往復(fù)式壓縮機(jī)無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障分析

呂佳琪(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

1 項(xiàng)目背景

某氣閥廠家對(duì)某煉化企業(yè)內(nèi)多套新氫壓縮機(jī)組進(jìn)氣閥實(shí)施改造，該機(jī)組類(lèi)型為水平對(duì)置平衡型往復(fù)式壓縮機(jī)，采用6缸3級(jí)壓縮，進(jìn)氣壓力為2.45 MPa，最終排氣壓力為16.5 MPa，入口流量101 337 Nm3/h，機(jī)組轉(zhuǎn)速333 r/min。

該機(jī)組在大修期間，進(jìn)行了無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)氣閥的改造(如圖1所示)，完成裝機(jī)后，所有進(jìn)氣閥在壓縮機(jī)加載前，必須由無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)卸荷器打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的空載起機(jī)。然而，實(shí)際情況是該壓縮機(jī)啟動(dòng)后數(shù)秒內(nèi)，氣缸內(nèi)氣壓迅速上升至排氣壓力，說(shuō)明進(jìn)氣閥卸荷失敗，壓縮機(jī)無(wú)法零負(fù)荷開(kāi)機(jī)。

圖1 無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)氣閥的改造

2 故障原因分析

這里先簡(jiǎn)單描述下無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理(如圖2所示)，中控發(fā)出零負(fù)荷指令后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的油路電磁閥會(huì)開(kāi)啟，高壓油從油站出口進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥室活塞腔內(nèi)，推動(dòng)閥室活塞向下運(yùn)動(dòng)，閥室活塞推動(dòng)氣閥的卸荷桿，卸荷桿推動(dòng)卸荷叉頂開(kāi)氣閥的閥片，在此過(guò)程中克服了卸荷器復(fù)位彈簧力、閥片彈簧力、摩擦力和作用在閥片上的氣體力等綜合力(即最小卸荷力)之后，氣閥被打開(kāi)，處于開(kāi)啟狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)零負(fù)荷[1]。

圖2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和專(zhuān)用進(jìn)氣閥示意圖

根據(jù)對(duì)以上執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理的分析，造成氣閥無(wú)法正常卸荷的原因可能有：

(1)油站供給到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的油壓力不夠，閥室活塞不能提供足夠大的卸荷力，導(dǎo)致卸荷叉不能正常頂開(kāi)氣閥閥片，氣閥無(wú)法正常卸荷；

(2)最小卸荷力大于執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥室活塞的輸出力。導(dǎo)致卸荷叉不能正常頂開(kāi)氣閥閥片，氣閥無(wú)法正常卸荷；

(3)氣閥卸荷桿頂端與執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥室活塞間隙值偏大，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥室活塞工作異常，卸荷器不動(dòng)作，氣閥無(wú)法正常卸荷；

(4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身故障，無(wú)法正常輸出卸荷力，導(dǎo)致氣閥無(wú)法正常卸荷；

(5)氣閥卸荷器部件本身的功能異常，無(wú)法執(zhí)行正常卸荷動(dòng)作；

(6)氣閥閥片功能異常，無(wú)法正常開(kāi)啟。

3 故障原因排查

該機(jī)組一級(jí)共有2個(gè)氣缸，均為雙作用，兩個(gè)氣缸總共4個(gè)工作腔，單個(gè)工作腔進(jìn)氣閥數(shù)量為2個(gè)。一級(jí)進(jìn)氣閥總數(shù)為8個(gè)，相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)總數(shù)為8套。若有一個(gè)工作腔存在問(wèn)題，都會(huì)發(fā)生壓縮機(jī)啟動(dòng)帶載的故障現(xiàn)象。由于各個(gè)工作腔存在同時(shí)出現(xiàn)不同故障原因的可能，因此，不能草率的排除任何一項(xiàng)可能的原因。針對(duì)前述故障原因的分析，有針對(duì)性的開(kāi)展以下排查：

3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)管路油壓檢查

液壓站配備壓力、溫度和液位傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油壓狀態(tài)。開(kāi)機(jī)試車(chē)過(guò)程中，油壓穩(wěn)定在12.5 MPa的設(shè)計(jì)值，波動(dòng)不超過(guò)0.1 MPa，溫度和液位并無(wú)異常，且進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的油管路上安裝了蓄能器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。此外，由于二、三級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都能正常卸荷，表明執(zhí)行機(jī)構(gòu)管路油壓是正常的。

3.2 氣閥最小卸荷力核算

氣閥最小卸荷力由四部分組成：卸荷器復(fù)位彈簧力、閥片彈簧力、摩擦力和氣體力。執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力只要大于這個(gè)最小卸荷力，氣閥即能正常卸荷。從故障現(xiàn)象來(lái)看，這是最有可能導(dǎo)致故障產(chǎn)生的原因。

上述四部分中，卸荷器復(fù)位彈簧力、閥片彈簧力(這兩種彈簧力合稱彈簧綜合力)和摩擦力可以通過(guò)測(cè)試得到實(shí)際數(shù)值，氣體力只能理論計(jì)算，而無(wú)法直接測(cè)試得到，經(jīng)過(guò)測(cè)試，各級(jí)進(jìn)氣閥的彈簧綜合力和摩擦力如表1所示。

表1 彈簧綜合力和摩擦力測(cè)試結(jié)果

執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥室活塞直徑14 mm，12.5 MPa油壓時(shí)，輸出力可以達(dá)到1 924.2 N(196.35 kgf)。不計(jì)算氣體力，閥室活塞輸出力是遠(yuǎn)大于氣閥所需的卸荷力的。很顯然，氣體力極有可能是造成差異的關(guān)鍵因素。

氣體力分為兩部分：

(1)閥片反作用力：即進(jìn)氣壓差反作用在閥片上的力。進(jìn)氣閥閥片工作時(shí)，閥片上下有一定的壓差，這個(gè)壓差通過(guò)閥片作用在卸荷叉上，再傳遞到卸荷桿上。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，原設(shè)計(jì)中，一級(jí)進(jìn)氣閥的這個(gè)壓差在閥片上產(chǎn)生的作用力為 2 100.5 N (214.34 kgf)。

(2)卸荷桿反作用力：卸荷桿與密封室形成的密封，讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥室活塞腔與進(jìn)氣口產(chǎn)生了一個(gè)壓力差，作用截面為卸荷桿插入密封室部分的橫截面，截面直徑為卸荷桿直徑14 mm，進(jìn)氣壓力為2.45 MPa，則作用力為369.5 N(37.7 kgf)。

綜上，一級(jí)進(jìn)氣閥的最小卸荷力=42+1.5+214.34+37.7= 295.5 kgf(2 895.5 N)，遠(yuǎn)大于執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥室活塞輸出力：1 924.2 N (196.35 kgf)。很明顯，這就是本次故障發(fā)生的主要原因。

3.3 其他原因排查

(1)氣閥卸荷桿頂端與執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥室活塞間隙值均正常；

(2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身功能：使用工裝與手動(dòng)泵測(cè)試后，功能正常；

(3)氣閥卸荷器部件功能：所有氣閥手動(dòng)下壓測(cè)試后，動(dòng)作正常，行程正常；

(4)氣閥閥片開(kāi)啟功能：由于氣閥為開(kāi)式氣閥，下壓卸荷器后，可以看見(jiàn)閥片正常運(yùn)動(dòng)。

4 整改方案及實(shí)施

根據(jù)故障原因分析，主要原因是一級(jí)進(jìn)氣閥的最小卸荷力大于閥室活塞輸出力，導(dǎo)致氣閥無(wú)法正常卸荷。鑒于理論計(jì)算得到的最小卸荷力遠(yuǎn)大于閥室活塞的輸出力，為了保證整改后一次開(kāi)機(jī)成功，決定從以下兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行。

4.1 氣閥流通性改善

氣體力在氣閥最小卸荷力中占比最高，是本次改造的重點(diǎn)。氣體力的兩個(gè)部分：閥片反作用力和卸荷桿反作用力，后者無(wú)法改變，重點(diǎn)為前者。實(shí)際上閥片的反作用力是閥損造成的，改善氣閥流通性即能降低閥損。主要是以下兩項(xiàng)措施來(lái)進(jìn)行改善：

(1)增加閥片升程；

(2)增加閥座上流通孔數(shù)量，增加閥座流通面積(保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下)。整改后，理論計(jì)算的閥片反作用力為750.2 N (76.55 kgf)。

4.2 氣閥彈簧力調(diào)整

彈簧力在最小卸荷力中占比較高，同時(shí)也有調(diào)整的余地。主要通過(guò)以下兩項(xiàng)措施來(lái)改善：

(1)減小卸荷器空行程，卸荷器彈簧壓縮量減少，從而彈簧力也減少了；

(2)更換氣閥彈簧，選擇彈性系數(shù)更低的彈簧。整改后，測(cè)試彈簧綜合力為323.4 N(33 kgf)。

5 整改效果

整改后，一級(jí)進(jìn)氣閥最小卸荷力=33+1.5+76.55+37.7= 148.75 kgf(1 456.3 N)。 比整改前的295.5 kgf(2 895.9 N)減少了146.75 kgf(1 438.2 N)，且遠(yuǎn)小于閥室活塞輸出力196.35 kgf (1 424.2 N)，為卸荷成功提供了理論保證。

各項(xiàng)整改完成后，該機(jī)組進(jìn)行了二次回裝復(fù)機(jī)，并空載開(kāi)機(jī)成功，各項(xiàng)數(shù)據(jù)反饋良好，部分負(fù)荷和滿負(fù)荷開(kāi)車(chē)也取得了成功。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)解決本次無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)氣閥故障，使我們了解到，在有無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的場(chǎng)合，對(duì)進(jìn)氣閥的設(shè)計(jì)要注意確保氣閥閥座閥蓋的流通性、升程及彈簧的選型。