油气往复压缩机的状态监测

随着技术系统的高度复杂性和市场竞争力的提高，石油和天然气行业的需求不断增加，这迫使最终用户对这些系统实施适当的维护策略，以提高工厂的可用性和生产力，以满足这些更高的要求。

通常在操作旋转设备时，采用不同的维护策略。最简单的方法是运行一台机器，直到它因故障而停止冒着相对较小的损害可能导致昂贵的后果损害的风险。当充分了解机器内部的磨损机制并及时识别磨损的进展时，应在达到磨损寿命之前更换磨损部件，以最大限度地利用其磨损潜力并防止部件故障(预防性维护)．但是，往复式压缩机的寿命部件如阀门和轴承，不受线性磨损的影响，这使得很难根据工作时间来决定更换部件的最佳时间。对经历非线性磨损的组件的维护决策具有挑战性，不能仅依靠基于时间的策略来做出。他们需要持续的监控这些参数可以判断部件的状况，并估计最佳更换时间。这被称为预测性维护。

自20世纪70年代以来，许多石油和天然气工厂都安装了大量的往复式压缩机。往复式压缩机没有得到离心机械那样的高优先级监测。部分原因是由于与往复式压缩机相比，离心式和轴向式压缩机的数量更多，而且由于这些运行相对缓慢的机器的动能较低，操作人员没有遇到严重的损坏。然而,最近往复压缩机有更多的故障，同时是工艺关键．

在任何时候，运营商、工程采购和施工公司(epc)以及原始设备制造商(oem)在最后的工程阶段都遵循现有的适用指南和标准。这些标准在建造时是有效的，在很大程度上今天仍然有效。然而，在研究往复式压缩机种群的年龄后，人们会认识到，在许多情况下，这些大型、关键的机器从未被替换过，它们从几十年前的初始启动日期就一直在运行。为了理解为什么即使经历了几次灾难性的失败，我们仍然觉得不足机械保护监控大部分的机器S，回顾一下适用标准的历史可以帮助驱散迷雾。

从1976年发布的第一版API 670到2000年的第四版，API 670只关注离心式和轴向压缩机的技术要求。2014年11月，API 670第5版发布了关于往复式压缩机监测和保护的特殊指南。因此,现在工厂迫切需要新的和现有的压缩机，以符合API 670第5版的要求并填补空白，以提高这些类型压缩机的可用性、可检测性和监测性。

往复式压缩机工厂中最关键的资产之一;这些类型的机器可以提供比类似的轴向或离心式压缩机更高的压缩比。

往复压缩机在许多工业过程和许多行业中，如石油和天然气生产、炼油、提高石油采收率、腐蚀性气体生产、低温和低温应用中都具有重要作用。具体例子包括:

• 往复式压缩机上游:用于勘探、气举、回注和气厂
• 往复式压缩机中游用于天然气收集、回注、增压和传输、储存和液化天然气。
• 往复式压缩机适用下游炼油和石油化工、碳氢化合物加工、加氢裂化、加氢处理分馏、化肥(氨、尿素)和低密度聚乙烯(LDPE)。
• 天然气应用一般都是上游/中游的一部分，井口集气、蒸汽回收、气体回注、气举、管道输气、储气、燃料气增压、蒸煮气等都是天然气工艺的一部分。

往复式压缩机在上述这些服务有不同的特点如独特的建筑材料、润滑系统设计、驱动单元类型、容量控制系统、工艺特点等。在下游领域，人们对状态监测解决方案更感兴趣。在这些过程中，利润与往复式压缩机的可用性直接相关。在这些过程中，工厂通常将往复式压缩机归类为关键机器。

为炼油厂服务而设计的压缩机通常是为api - 618标准．炼油厂使用往复式压缩机主要有两个用途:

• 在加氢裂化装置中，使用的是工艺气体氢气，氢气是一种低分子量气体，只有往复压缩机才能更有效地压缩。
• 在必须处理各种分子量的火炬气和蒸汽回收服务中，往复式压缩机比离心式压缩机性能更好．

通常，同步电机驱动这些压缩机。ISO 13631标准描述了将在上游和中游段提供服务的相对高速压缩机的基本设计和运行特征。有应用范围广泛这里包括:

• 气体收集(可变比例和气体成分)
• 气体回注(高比低流量)
• 气举(高比低流量)
• 管道输气(变流量能力)
• 存储(可变流量能力)
• 燃料增压(高压缩比，低流量)

这些压缩机可以连接到往复式天然气发动机或电动机作为原动机。

尽管往复压缩机至关重要，但它们有时被状态监测专家观察不到。通常用于旋转设备的PDM工具(FFT便携式振动分析仪)不太适合往复式机械，多年来一直未能成功监测往复式压缩机。因此,总体机器运行状况经常被忽略没有得到正确诊断直到损坏发生，一切都太晚了避免机器出现故障。

一个便携式振动分析仪适用于故障间隔时间通常较长的工厂非关键机器和用于保护和状态监测的在线监控器的典型平衡，最适用于故障点到故障时间较短的关键机器和单元。这些传统的振动分析仪适用于早期故障检测旋转式(离心式和轴向式)机器由于以下原因在往复式压缩机中有一定的限制:

• 往复式机产生不均匀力，而通常过程是间歇的，因此整体振动幅度相对不受影响，对严重故障的警告很小，而可能存在严重损坏。
• 机械松动所产生的冲击非常短的持续时间波和高振幅峰值需要对十字头进行连续监测(在线系统)，以便早期检测。
• 阀门常见问题如粘性的阀门(延迟开启冲击)和阀簧丢失S(早开冲击)需要曲柄角度跟踪系统进行故障检测。

当将往复式压缩机与离心压缩机的工作原理进行比较时，显而易见的是往复式压缩机需要一个更专门的监测方法设计用于处理往复式压缩机所承受的所有特殊挑战。

往复式压缩机的正常运行表现出非常不同的行为;活塞由十字头驱动列车来回驱动，涉及逆转活塞杆的力量从紧张到压缩，反之亦然使整个框架及其各部件都有一定程度的抖动和弯曲;吸入和排出阀产生一个打开和关闭的影响，在整个机器中产生振动。看看往复式机器的操作，十字头显然是焦点时，曲轴的旋转运动转化为活塞杆的往复(线性)运动。这是一个中心部件，所有的主要力量都通过一个复杂的十字头转移到活塞杆。

往复式力通常比任何与曲轴直接相关的旋转力大得多(不对中、摩擦、不平衡等)。这些往复力通过活塞杆传递。相等和相反的反作用力通过距离片传送回框架。当我们计算压缩机中传递往复力的所有部件时，结果是十字头销往往是最薄弱的环节．

十字头销上的力受以下影响:

燃气负荷:

当燃烧室装载和卸载时，由压在活塞表面的气体压力引起的活塞杆上的力发生变化。由于有活塞杆，活塞的曲柄端比相反的头端有一个更小的表面积，供气体推动。如果两个腔室的气体压力相同，就会有一个合力将活塞推向曲轴。每个腔室的压力组合产生复杂的波形．

惯性载荷:

这种作用在活塞杆上的力仅仅是由往复部件(活塞、活塞杆和十字头)的加速度引起的。几乎所有往复式压缩机状态监测装置的惯性质量包括十字头总成、十字头螺母、活塞杆和活塞总成。此惯性质量集合与API-618第5版中提供的定义一致。

综合载荷:

组合载荷的定义是由气力和惯性力共同作用于活塞杆上的力。这种力量在整个革命过程中不断变化。该术语出现在API-618的第4版和第5版中，定义相同;但是，第四版要求每10度计算一次，第五版要求每5度计算一次。

往复和旋转质量不平衡力:

这些力在1倍和2倍压缩机速度时是主要的由不对称曲轴设计和不完善的制造公差造成．它们通常比惯性载荷和气体载荷小得多。

气体不平衡力:

这些都是由脉动瓶内的压力以及气缸喷嘴区域和管道内的脉动引起．允许的脉动电平在API-618中定义。尽管这些脉动力通常比上面列出的力小得多，如果它们恰好对应谐振频率，则可能对管道和管道支撑系统造成破坏对往复压缩机的结构失效模式进行了分析。

• 磨料粒子当它们进入气缸并加速骑手带磨损时，尤其有害。当它们穿过气瓶阀门时，会损坏弹簧、密封元件和阀座。
• 可口可乐公司存款高温导致气缸润滑油分解时形成。较轻的碳氢化合物分子被赶走，固体碳沉积物被留下。这些硬沉积物会干扰阀门、活塞环和骑带的正常工作。
• 腐蚀性物质会产生腐蚀，妨碍活塞环、活塞杆压力填料和阀门的正确密封，如果部件破裂，甚至会导致完全故障。
• 液体蛞蝓可能对阀门、压力填料和活塞环有害，因为液体本质上是不可压缩的。液体可能来自某些化学过程中的不完全分离，也可能来自该过程的级间冷却器或冷阶段的冷凝。这是一个灾难性的情况下，运行齿轮往往打破在几个周期。
• 工艺气体聚合:工艺气体中的小“不饱和”分子(碳原子之间有双键或三键)可以结合形成长聚合物链，从而污染气缸、活塞和阀门。
• 曲轴轴承由润滑不足、磨损和过载引起的过大间隙会导致高架振动。

这些只是当不希望的条件存在时，易受异常运动影响的部分组件。正常部件磨损是导致间隙过大的主要原因，因此随着时间的推移，异常部件运动可能会变得更加严重。

由于异常运动导致部件性能差和加速磨损，一旦部件开始退化，磨损率通常会增加。随着时间的推移，这会影响P-F曲线的斜率。

往复式压缩机的维护成本高，原因是各种压缩机部件(阀门排名最高);然而,停机成本很容易超过维护成本更换阀门虽然处于早期故障阶段的阀门可能不会对机器状况产生重大影响，但高级阀门故障可能会导致过载和机器磨损。有了先进的压缩机监控系统，就有可能评估可能的安全问题，评估阀门泄漏对机器状况的影响，并对故障部件的运行成本进行经济评估。

虽然总体振动趋势测量是监测旋转机械健康状况的一种很好的工具，但它通常不适用于监测往复机械，因为常见故障对总体振动水平的影响很小。结果，直到损伤发生时才诊断出异常，而采取简单的纠正措施为时已晚。有几种往复式机械故障，在损坏达到严重水平之前，不会显著增加机器的整体振动水平。

究其原因，往复式机械上很多典型的故障，其特点是机械松动，导致机器发生冲击或冲击事件。由于冲击通常对整体振动水平的影响很小，这些故障在早期阶段不会被检测到。因此，直到损坏发生时才诊断出异常，这时采取简单的纠正措施为时已晚。

安装的主要目的是在线监控和保护系统就是确保人员、资产、环境安全。它还提供了运营商需要的关键数据

工程师可以使用它来评估设备状况，确定机器可用性，并做出明智的运行/不运行决策。在某些情况下，这些数据还可用于最大限度地提高操作效率和机器健康状况。

压缩机常见问题会产生可识别的振动症状。通过使用适当的监测技术，我们可以更好地了解压缩机的状况。

在往复式机械中，加速度计，由于其较高的频率响应特性，应用于测量具有典型高频信号的冲击和气体泄漏故障．速度传感器具有较低的频率响应特性，用于测量与旋转相关的故障，如过载、基础退化或不平衡力。这两种类型的换能器一起工作，以给出一个合理的机器状况的图片。

这些测量可用于评估由活塞杆负载引起的力(气体力和惯性力)，以及由于曲轴的不对称设计而赋予主轴承的力矩。速度传感器可以安装在机架上，以测量整体机器振动。推荐的换能器位置与框架腹板对齐，以有效地捕获来自主轴承的传输振动。帧速度信号的幅度通常较低(小于0.3 ips)。然而，在低频率下，即使测量到的速度振幅很小，也对应着大量的位移。

这些测量可用于检测负载反转和阀门事件。建议在每个十字头上安装加速度传感器，以监测压缩机脉冲事件。正确的表面处理对于精确的振动测量是至关重要的。

随着时间的推移，零件磨损，机械间隙增加。这个额外的间隙给了零件更多的距离来获得速度元件之间的碰撞变得更有能量。

这些机械冲击产生高频结构振动。的频带3Hz-2kHz描述机械松弛这个信号是用来保护的。高达30kHz的高频组件携带来自阀门操作和气体泄漏的冲击能量，这种未经过滤的波形用于捕捉主要与阀门相关的故障。

这种振动测量涉及阀门的操作和运动，声学效应，以及各种泄漏情况的分析。加速度传感器可以安装在气瓶上，以检测与压缩机气瓶阀门相关的脉冲事件。确保加速度计采用推荐的传感器安装方法是特别重要的。

传统的相位参考信号(用于振动分析)是由一个可检测的特征触发的，该特征为机器转子轴的每一次旋转提供一个信号脉冲。通常用于此目的的传感器包括涡流位移、感应(磁)和光学换能器。

往复式机曲柄角信号应该由一个特别设计的多事件轮触发吗．该车轮包含一个每转一次的参考脉冲(由分度齿开发的双缺口触发)，以及多个同步脉冲，允许在曲轴的每一次旋转中校正曲柄角测量的扭转误差。

特殊的recp多事件轮上的多个缺口允许数据收集过程每曲柄旋转12次(每30度)重新同步。分割缺口用于识别主参考投掷的上止点位置。

将参考曲柄角度的不同测量值相关联，可以更彻底地诊断所观察到的症状。

骑带和活塞环都与气缸套接触。然而，骑带的设计是为了承载活塞的全部重量，而活塞环的设计只是为了在活塞和孔之间提供密封。活塞环及其安装槽特意设计有间隙，使活塞环能够“漂浮”，而不承担任何活塞重量的垂直负载。骑手带是有意设计的座位完全在他们的安装槽，以便他们可以支持活塞的重量。

骑手带的设计会随着时间慢慢磨损。在良好的操作条件下，磨损率可以非常低，特别是在润滑气缸应用中。然而，不利条件，如气缸润滑不当，组件不对中，或磨料颗粒或工艺气体中的水分会增加磨损率。

该测量集中于来自接近探头的直流电压信号，并使用相似三角形原理计算圆柱体内的位移值。趋势位移测量允许一个指示潜在的骑手带磨损随着时间的推移。有一些操作条件可能会使杆滴测量不可靠，因此在应用这种监测方法之前必须谨慎。

重要的是近距离探测是为实际的活塞杆，它将测量校准。典型的近端探测系统的标准尺度因子会受到整个系统中几个因素的影响。因素包括活塞杆铸造合金的成分、表面处理、涂层或污染，以及圆柱杆本身的圆度。

杆位监测器的主要用途是在压缩机运行过程中，不断测量活塞杆的垂直和水平位置并监测杆在两个轴上的弯曲。

知道了十字头间隙和活塞处预期的最大运动，我们就可以找到压力填料箱接近探头处预期的最大位移，我们就可以创建告警设定值相应的行动。探头的位置随着活塞行程的变化而不断变化。两个平面的峰值到峰值振动水平可以提供潜在问题的迹象如即将发生的活塞杆断裂或压力填料摩擦造成的活塞杆损坏。

技术的进步以及行业标准和最佳实践的改进鼓励最高管理层这样做通过实施这些新的监测技术，开始投资于对现有往复式压缩机的密切监测在计算了机器正常运行时间和可靠性方面的效益和投资回报率后，现在就可以使用了。

开始询问你的状态监测和可靠性团队，他们是否对他们现有的系统有足够的信心用于监测往复式压缩机，因为往复式压缩机与离心式压缩机相同你可能会惊讶于你的食谱没有得到很好的保护和监控。

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• Steven M. Schultheis, Charles A. Lickteig和Robert Parchewsky，往复压缩机状态监测， 2007，第36届叶轮机械学术研讨会论文集
• 布莱恩·r·朗，博士，工程工程师。，以及David N. Schuh, P. Eng.，往复机械故障检测与诊断，由机械咨询公司贝塔机械分析提供。
• 欧洲往复式压缩机论坛，往复压缩机系统振动指南，第三版- 2012年5月。
• 祖曼，j。《往复压缩机的冲击测量》振动学会第26届年会(2002年6月18-20日)。
• 《往复压缩机运行与维护》海因茨·p·布洛赫和约翰·j·霍夫纳
• API 670第5版2014年11月(机械保护系统)附件P。
• API 618第5版往复式压缩机为石油，化工和天然气工业服务。
• 压缩机手册McGraw-Hill手册第一版作者:Paul Hanlon(作者)
• 故障排除旋转机械:包括离心泵和压缩机，往复泵和压缩机，风扇，汽轮机，电动机，和更多1日版

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