加氫裝置往復(fù)壓縮機(jī)氣閥故障分析及解決措施

涂家華

（中國石化長(zhǎng)嶺分公司設(shè)備工程部，湖南岳陽 414012）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，技術(shù)進(jìn)步，煉化企業(yè)往往會(huì)對(duì)大型耗能設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造，提高經(jīng)濟(jì)效益。往復(fù)壓縮機(jī)是煉油化工行業(yè)不可或缺的重要設(shè)備，特別在加氫裝置中，同時(shí)往復(fù)壓縮機(jī)也是裝置中的耗能大戶，增加無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)是目前比較成熟且有效的一種節(jié)能改造方式。但節(jié)能改造同時(shí)也伴隨著風(fēng)險(xiǎn)，如氣閥故障頻繁，使用壽命短，既影響往復(fù)壓縮機(jī)流量，又造成效率下降，能耗增加。同時(shí)，機(jī)組頻繁停機(jī)維修，增加了檢維修成本，也影響了設(shè)備安全運(yùn)行。因此，準(zhǔn)確判斷氣閥失效原因，采取有效措施解決故障問題，保障機(jī)組長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行，才能達(dá)到節(jié)能改造最佳效果。

2 故障概況

某煉油廠100萬t/a加氫裂化裝置新氫壓縮機(jī)組，沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠制造，型號(hào)4M125-48/24-117.5-Ⅰ-BX，兩級(jí)四列對(duì)稱平衡型，吸氣壓力2.4 MPa，排氣壓力為11.75 MPa，吸氣溫度40 ℃，排氣溫度121 ℃。2018年新氫壓縮機(jī)組節(jié)能改造，增設(shè)無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，氣閥為網(wǎng)狀氣閥，PEEK材質(zhì)閥片。機(jī)組節(jié)能改造完成后開機(jī)運(yùn)行3～7天，同一級(jí)的兩列排氣溫差增大明顯，機(jī)組打氣量降低，氣閥失效頻繁，機(jī)組多次檢修更換氣閥。氣閥故障現(xiàn)象：每次閥片邊沿均有破損，偶爾氣閥彈簧有斷裂情況。

3 氣閥工作原理及結(jié)構(gòu)

3.1 氣閥工作原理

以排氣閥為例說明，機(jī)組活塞壓縮氣體過程中，當(dāng)缸內(nèi)氣體力大于排氣側(cè)的氣體力與氣閥全閉時(shí)的彈簧力之和時(shí)，氣閥開啟，閥片離開閥座；隨著排氣過程結(jié)束，氣閥全開時(shí)的彈簧力大于缸內(nèi)壓力與排氣側(cè)壓力差產(chǎn)生的氣體力時(shí)，閥片回到閥座，氣閥關(guān)閉，一個(gè)排氣過程完成。閥片的運(yùn)動(dòng)方程為

2m（dh2/dt2）=Fg-Fs

式中 m——閥片與1/3彈簧的質(zhì)量和

Fg、Fs——?dú)怏w力和彈簧力

3.2 氣閥結(jié)構(gòu)

氣閥作為往復(fù)壓縮機(jī)核心部件之一，工作強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，被稱為“三大易損件”之首；同時(shí)，又因其重要的作用和地位，也被稱為“壓縮機(jī)的心臟”。往復(fù)壓縮機(jī)的氣閥主要由下列部件組成：

（1）閥座：擁有被啟閉元件覆蓋的氣體通道，并承受工作腔內(nèi)外的壓力差。

（2）啟閉元件：交替的開啟和關(guān)閉閥座通道，控制氣體進(jìn)出工作腔，通常制成片狀，故也叫閥片。

（3）升程限制器：也叫閥蓋，控制閥片的開啟高度，并通常作為彈性元件的支承座。

（4）彈性元件：在氣閥關(guān)閉時(shí)，推動(dòng)閥片落向閥座；并在開啟時(shí)抑制閥片對(duì)升程限制器的撞擊，通常為彈簧或彈簧片。

4 失效原因分析及處理

4.1 失效原因分析

根據(jù)氣閥使用和解體情況推斷，氣閥失效原因主要有以下幾種：

4.1.1 工藝介質(zhì)較臟

介質(zhì)中含有固體雜質(zhì)和粉塵，堵塞槽道或進(jìn)入閥片與閥座密封面，閥片在運(yùn)動(dòng)過程中側(cè)傾，與閥座、閥蓋不平行接觸、沖撞，導(dǎo)致閥片受力不均，邊沿局部受到較大應(yīng)力損壞，氣閥失效。

4.1.2 閥片質(zhì)量問題

PEEK閥片在注塑成形時(shí)，存在疏松、氣孔等質(zhì)量問題，導(dǎo)致閥片應(yīng)力集中，在高強(qiáng)度快速運(yùn)動(dòng)過程中閥片容易出現(xiàn)破損斷裂，使用壽命較短。

4.1.3 氣閥設(shè)計(jì)選型問題

在設(shè)計(jì)選型時(shí)，閥片和彈簧尺寸、厚度、數(shù)量等選擇不合理，閥片在工作中，在彈簧力和介質(zhì)氣流沖擊力下，相對(duì)于閥座和閥蓋，以非水平狀態(tài)做往復(fù)垂直運(yùn)動(dòng)，即閥片在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生側(cè)傾（圖1），導(dǎo)致閥片受力不均，邊沿受力超過許用應(yīng)力，閥片外沿破裂失效。

4.2 氣閥故障處理

壓縮機(jī)組氣閥失效后，進(jìn)行多次解體檢修。通過對(duì)氣閥解體和氣缸開蓋檢查，確定工藝介質(zhì)干凈，不含顆粒狀雜質(zhì)，閥片、閥座無腐蝕現(xiàn)象，可以排除工藝介質(zhì)原因?qū)е麻y片損壞失效。

同時(shí)使用TA Q100 差示量熱掃描儀、TA Q500熱失重分析儀、基恩士VHX-5000數(shù)碼顯微鏡等設(shè)備對(duì)故障閥片進(jìn)行分析檢測(cè)。

檢測(cè)結(jié)果表明：閥片內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)縮孔，玻璃纖維排布正常；密度測(cè)試結(jié)果1.54 g/cm3，高于450GL30的標(biāo)準(zhǔn)值；樣品結(jié)晶度良好（31%）；從DSC曲線（圖2） 來看，在氣閥正常工作溫度區(qū)間（105～130 ℃），熱力學(xué)性能穩(wěn)定，從而可以判定閥片本身不存在質(zhì)量問題。

圖1 氣閥運(yùn)動(dòng)過程中閥片側(cè)傾

綜合上述，通過機(jī)組多次解體檢修和氣閥閥片質(zhì)量檢測(cè)情況可以確定：此次往復(fù)機(jī)組氣閥失效排除工藝條件和閥片質(zhì)量因素，主要失效原因?yàn)闅忾y設(shè)計(jì)選型不合理。氣閥彈簧力選型設(shè)計(jì)合理時(shí),閥片在介質(zhì)壓力和彈簧力作用下,氣閥緩慢開啟和閉合（如圖3所示）。如若氣閥彈簧力選型設(shè)計(jì)不合理,氣閥運(yùn)動(dòng)過程中，在彈簧力和介質(zhì)氣流沖擊力共同作用下，閥片兩端的壓力差無法使閥片保持一段時(shí)間的完全開啟，閥片頻繁做往復(fù)開、閉動(dòng)作,導(dǎo)致受力不均，在氣閥內(nèi)部發(fā)生震顫（如圖4所示）。同時(shí)閥片由于受力不均，在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生側(cè)傾，閥片邊沿在閥座與升程限制器之間頻繁撞擊，最后導(dǎo)致氣閥閥片外沿破損，碎片進(jìn)入氣閥致使個(gè)別彈簧斷裂，氣閥泄漏失效。

5 改進(jìn)措施

5.1 提高閥片耐沖擊性能

圖2 閥片DSC升溫曲線

圖3 閥片理想運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧力

圖4 閥片顫振運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧力

適當(dāng)增加閥片厚度，提高閥片強(qiáng)度。同時(shí)，在保證氣閥通流面積足夠的前提下，適當(dāng)降低升程距離，減小閥片與閥座及限制器之間的沖擊速度，增加閥片耐沖擊性能，提高閥片使用壽命。

5.2 調(diào)整閥片受力分布

氣閥彈簧的作用是保證閥片有合理的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使閥片運(yùn)動(dòng)時(shí)快速開啟和及時(shí)關(guān)閉，且能控制閥片與閥座和升程限制器的撞擊速度不會(huì)過高。彈簧偏少和總彈簧力偏大會(huì)導(dǎo)致氣閥顫振運(yùn)動(dòng)。重新核算，選擇恰當(dāng)氣閥總彈簧力，同時(shí)適當(dāng)增加彈簧數(shù)量，使彈簧力更加均勻分配到閥片上。選擇單個(gè)較小彈簧力的彈簧，自身應(yīng)力幅也相應(yīng)降低，提高了彈簧安全系數(shù)。通過對(duì)閥片受力重新調(diào)整，使氣閥閥片在運(yùn)行中更加穩(wěn)定，降低產(chǎn)生側(cè)傾的可能，保障氣閥正常運(yùn)行。

通過從以上兩方面對(duì)氣閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對(duì)性的改造，氣閥的使用壽命相比改造前有了明顯提高，保障了機(jī)組長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行。

6 結(jié)語

本文從生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計(jì)選型三方面綜合分析氣閥失效原因。根據(jù)閥片破損的故障現(xiàn)象，分析總結(jié)了氣閥閥片厚度、彈簧數(shù)量、升程大小等因素對(duì)氣閥閥片運(yùn)動(dòng)的影響，為壓縮機(jī)氣閥失效判斷提供了一個(gè)分析方向，且對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)氣閥的設(shè)計(jì)選型提供了較好的借鑒，有效地降的低了機(jī)組故障率，提高了運(yùn)行穩(wěn)定性。