基于現(xiàn)場(chǎng)工況的壓縮機(jī)氣閥國(guó)產(chǎn)化研究

張富強(qiáng)

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司渤西作業(yè)公司 天津300459)

0 引 言

壓縮機(jī)作為海洋石油平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備之一，承擔(dān)為燃?xì)馔钙接锰烊粴庠鰤夯蚱脚_(tái)天然氣外輸?shù)热蝿?wù)，因此壓縮機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量直接影響平臺(tái)生產(chǎn)的連續(xù)性和平臺(tái)運(yùn)營(yíng)成本。近年來，隨著海洋石油的開發(fā)，壓縮機(jī)數(shù)量迅猛增長(zhǎng)，僅中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司就擁有95臺(tái)壓縮機(jī)，主要為美國(guó) Ariel和Cooper兩大公司的機(jī)型，國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)占比很少。為保證壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，平臺(tái)一直采用廠家推薦的預(yù)防性維修策略，每運(yùn)轉(zhuǎn) 8,000,h做一次年檢，壓縮機(jī)所有配件均從原廠采購，壓縮機(jī)進(jìn)排氣閥也一直采用進(jìn)口氣閥(賀爾碧格公司提供)，進(jìn)排氣閥在 8,000,h年檢時(shí)進(jìn)行更換，日常運(yùn)行發(fā)現(xiàn)氣閥有漏氣等異常問題時(shí)，及時(shí)更換氣閥，返回賀爾碧格公司進(jìn)行維修。

雖然壓縮機(jī)進(jìn)排氣閥采用的是進(jìn)口產(chǎn)品，但是綜合考察進(jìn)口氣閥的使用情況發(fā)現(xiàn)，氣閥的壽命很少能達(dá)到 8,000,h，一般在運(yùn)行過程中均因漏氣或彈簧斷裂問題而被提前更換，可見壓縮機(jī)使用進(jìn)口氣閥并沒有實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行的目的，而且氣閥采辦及維修費(fèi)用是壓縮機(jī)維護(hù)費(fèi)用的主要部分，因此有必要實(shí)施國(guó)產(chǎn)化。

壓縮機(jī)氣閥國(guó)產(chǎn)化在陸地石化廠實(shí)施已經(jīng)成熟，但是在海洋石油平臺(tái)尚未嘗試。它不同于柴油機(jī)、泵類進(jìn)口配件的國(guó)產(chǎn)化，如果一味按照進(jìn)口配件的材質(zhì)、硬度、尺寸等指標(biāo)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化，就無法體現(xiàn)出國(guó)產(chǎn)化的優(yōu)勢(shì)。

1 氣閥工作原理及設(shè)計(jì)要求

1.1 壓縮機(jī)氣閥工作原理

氣閥是壓縮機(jī)氣缸上的重要組件，負(fù)責(zé)氣體的吸入和排出。傳統(tǒng)的氣閥由閥座、閥片、彈簧、升程限位器、螺栓等組成，如圖1所示。

圖1 進(jìn)氣閥Fig.1 Inlet valve

1.2 工作要求

從氣閥工作原理來看，氣閥工作性能將直接影響壓縮機(jī)氣缸的工作，因此對(duì)氣閥有如下要求：

1.2.1 阻力損失小

氣閥阻力損失大小與氣流的閥隙速度及彈簧力大小有關(guān)。氣速越高，能量損失越大；彈簧力過大，阻力損失也大，其大小按氣閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律的合理性準(zhǔn)則設(shè)計(jì)確定。

1.2.2 氣閥關(guān)閉及時(shí)、迅速

關(guān)閉時(shí)不漏氣，以提高機(jī)器的效率，延長(zhǎng)使用期。

1.2.3 壽命長(zhǎng)、工作可靠

限制氣閥壽命的主要因素是閥片及彈簧質(zhì)量，一般對(duì)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)，期望壽命達(dá) 8,000,h以上；對(duì)移動(dòng)式、短期或間歇運(yùn)轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)要求稍低。

此外，形成的余隙容積要??；噪聲??；氣閥裝配、安裝、維修方便，加工容易等。

2 進(jìn)口氣閥常見故障現(xiàn)象及原因

2.1 進(jìn)口氣閥故障現(xiàn)象

2.1.1 氣閥漏氣

氣閥漏氣，很明顯的現(xiàn)象是氣閥溫度升高，這是氣體被重復(fù)壓縮造成的，現(xiàn)場(chǎng)用溫度計(jì)可以測(cè)量。

2.1.2 閥片斷裂

閥片斷裂后會(huì)有異響，同時(shí)會(huì)造成氣閥漏氣和壓縮機(jī)出口壓力不足。

2.1.3 彈簧斷裂

彈簧斷裂導(dǎo)致閥片不能復(fù)位，氣流自由通過，此時(shí)氣缸出口壓力明顯不足，同時(shí)伴有“劈啪”響聲，氣缸溫度上升。

2.2 故障原因

2.2.1 天然氣含液

由于天然氣含有液體，改變了氣閥的工作環(huán)境，從而導(dǎo)致閥片、彈簧等部件故障。例如，一些平臺(tái)的天然氣脫水不徹底，天然氣經(jīng)分離器分離后，進(jìn)入海水冷卻器，將天然氣降溫至露點(diǎn)溫度以下后，有凝析油和水析出，此時(shí)再將天然氣送至壓縮機(jī)入口洗滌器，進(jìn)行氣液分離。在洗滌器中，天然氣從切向進(jìn)入，通過旋分的方式將液體集聚在洗滌器底部，氣體上升，經(jīng)絲網(wǎng)除霧器頂部從頂部排出送至壓縮機(jī)，此時(shí)的天然氣應(yīng)不含液體。但由于海水冷卻器換熱效果的下降以及洗滌器分離不徹底等原因，或者由于洗滌器至壓縮機(jī)入口之間管段沒有保溫，造成天然氣溫度進(jìn)一步下降，導(dǎo)致凝析液再次析出，造成天然氣進(jìn)氣含液。這樣環(huán)境下工作的氣閥一般不超過4,000,h。

壓縮機(jī)進(jìn)氣含液的問題比較普遍，嚴(yán)重的甚至造成氣缸水擊，導(dǎo)致活塞桿過載斷裂。平臺(tái)普遍采取在入口洗滌罐下自動(dòng)排放和定時(shí)人工排放的方式，使活塞桿斷裂的問題得到了緩解，但是天然氣徹底脫水的問題還是未能解決。

2.2.2 氣閥設(shè)計(jì)與實(shí)際工況偏差較大

壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與實(shí)際工作轉(zhuǎn)速偏差較大，平臺(tái)的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速高達(dá) 1,500,rpm(壓縮機(jī)的最大轉(zhuǎn)速)，而實(shí)際轉(zhuǎn)速多數(shù)為900～1,000,rpm，二者存在近500,rpm的差值，而轉(zhuǎn)速直接影響氣閥設(shè)計(jì)指標(biāo)中的閥隙速度，最終導(dǎo)致彈簧力的設(shè)計(jì)值偏高，過高彈簧力導(dǎo)致閥片在回位時(shí)對(duì)閥座的沖擊力過大，直接影響氣閥的使用壽命；同樣彈簧力的增大，也導(dǎo)致壓縮機(jī)的能耗增大。

3 進(jìn)口氣閥國(guó)產(chǎn)化的必要性

①根據(jù)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況，重新計(jì)算氣閥彈簧力值，優(yōu)化氣閥彈簧力值降低氣閥能耗，改進(jìn)氣閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)氣閥壽命，而不是簡(jiǎn)單地復(fù)制原裝配件；②由于平臺(tái)工藝流程的原因，天然氣中含有雜質(zhì)和液體的現(xiàn)狀難以改變，所以應(yīng)著力提升氣閥的適應(yīng)性；③氣閥壽命的延長(zhǎng)，能夠降低壓縮機(jī)停機(jī)次數(shù)，減少啟停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)；④進(jìn)口氣閥存在費(fèi)用較高、供貨周期不穩(wěn)定、到貨時(shí)間難以控制等不利因素；⑤進(jìn)口氣閥在采辦和維修方面一直受廠家壟斷，采辦和維修費(fèi)用一直居高不下。

4 進(jìn)口氣閥國(guó)產(chǎn)化實(shí)施

經(jīng)過與平臺(tái)協(xié)商，選定一臺(tái)壓縮機(jī)作為氣閥國(guó)產(chǎn)化目標(biāo)機(jī)型，開展氣閥國(guó)產(chǎn)化研究工作，主要工作如下：

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

4.1.1 天然氣組分

由平臺(tái)提供壓縮機(jī)介質(zhì)的成分組成，以此作為氣體值K值和R值的計(jì)算基礎(chǔ)。

4.1.2 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

機(jī)組的行程、轉(zhuǎn)速；機(jī)組各級(jí)的進(jìn)排氣溫度、進(jìn)排氣壓力。

4.1.3 氣閥的安裝尺寸

檢測(cè)氣閥的安裝尺寸，確保國(guó)產(chǎn)化氣閥能夠滿足機(jī)體空間位置。

4.2 氣閥設(shè)計(jì)

4.2.1 根據(jù)機(jī)組實(shí)際的氣體工況計(jì)算氣體絕熱指數(shù)K值和氣體常數(shù)R值

式中：K1、K2…表示各成分氣體絕熱指數(shù)；X1%,、X2%,…表示各成分氣體占的百分比。

式中：M1、M2…表示各成分氣體分子量。

4.2.2 根據(jù)機(jī)組氣閥安裝尺寸設(shè)定合理的閥隙通流面積S

式中：￠1、￠2、￠3…表示閥片密封中心線直徑，h表示氣閥升程。

4.2.3 根據(jù)氣缸直徑￠、轉(zhuǎn)速n、閥隙面積s算出閥隙速度V

式中：z為同時(shí)作用氣閥個(gè)數(shù)；a為流量系數(shù)。

4.2.4 根據(jù)機(jī)組實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)，重新校核氣閥彈簧力值

由于閥片全開時(shí)的彈簧力，必須根據(jù)閥片所受的氣體推力值大小、壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速高低、氣體壓力大小等因素決定，因此對(duì)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況全面掌握。

式中：k為氣體等熵指數(shù)；β為推力系數(shù)；As為閥座出口面積；Ap為活塞面積；Vm為活塞平均速度；B為氣體絕熱指數(shù)；R為氣體常數(shù)；E為氣體修正系數(shù)；Z為同名氣閥個(gè)數(shù)；Av為氣閥有效通流面積。其中，式中p和T代表的是機(jī)組的運(yùn)行壓力和溫度，而往往機(jī)組的實(shí)際壓力、溫度和設(shè)計(jì)取值都有一定的偏差，所以校核氣閥的彈簧力很有必要。

4.2.5 根據(jù)閥隙速度、氣閥工作溫度、工作壓力等參數(shù)，計(jì)算出氣閥的馬赫數(shù)

機(jī)組JGE/2設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)見表1。

4.3 氣閥選材

4.3.1 閥片

根據(jù)油田機(jī)組氣質(zhì)中含液體和顆粒物多的狀況，此次選用和進(jìn)口PEEK同等質(zhì)量的非金屬材質(zhì)閥片，同時(shí)在閥片厚度方面進(jìn)行改進(jìn)，由進(jìn)口閥片厚度 2～4,mm增至 6～8,mm，增強(qiáng)閥片的抗壓和抗液性能。

表1 機(jī)組JGE/2設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.1 Designed calculation data of unit JGE/2

4.3.2 彈簧

根據(jù)馬赫數(shù)和之前設(shè)計(jì)的閥座通流面積配置彈簧力，此次選用 17-7PH不銹鋼彈簧鋼絲，而進(jìn)口氣閥往往選用65Mn鋼絲。

對(duì)彈簧材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，是基于 17-7PH不銹鋼本身具有很強(qiáng)的剪切模量，而65Mn是通過熱處理才能達(dá)到 17-7PH的同等剪切模量。在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中往往由于環(huán)境因素影響，造成65Mn鋼絲表面發(fā)黑層破壞，導(dǎo)致彈簧鋼絲失效，這也是進(jìn)口氣閥故障率高的原因之一。

4.3.3 閥座

閥體材料全部選用 3Cr13鋼材，解決防銹、防腐問題。

4.4 氣閥加工

氣閥加工需要委托專業(yè)廠家完成，氣閥加工完畢，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氣密試驗(yàn)。

4.5 裝機(jī)試驗(yàn)

為了與進(jìn)口氣閥形成鮮明對(duì)比，裝機(jī)試驗(yàn)中在機(jī)組的曲軸側(cè)安裝進(jìn)口進(jìn)氣閥和排氣閥，在氣缸側(cè)安裝國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)氣閥和排氣閥，共安裝 6個(gè)國(guó)產(chǎn)氣閥，自2015年 4月份開始運(yùn)行，機(jī)組出口壓力、溫度、流量均符合設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過累計(jì) 8,000,h運(yùn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)沒有發(fā)生國(guó)產(chǎn)化氣閥漏氣和異響等故障，而機(jī)組上兩個(gè)進(jìn)口氣閥在運(yùn)行6,000,h以后有高溫現(xiàn)象而被更換。

4.6 后評(píng)價(jià)

對(duì)運(yùn)行8,000,h氣閥進(jìn)行解體檢查，圖2為分解后圖片。

經(jīng)檢查，主要的易磨損部位，即閥座、閥片和彈簧均無磨損和損壞的現(xiàn)象。

將閥座、閥片、彈簧送至上海微譜分析測(cè)試中心，分別進(jìn)行無損探傷、抗壓測(cè)試、彈性性能 3項(xiàng)檢查，結(jié)論為“均未發(fā)現(xiàn)異?！薄?/p>

綜上所述，國(guó)產(chǎn)化氣閥完全能夠滿足海洋環(huán)境下8,000,h運(yùn)轉(zhuǎn)要求。

圖2 氣閥分解后圖Fig.2 Pictures of disassembled valves

5 進(jìn)口氣閥國(guó)產(chǎn)化的優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益

國(guó)產(chǎn)化氣閥的造價(jià)僅為進(jìn)口氣閥的 50%,，能夠?yàn)閴嚎s機(jī)配件費(fèi)用帶來較大降幅空間；國(guó)產(chǎn)化氣閥供貨周期為4～5周，而進(jìn)口氣閥供貨周期至少要6個(gè)月；國(guó)產(chǎn)化氣閥的后期維修費(fèi)用同樣降低近 50%,，國(guó)內(nèi)廠家提供由閥片和彈簧組成的維修包。

6 結(jié) 語

此次通過壓縮機(jī)氣閥國(guó)產(chǎn)化的實(shí)施，成功實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口氣閥的替代，打破了進(jìn)口氣閥壟斷格局。事實(shí)證明，這種基于現(xiàn)場(chǎng)工況的國(guó)產(chǎn)化氣閥設(shè)計(jì)、制造具有明顯優(yōu)勢(shì)，在保障壓縮機(jī)生產(chǎn)正常進(jìn)行的同時(shí)，達(dá)到壓縮機(jī)運(yùn)維降本增效的目的，因此具有推廣價(jià)值。

在壓縮機(jī)氣閥國(guó)產(chǎn)化的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)備進(jìn)一步開展基于現(xiàn)場(chǎng)工況的壓縮機(jī)活塞環(huán)、支撐環(huán)、填料環(huán)的國(guó)產(chǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)易損件100%,國(guó)產(chǎn)化，深化降本增效，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)維修和配件供給一體化服務(wù)。

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