽的体积减小压力不均匀度。

(4)若激振频率在空气柱自振频率的谐振区段内，就会产生共振。气柱体系的自振频率与介质的声速、气体柱长有关，如果介质恒定，则其声波速度是恒定的，只有通过改变气柱体系的长度即管道的长度，才能改变减小共振。

(5)若激振频率在管子的机械固有频率范围内，就会产生共振。用有限元法和模态法来算出管道的固有频率，来判断是否发生共振。在工程实践中，通常采用的方式是通过调整支脚的位置及数量，使管道的自振频率发生变化。

4结语

企业的设备管理和维护人员及各岗位的操作者都要熟知设备的温度、振动、振动加速度以及活塞杆沉降探针的工作原理及安装位置，这对了解整个系统的工作原理、机组监测及故障判定具有重要意义。通过对往复氢气压缩机的管路振动的研究，制定有效的减振方法，即可以实现机组的长周期的稳定运行，也可为企业节省大量的维修成本。

参考文献：

[1]宋天民.石油化工机械.北京：中国石油化学工业出版社，2000年10:145-147.

[2]江志农，等.往复压缩机的故障检测与诊断方法.北京：科技出版社，2008:8:142-151.