JP5107632B2 - 往復圧縮機を監視するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、往復圧縮機の機械状態を監視するためのシステム及び方法に関し、より具体的には、圧縮機組立体の固有動作ひずみを測定することによって、ハイパー圧縮機シリンダの動的性能を測定する非侵襲的システム及び方法に関する。

低密度ポリエチレンの製造には、非常に高い圧力の使用が必要である。重合圧力は、５０，０００ｐｓｉもの高さに達する場合がある。これら圧力を達成するために、高圧往復圧縮機、すなわちハイパー圧縮機が使用される。動作中にハイパー圧縮機シリンダ構成要素の機械状態を監視することは、メインテナンスの必要性を判定する上で重要である。すなわち、ハイパー圧縮機は、例えば弁不良、弁漏洩、パッキン漏洩及び同様のものを含む、低圧往復圧縮機と同様の問題を受けやすい。揮発性ガスを圧縮するために使用するプランジャは、高い圧縮強度を有するが脆弱でありかつ一般的に破壊した時に粉々になる材料で構成される。弁不良は、圧力の不均衡によって圧縮機駆動装置に過度の応力を引き起こす可能性があり、或いは弁の部品の緩みを引き起こして圧縮チャンバ内へ落下させ、それによってプランジャの湾曲及び最終的破損を生じさせるおそれがあるプランジャ表面上での金属間接触を引き起こす可能性がある。そのような破損は、圧縮機の機械的破壊及び発火しやすい揮発性ガスの放出を引き起こし、それによって圧縮機近くの作業者に対する安全上の懸念を生じさせる。シリンダ性能を判定するためにチャンバに貫入することによって高圧を直接測定することは、非常に危険である。シリンダ圧力を知ることにより、弁及びパッキング性能の実態を見抜き、かつ多くの壊滅的状態の発生の可能性を回避することができる。

圧縮機組立体のひずみ測定は、米国特許第７，０５６，０９７号に記載されているように、ヘッドボルト又は締付ボルト上に取付けたひずみゲージ、或いはヘッドとヘッドボルトナットとの間の圧縮荷重測定を用いて行われている。上述の特許公報で用いられている荷重測定システムは、荷重支持構造の一部として装置を挿入し、変形又は圧壊に曝されており、このことだけで安全上の懸念となるおそれがある。外付けひずみゲージは、応力要素への良好な接合を支援するために表面を清浄にすることが必要である。加えて、そのようなひずみゲージは、温度依存性である。さらに、ゲージは、小型であり、産業環境内での使用に耐えるための保護を必要とし、また動作圧縮機上に設置した時に周期的に応力を受ける。クランプオンひずみゲージ組立体が使用されてきたが、これらもまた表面の清浄化が必要であり、また接触領域が応力下にあるので、接触面が経時的に及び周期的応力下で「クリープ」することになる。
米国特許第７，０５６，０９７号公報 米国特許第４，４５６，９６３号公報 米国特許第４，６６９，９６０号公報 米国特許第５，０３８，８９３号公報 米国特許第５，８８２，３８４号公報 米国特許第５，９３１，０４４号公報 米国特許第６，２１６，３００号公報 米国特許第６，２９２，７５７号公報 米国特許第６，４９４，３４３号公報

本発明の例示的な実施形態では、システムは、往復圧縮機の機械状態を監視する。往復圧縮機は、圧縮機フレーム、圧力チャンバ及び圧力チャンバヘッドを含み、圧縮機フレーム及び圧力チャンバヘッド間に複数の締付ボルトが固締される。本監視システムは、複数の締付ボルトの１つに固締されたセンサ組立体を有し、センサ組立体は、締付ボルトの１つの伸びに合わせて伸びるように配置された伸長部材と伸長部材の伸びを測定するセンサとを含む。

本発明の別の例示的な実施形態では、往復圧縮機の機械状態を監視するためのシステムは、複数の締付ボルトの１つに固定されたロッドクランプと、締付ボルトの１つに固定されかつロッドクランプから間隔を置いて配置されたセンサクランプと、センサクランプ内に取付けられたセンサと、一端部においてロッドクランプに固定されかつ反対側端部においてセンサに近接してセンサクランプに移動可能に連結されたターゲットロッドとを含む。締付ボルトの１つの伸びは、センサを用いて、センサクランプに対するターゲットロッドの移動を検知することによって測定される。

本発明のさらに別の例示的な実施形態では、往復圧縮機の機械状態を監視する方法は、（ａ）複数の締付ボルトの少なくとも１つに対してターゲットロッドを固締する段階と、（ｂ）ターゲットロッド移動量を測定する段階と、（ｃ）ターゲットロッド移動量を往復圧縮機の機械状態に相関させる段階とを含む。

本明細書に記載したシステム及び方法は、圧縮機組立体の幾つかの部分における固有ひずみを用いて、シリンダ圧力を判定する。圧力によって生じる固有ひずみは、圧縮機構造体の長さの増大を生じ、本明細書に記載したシステムは、圧力に線形比例するこの寸法変化を測定する。本システムでは、温度上昇のあらゆる熱膨張作用を補償するように圧縮機と同様の材料を使用する。大きな構造長さにわたってひずみを測定することにより、比較的低い感度を有する可能性があるひずみゲージにおけるセンサ感度を実質的に高めることが可能になる。シリンダ上に配置した複数の検知システムは、合算して、感度を付加しかつ不均衡なひずみを引き起こす可能性があるシリンダ内のあらゆる「ワグ（ｗａｇ）」を平均化することができる。「ワグ」というのは、チャンバの両側面の不均衡なひずみを引き起こすことになるシリンダ組立体の側面間の移動である。垂直方向には大きな支持及び剛性があるが、水平方向にはこれらが殆どない。

図１を参照すると、例示的な高圧往復圧縮機１０を示している。圧縮機１０は、圧縮機フレーム１２、圧力チャンバ１４及び圧力チャンバヘッド１６を含む。圧縮機フレーム１２及び圧力チャンバヘッド１６間に、複数の締付ボルト１８が固締される。圧縮機１０の使用及び動作は公知であり、その詳細はこれ以上説明しない。

引き続き図１を参照すると、本システムは、ロッドクランプ２０、センサクランプ２２、ターゲットロッド２４及びセンサ２６を含む。ロッドクランプ２０は、複数の締付ボルト１８の少なくとも１つに固定される。センサクランプ２２は、同一の締付ボルト１８に固定されかつロッドクランプ２０から間隔を置いて配置される。近接プローブ又は同様なもののようなセンサ２６が、センサクランプ２２内に取付けられる。１つの好適なセンサは、ネバダ州ミンデン所在のＢｅｎｔｌｙ Ｎｅｖａｄａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なベントリーネバダＮＳＶプローブである。これに代えて、光学又はその他の好適なセンサを使用することができる。ターゲットロッド２４は、一端部においてロッドクランプ２０に固定されかつ反対側端部においてセンサ２６に近接してセンサクランプ２２に移動可能に連結される。締付ボルト１８の伸びは、ターゲットロッド２４反対側端部及びセンサクランプ２２の相対移動を引き起こす。

ロッドクランプ２０は、それに対してロッドクランプ２０が固定される締付ボルト１８よりもわずかに小さい内径を有するツーピースクランプであるのが好ましい。クランプからの突出部は、ターゲットロッド２４を受けるようにねじを切られる。ターゲットロッドは、ネックダウン加工されかつ一端部上にねじを切られて、ロッドクランプ２０に締結されかつクランプ２０に対して垂直になり、ネックダウンショルダ部がターゲットロッド軸線に対して垂直になった状態になるのが好ましい。

ターゲットロッド２４の反対側端部は、ロッドの軸線に対して垂直でありかつ測定ターゲットとして使用される。ロッド２４上の円周方向溝は、センサクランプ２２内への正確な挿入深度を示すために使用される。図３を参照すると、突出部が、ターゲットロッド２４を受けるようにプラスチックスリーブでライニングされた空洞２８を含みかつセンサ２６を支持するようにねじを切られた長さを有する点以外は、センサクランプ２２は、ロッドクランプ２０と同様である。測定は、ターゲットロッド２４の軸方向面に対するセンサクランプの位置で行われる。

本システムを設置するためには、最初にロッドクランプ２０が、締付ボルト１８の一端部付近に配置され、クランクボルトを堅く締めることによって締付ボルト１８に固締される。次にターゲットロッド２４が、ロッドクランプ２０内にしっかりと堅く締められる（締付ボルト１８と平行に）。次にセンサクランプ２２が、締付ボルト１８上に設置され、ターゲットロッド２４が該ターゲットロッド２４の溝によって示された深度にセンサクランプ２２内で延びるまで該ターゲットロッド２４に向かって摺動される。次にセンサ２６が、センサクランプ２２内に組付けられ、開始深度に挿入された時に、センサは、ジャムナットを用いてセンサクランプ２２に対して所定の位置にしっかりと固締される。この過程は、装置を付ける各締付ボルト１８について反復される。当業者は別の方法又は異なる順序の手順を思い付くことになるのでこの記載した方法は例示であり、本発明は、必ずしも記載した方法に限定することを意図するものではない。

図２を参照すると、圧縮機の動作中に、プランジャ３０への力（力１）は、シリンダ内に等しいが対向方向に圧力下のガスを形成する。生じた応力（力２）は、シリンダヘッド１６から支持締付ボルト１８（力３）に釣り合い状態で伝わる。この応力が、ボルト材料のヤング率によってボルトの長さを増大させる締付ボルト１８上のひずみを生じさせる。ロッドクランプ２０とセンサクランプ２２との間の全体長さの増大は、２つのクランプ２０、２２間の締付ボルト１８の長さの増大に直接関連する。ターゲットロッド２４はロッドクランプ２０に対して固定されるが、センサクランプ２２内で自由に摺動することができるので、センサ面からターゲットロッド軸方向面までの距離は、締付ボルト１８のひずみ誘発長さ増大と同じだけ変化することになる。

センサ２６は、該センサ２６とターゲットロッド２４のターゲット面との間の間隔のこの増加量を測定し、この増加量は、締付ボルト１８上のひずみに直接関連している。センサ２６は、ＣＰＵ又は同様のもののようなプロセッサにその測定値を出力し、プロセッサは、標準的な圧力−ボリューム（ＰＶ）図に外見上類似する出力曲線を生成し、この出力曲線を用いて、圧縮機の状態を評価する。

圧縮サイクルは熱を発生し、その熱の一部分は、圧縮機シリンダ及びヘッドによって放射される。締付ボルト１８が加熱されるにつれて、締付ボルト１８は、その線膨張率の結果として膨張する。この熱膨張はまた、ロッドクランプ２０とセンサクランプ２２との間の距離を増大させることになる。温度がシリンダから放射されるので、ターゲットロッド２４もまた、温度変化に応じて膨張し、その膨張がセンサ２６とターゲットロッド面との間の距離を減少させ、従って装置及び締付ボルト１８の周囲温度を補償する。このことは、単にクランプ間の距離を測定することのみ（例えば、レーザを用いて）では熱膨張を補償することにならないので、重要な特徴である。ターゲットロッド２４の設置は、その機能を提供する。

締付ボルト１８における力を均衡させることにより、ボルト応力の全てを合算して駆動力が均等になるようにするが、これは、締付ボルト１８の全ての間で駆動力が均等に分割されることを保証するものではない。幾つかのセンサ２６からのセンサ出力は、シリンダに作用する力を合計するように合算することができる。

本明細書に記載した監視システムは、圧縮機組立体の部分上の固有ひずみを用いてシリンダ圧力を判定する。シリンダ圧力を監視することによって、弁及びパッキン性能に関する有益な情報を得て、それによって壊滅的状態の危険性を低減することができる。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

その機械状態を監視するための付属システムを備えた例示的な往復圧縮機の斜視図。 監視システムの動作を示す断面図。 監視システムセンサの詳細断面図。

符号の説明

１０ 往復圧縮機
１２ 圧縮機フレーム
１４ 圧力チャンバ
１６ 圧力チャンバヘッド
１８ 締付ボルト
２０ ロッドクランプ
２２ センサクランプ
２４ ターゲットロッド
２６ センサ
２８ 空洞
３０ プランジャ

Claims (7)

1. 圧縮機フレーム（１２）、圧力チャンバ（１４）及び圧力チャンバヘッド（１６）を含み、前記圧縮機フレーム及び圧力チャンバヘッド間に複数の締付ボルト（１８）が固締された往復圧縮機の機械状態を監視するためのシステムであって、
   前記複数の締付ボルトの１つに固締されたセンサ組立体を含み、
   前記センサ組立体が、
   前記複数の締付ボルト（１８）の１つに固定されかつ互いに間隔を置いて配置されたロッドクランプ（２０）及びセンサクランプ（２２）と、
   一端部において前記ロッドクランプ（２０）に固定されかつ反対側端部において前記センサクランプ（２２）に移動可能に連結されて、その前記締付ボルト（１８）の１つの伸びにより、前記センサクランプに対して移動するターゲットロッド（２４）と、
   前記センサクランプに対する前記ターゲットロッド（２４）の移動量を測定するセンサ（２６）と
   を含む、
   システム。
2. 前記センサ（２６）が、前記センサクランプ（２２）内に取付けられる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記センサ（２６）が、前記ターゲットロッド（２４）の反対側端部に近接して前記センサクランプ（２２）内に取付けられる、請求項１に記載のシステム。
4. 前記ターゲットロッド（２４）が、前記締付ボルト（１８）の材料と同様の熱膨張特性を有する材料で形成される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記複数の締付ボルト（１８）のそれぞれの1つに固締された複数のセンサ組立体を含む、請求項１に記載のシステム。
6. 圧縮機フレーム（１２）、圧力チャンバ（１４）及び圧力チャンバヘッド（１６）を含み、前記圧縮機フレーム及び圧力チャンバヘッド間に複数の締付ボルト（１８）が固締された往復圧縮機の機械状態を監視する方法であって、
   （ａ）前記複数の締付ボルトの少なくとも１つに対してターゲットロッド（２４）を固締する段階と、
   （ｂ）ターゲットロッド移動量を測定する段階と、
   （ｃ）前記ターゲットロッド移動量を前記往復圧縮機の機械状態に相関させる段階と、
   を含む方法。
7. 前記段階（ａ）が、その前記締付ボルト（１８）の１つに対してロッドクランプ（２０）及び前記ロッドクランプから間隔を置いたセンサクランプ（２２）を固定する段階と、前記ターゲットロッド（２４）が一端部において前記ロッドクランプに固定されかつ反対側端部において前記センサクランプに移動可能に連結されるように、該ロッドクランプ及びセンサクランプに対して前記ターゲットロッドを固締する段階とによって実施される、請求項６に記載の方法。
   

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