往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥故障原因及預(yù)防措施分析

陳永周

（中國(guó)石油哈爾濱石化分公司，黑龍江哈爾濱 150056）

0 引言

往復(fù)式壓縮機(jī)是容積式壓縮機(jī)的一種，主要由氣缸、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、閥門和活塞等部件組成。其中，氣缸是壓縮機(jī)的必備裝置，因此對(duì)其要求比較嚴(yán)格。為了使氣缸有更好的潤(rùn)滑效果和耐磨性，氣缸的表面一般比較光滑，而且由于氣體長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)生摩擦，在此期間會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，所以氣缸必須具有良好的導(dǎo)熱性才能散熱。此外，要求氣缸的氣流通道面積必須足夠大，才能有效釋放氣壓，保證氣閥安全正常運(yùn)行。曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的主要部件包括曲柄、連桿和滑塊，它們是主要的承重部件，其工作方式是將裝置的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲柄的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

往復(fù)式壓縮機(jī)也稱可變排量壓縮機(jī)，由空氣壓縮機(jī)發(fā)展而來(lái)，兩者工作原理相似，均依靠氣缸的活塞來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)、完成壓縮過程。在往復(fù)式壓縮機(jī)中，多個(gè)彈簧加載的閥門均勻分布在氣缸內(nèi)，通過閥門兩側(cè)的壓差完成壓縮和排放。往復(fù)式壓縮機(jī)因其性能優(yōu)異，在石油工業(yè)的建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，也做出了卓越貢獻(xiàn)，但在實(shí)際使用過程中會(huì)出現(xiàn)一些故障，對(duì)工作過程造成嚴(yán)重影響。

氣閥最常見的3個(gè)負(fù)面影響是閥門故障、冷卻液?jiǎn)栴}和活塞環(huán)故障，造成這些故障的原因有很多。閥門故障是往復(fù)式壓縮機(jī)最常見的故障，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在其內(nèi)部故障數(shù)據(jù)中氣閥故障次數(shù)占比2/3。閥門失效又可分為閥門失效和彈簧失效，使用時(shí)間長(zhǎng)、閥門磨損、不能發(fā)揮作用、彎曲應(yīng)力和扭矩循環(huán)變化等，最終會(huì)導(dǎo)致故障發(fā)生。此外，氣缸間隙過大或潤(rùn)滑油質(zhì)量差等因素也會(huì)引起一些故障。

2 氣閥結(jié)構(gòu)及性能要求

2.1 氣閥結(jié)構(gòu)

氣閥是往復(fù)式壓縮機(jī)安全、正常運(yùn)行的重要部件，壓縮機(jī)運(yùn)行、壓縮、排氣等功能的實(shí)現(xiàn)有賴于氣閥良好的氣密保護(hù)。閥門的質(zhì)量直接影響壓縮機(jī)的能耗和最終產(chǎn)氣量，了解閥門結(jié)構(gòu)是分析往復(fù)式壓縮機(jī)閥門故障的前提。

往復(fù)式壓縮機(jī)的氣閥有多種類型，其結(jié)構(gòu)由閥蓋、閥座、閥板和彈簧4部分組成：閥座既是供氣通道，也是氣閥安裝的主體；彈簧是氣閥的彈性元件，閥蓋和閥板主要起密封作用。整個(gè)閥門用螺栓和螺母固定。

2.2 閥門性能要求

由于應(yīng)用往復(fù)式壓縮機(jī)閥門的優(yōu)點(diǎn)是減少阻力損失，因此在設(shè)計(jì)閥門時(shí)需要確保能夠使閥門的流量和流通面積最大化的合理結(jié)構(gòu)。在選擇彈簧等彈性元件的過程中，要保證閥門能滿足閥門可靠啟閉的要求。空氣閥在操作過程中必須達(dá)到最小間隙容積，以最大限度地減少阻力損失。運(yùn)行過程中，需要提高氣閥的可控系數(shù)，以保證氣閥關(guān)閉時(shí)具有良好的密封性能，防止氣閥漏氣，降低往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行效率。尤其需要注意的是，由于氣閥長(zhǎng)期使用，對(duì)彈簧彈性要求較高，彈簧閥板要具有較好的耐磨性。

3 往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥故障原因分析

3.1 閥片損壞原因分析

往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行過程中閥盤損壞比較常見，主要原因有兩個(gè)：一是由于閥盤長(zhǎng)期使用難免出現(xiàn)明顯的疲勞損傷，特別是在頻繁撞擊下，自身很容易受到影響；二是由于閥板和導(dǎo)塊工作面有明顯的磨損，在運(yùn)行過程中受到損傷，特別是閥板的邊緣區(qū)域，所以很容易受到?jīng)_擊。另外，材料本身的質(zhì)量也會(huì)影響閥門性能，如果使用強(qiáng)度較弱的材料或含渣明顯，則閥門的應(yīng)用效果會(huì)下降，疲勞損傷和磨損程度會(huì)進(jìn)一步增加。

3.2 彈簧損壞原因分析

往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥在長(zhǎng)期使用中，也容易出現(xiàn)彈簧損壞，影響氣閥的正常使用，常見原因包括：①疲勞破壞彈簧性能更為明顯，不可避免地會(huì)影響應(yīng)用性能，必須不斷地改變其壓縮力；②彈簧與周圍孔壁之間存在明顯的摩擦問題，增加了損壞程度；③彈簧的正常使用會(huì)受到周圍介質(zhì)的影響，造成嚴(yán)重的腐蝕、凹坑或孔洞等隱患；④彈簧材料的初期加工不足，未采用指定材料進(jìn)行加工，熱處理也有一定弊端等，也會(huì)損害后續(xù)的應(yīng)用效果。

3.3 漏氣原因分析

往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥漏氣的問題比較常見，因?yàn)楦鞑考嬖诿黠@的漏氣現(xiàn)象，不可避免地會(huì)影響其正常工作，具體原因有：①氣閥座存在密封缺陷，比較粗糙，難以達(dá)到較為理想的氣密性；②后續(xù)應(yīng)用過程中因碰撞缺陷影響氣密效果而損壞密封面的問題；③氣閥閥板損壞變形的問題也會(huì)導(dǎo)致氣密性不足和漏氣，異物進(jìn)入氣門間隙通道也會(huì)造成漏氣，出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象；④閥門泄漏通常與彈簧有關(guān)；⑤如果彈簧移位或機(jī)械性能不足，也可能發(fā)生漏氣。

4 往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥故障改善措施

4.1 校核閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律

正常運(yùn)行時(shí)，氣閥的閥板有明顯的啟閉規(guī)律，因此工作人員必須在準(zhǔn)確計(jì)算出往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間的前提下開啟和關(guān)閉閥板。如果閥門操作不符合適用規(guī)律，則必須關(guān)閉閥板，并及時(shí)調(diào)整閥板，借助彈簧、閥板等傳遞信息。根據(jù)閥板受力情況，選擇較小的閥板開啟高度，以降低受到的沖擊速度，使閥板能及時(shí)、有效地啟閉，提高閥門動(dòng)作頻率和延長(zhǎng)閥門使用壽命。在減小閥板開啟高度時(shí)，減小間隙面積可以增加氣流阻力、增大閥座通道系數(shù)，有效補(bǔ)償氣流，因此宜采用環(huán)形窄通道氣閥來(lái)提高氣門的受力。

4.2 調(diào)整彈簧力性能

為延長(zhǎng)閥門的使用壽命，除保證閥板的最小開啟高度外，應(yīng)選擇剛性較大的彈簧和彈簧板，以增加彈簧啟閉緩沖力。為更好地適應(yīng)壓縮機(jī)的高速運(yùn)行要求，建議選用鋼絲直徑較大、工作組數(shù)較多的彈簧閥板。同時(shí)，閥板全開后，要保證彈簧不出現(xiàn)大的變形，以減少?gòu)椈蓱?yīng)力，降低彈簧的沖擊率，延長(zhǎng)使用壽命。此外，彈簧力不應(yīng)過大，以防止閥門過早自動(dòng)關(guān)閉，然后閥門會(huì)振動(dòng)，并影響氣體壓縮效率。

4.3 提高閥門制造水平

根據(jù)相關(guān)研究，閥板在磨損期間的最大應(yīng)力為200 MPa，應(yīng)力時(shí)間越長(zhǎng)、閥板使用時(shí)間越短。輔以回火，使閥瓣殘余應(yīng)力最大化，有效延長(zhǎng)閥瓣壽命。閥板拐角處采用圓角，有效消除閥板受大載荷作用，而在拐角處受力過大而導(dǎo)致斷角的問題。環(huán)形閥瓣的圓邊設(shè)計(jì)有小圓邊，外圈邊緣設(shè)置大圓弧，增加閥瓣的使用壽命。

4.4 適當(dāng)調(diào)整管架，減少振動(dòng)

專用減振器支架的主要作用是控制往復(fù)式壓縮機(jī)的管道振動(dòng)和氣壓脈沖。由于國(guó)內(nèi)沒有相關(guān)參考標(biāo)準(zhǔn)，主要參考美國(guó)石油學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)API 618。三大系統(tǒng)必須合理協(xié)調(diào)，才能有效降低振動(dòng)，即傳動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)、工作氣體進(jìn)口管及其密封系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及各種給水、氣、油系統(tǒng)管道。組合式壓縮機(jī)管道內(nèi)氣體壓力脈動(dòng)的影響需要管道支架的合理布置，使用特殊的管道支架減振對(duì)減振效果有很大影響。在高速運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，緩沖罐靠近壓縮機(jī)的進(jìn)口，管架之間的空間要比較小、空間要不同。在無(wú)支撐的管道上增加一體式管道支架，使原來(lái)的機(jī)械一體式支架結(jié)構(gòu)成為一個(gè)獨(dú)立的基礎(chǔ)和支架，最大限度減少卡扣之間的連接，保證管道質(zhì)量不影響機(jī)器正常運(yùn)行機(jī)構(gòu)。

4.5 嚴(yán)格控制管道固有頻率

管道系統(tǒng)的固有頻率一般應(yīng)比電機(jī)的勵(lì)磁頻率高1.2倍，以免產(chǎn)生共振，系統(tǒng)的穩(wěn)定性是直接影響固有頻率的因素之一。傳感器的穩(wěn)定性越高，固有頻率就越高。換句話說，通過自整定各種管道傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以控制傳感器的固有頻率。影響管道和系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素很多，如管道的方向、管道的直徑、管道的壁厚、管段的最終狀態(tài)和結(jié)構(gòu)、氣體成分、緩沖區(qū)的大小和位置等?？梢杂脳U子做支架，用管子連接起來(lái)作為支撐。通過增減支架或改變支架位置來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的固有頻率。管道支架應(yīng)加在振幅最大的位置，以避免管道與管道框架之間、管道與夾具之間產(chǎn)生振動(dòng)。在此過程中，管道中也應(yīng)盡量少使用管夾或固定支架等材料。

4.6 閥門技術(shù)改進(jìn)

技術(shù)研究表明，閥板失效的主要原因是耐磨性差。長(zhǎng)期的能量傳遞不可避免地會(huì)導(dǎo)致磨損，從而縮短使用壽命。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的摸索，工程師發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的閥門技術(shù)可以提高閥板的耐磨性。空氣閥的微小改進(jìn)可以通過減少磨損和殘余應(yīng)力來(lái)延長(zhǎng)其壽命。同時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)閥板的開啟高度，適當(dāng)增加閥座通道的數(shù)量來(lái)降低閥門的開啟高度，以減少?zèng)_擊力，有效提高氣閥的使用壽命。配合往復(fù)式壓縮機(jī)的閥板，氣門間隙可以達(dá)到更理想的流通面積。

4.7 閥門故障處理措施

如果相關(guān)工作人員發(fā)現(xiàn)往復(fù)式壓縮機(jī)的振動(dòng)信號(hào)和參數(shù)值有異常波動(dòng)或氣缸發(fā)出異常噪聲，則需要從各個(gè)方面檢查氣缸并清潔氣缸內(nèi)部：檢查閥門是否有異物或損壞，并更換新閥門；如果氣閥沒有問題，檢查氣閥的間隙并調(diào)整間隙的大小，使其能正常運(yùn)行；彈簧失效也是如此，更換彈簧即可解決失效問題。例如，某化工公司每3個(gè)月更換一次閥板和彈簧，清洗氣缸，以保持往復(fù)式壓縮機(jī)正常運(yùn)行。如果采取上述措施后仍出現(xiàn)數(shù)據(jù)異?；蛘駝?dòng)信號(hào)異常，則應(yīng)通過更換進(jìn)排氣門或檢查內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)從根本上解決問題。

5 結(jié)束語(yǔ)

氣閥是往復(fù)式壓縮機(jī)最重要的部件之一，由于氣閥的故障會(huì)影響壓縮機(jī)的整體運(yùn)行，因此在日常運(yùn)行中需要仔細(xì)檢查、精確操作、精確維護(hù)，確保壓縮機(jī)可靠、長(zhǎng)期運(yùn)行，保證機(jī)組安全可靠生產(chǎn)。據(jù)近年來(lái)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)各種工況，制定合理的維修保養(yǎng)規(guī)程，嚴(yán)格執(zhí)行操作標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，可使閥門壽命延長(zhǎng)50%。