AIREL伴生氣壓縮機(jī)進(jìn)排氣閥故障分析

蘆曉婕

(中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300452)

1 研究背景及意義

SZ36-1CEP平臺(tái)是海上大型采油平臺(tái)。該平臺(tái)采用的天然氣壓縮機(jī)是由美國(guó)ARIEL公司生產(chǎn)的。該公司生產(chǎn)的天然氣壓縮機(jī)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，配套的氣閥是其合作公司生產(chǎn)的網(wǎng)狀氣閥，但是近期平臺(tái)經(jīng)常出現(xiàn)氣閥損壞的情況，給平臺(tái)生產(chǎn)造成了很大的損失。分析故障產(chǎn)生的原因，對(duì)于保障平臺(tái)穩(wěn)定生產(chǎn)具有重要意義。

2 故障現(xiàn)象

在SZ36-1CEP平臺(tái)的采油生產(chǎn)過程中，伴生氣壓縮機(jī)A機(jī)曾出現(xiàn)過氣缸溫度高，級(jí)間壓力高的現(xiàn)象(表1)。停機(jī)更換2個(gè)一級(jí)排氣閥和2個(gè)二級(jí)排氣閥，并調(diào)高一級(jí)進(jìn)口洗滌器溫度和一級(jí)冷卻器溫度后，運(yùn)行穩(wěn)定(表2)。其后，A機(jī)又多次出現(xiàn)氣缸高溫、級(jí)間壓力異常的現(xiàn)象，更換A機(jī)所有進(jìn)排氣閥后，穩(wěn)定一段時(shí)間，又多次出現(xiàn)同類故障，導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，透平切換油運(yùn)行，給生產(chǎn)帶來(lái)不便。期間已恢復(fù)A機(jī)進(jìn)口管線保溫，一級(jí)和中間洗滌器定時(shí)排液，緩解了水沖擊帶來(lái)的危害。但在進(jìn)口“U”型管線的低處仍有存液未排出。

對(duì)A機(jī)進(jìn)行年檢，在進(jìn)口氣動(dòng)閥后彎管下部加裝3/4″不銹鋼球閥及短截，定期排放積液。更換所有的一二級(jí)進(jìn)排氣閥。

4月9日開始?xì)庵泻毫吭龃?，二?jí)缸4個(gè)排氣閥出現(xiàn)高溫。4月12日更換二級(jí)4個(gè)排氣閥，一直運(yùn)行至11月2日。

表1 伴生氣壓縮機(jī)A機(jī)故障時(shí)其運(yùn)行主要參數(shù)(設(shè)備編號(hào)CEP-CP-201A)

表2 伴生氣壓縮機(jī)A機(jī)故障處理后其運(yùn)行參數(shù)(設(shè)備編號(hào)CEP-CP-201A)

3 故障分析

3.1 氣閥工作原理

圖1所示為進(jìn)排氣閥工作原理圖。

圖1 進(jìn)排氣閥工作原理圖

進(jìn)排氣閥工作原理:進(jìn)氣時(shí)活塞作用使氣缸容積增大，氣缸內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，由進(jìn)氣壓差形成的壓力作用在閥板表面，克服彈簧力使進(jìn)氣閥打開，氣體進(jìn)入氣缸，此時(shí)排氣閥在壓力作用下關(guān)閉。排氣時(shí)活塞壓縮氣體使氣缸容積減小，隨著壓縮氣體壓力的升高，克服彈簧力使排氣閥打開，壓縮氣體排出氣缸，此時(shí)進(jìn)氣閥在壓力作用下關(guān)閉。

3.2 氣閥受力分析

從更換下來(lái)的氣閥看，二級(jí)排氣閥損壞較為嚴(yán)重，而且裂紋或斷口大多在與彈簧接觸的位置。圖2和圖3分別為一二級(jí)故障閥的減震墊和閥片對(duì)比圖。

圖2 一、二級(jí)減震墊

圖3 一、二級(jí)閥片

下面分析氣閥的受力情況。圖4為閥板受力分析圖。

圖4 閥板受力分析圖

假設(shè)氣閥前后壓差為△P，閥板有效面積為A，單個(gè)彈簧剛度為K，彈簧數(shù)量為n，氣閥開度△X。則有:△PA=nK△X成立。同一級(jí)的進(jìn)排氣閥閥板面積相同，假設(shè)閥板開度相同，由于排氣閥彈簧的數(shù)量是進(jìn)氣閥的2倍，則排氣閥閥板承受氣流作用力較進(jìn)氣閥大，而且排氣時(shí)，進(jìn)氣閥閥板靠閥座支撐，而排氣閥閥板靠彈簧支撐，進(jìn)氣時(shí)相反?；钊乃俣仁? 100FPM，則閥板每分鐘開閉1 100次，彈簧受交變力的作用次數(shù)也是1 100次。

彈簧在交變力作用下容易疲勞損壞，當(dāng)進(jìn)氣閥個(gè)別彈簧損壞時(shí)，由于排氣時(shí)進(jìn)氣閥靠氣流力作用關(guān)閉，彈簧不受壓，所以閥板損壞較輕甚至完好。而排氣閥則不同，如果個(gè)別彈簧損壞，排氣時(shí)，在缺乏彈簧支撐的部位懸空，閥板受力不均，在氣流力作用下，懸空的部分會(huì)產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，損壞的彈簧或閥片碎片夾雜在閥板與閥座中間，導(dǎo)致氣閥進(jìn)一步泄漏而損壞。由于氣閥的泄漏，活塞在吸氣過程中，后一級(jí)高溫高壓氣流倒灌，導(dǎo)致氣閥高溫，級(jí)間壓力增高，排氣量減小，兩級(jí)壓縮比不同導(dǎo)致活塞受力不均，連桿瓦磨損等。

從對(duì)比圖上可以看出閥片損壞的程度及位置，與上述分析的結(jié)果基本一致，從而找到了氣閥易于損壞的工程力學(xué)原由。

3.3 壓縮機(jī)內(nèi)氣體變化過程

氣體在壓縮機(jī)內(nèi)的變化可以看成是多變過程，其運(yùn)動(dòng)方程可表示為:

式中:P—?dú)怏w壓力;V—?dú)怏w容積;k—理想氣體指數(shù);n—多變指數(shù);R—?dú)怏w常數(shù)。

由于活塞的工作行程是固定的，所以壓縮量為定值，即氣體容積變化一定。當(dāng)進(jìn)氣閥損壞時(shí)，一部分壓縮氣體從進(jìn)氣閥排出，使級(jí)間壓力偏低，進(jìn)氣閥溫度偏高。從前面的分析可知，進(jìn)氣閥損壞的機(jī)率較小，對(duì)氣缸溫度的影響較低。當(dāng)排氣閥損壞時(shí)，吸氣過程會(huì)使后一級(jí)高溫高壓的氣體倒灌，經(jīng)過壓縮，壓力、溫度繼續(xù)升高，使得級(jí)間壓力增大，排氣高壓報(bào)警，氣缸溫度過高。高溫氣體集中從排氣閥缺陷處排出，使得排氣閥溫度急劇上升。這與實(shí)際觀察到的現(xiàn)象相符。因此，可以根據(jù)氣閥的溫度變化，判斷氣閥是否損壞。

3.4 液沖擊的影響

由于氣體本身含液量較大，洗滌器分離液體后仍有相當(dāng)?shù)臐穸?。冬季環(huán)境氣溫較低，在氣體由洗滌器進(jìn)入緩沖灌這一段管線中會(huì)有液體凝結(jié)，有些顆粒較小的液體會(huì)隨氣流進(jìn)入壓縮機(jī)，對(duì)閥板產(chǎn)生液沖擊，局部出現(xiàn)裂紋或使彈簧提前損壞，最終導(dǎo)致閥損壞。

另外停機(jī)檢修后用天然氣置換，會(huì)使部分液體存積在氣缸中，對(duì)壓縮機(jī)工作亦產(chǎn)生不良影響。

3.5 流程布置的影響

氣體流程圖見圖5。在一級(jí)洗滌器與一級(jí)進(jìn)口緩沖灌之間有一段“U”形管，一級(jí)換熱器到中間洗滌器之間也存在一段“U”形管道，這里存積的液體無(wú)法排除，既增加了進(jìn)氣阻力，又增加了氣體的濕度。洗滌器起氣液分離作用，其工作效率也會(huì)對(duì)氣體的濕度產(chǎn)生影響。

圖5 氣體流程圖

3.6 閥維修質(zhì)量的影響

對(duì)更換下來(lái)的閥總成進(jìn)行維修，應(yīng)嚴(yán)格按維修工藝實(shí)施。SZ36-1CEP平臺(tái)近期頻繁發(fā)生的故障與閥維修的質(zhì)量也有一定關(guān)系，如彈簧新舊搭配、閥座與閥殼混裝、不同型號(hào)的閥混裝、彈簧型號(hào)混淆等都可能影響閥的使用壽命。

通過對(duì)氣閥的工作原理、受力、液沖擊、流程布置、閥維修質(zhì)量等多方面、多角度的分析，可看出影響氣閥使用壽命的因素頗多;因此，不能簡(jiǎn)單判定故障是因?yàn)槟骋灰蛩卦斐傻?，?yīng)綜合分析，統(tǒng)籌判斷。

4 解決措施

4.1 確保閥維修的質(zhì)量

編制閥維修工藝，維修過程中嚴(yán)格按工藝執(zhí)行，增加自檢、互檢環(huán)節(jié)，記錄維修日期，對(duì)使用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行追溯，以此提高閥維修的質(zhì)量，延長(zhǎng)閥的使用壽命。

4.2 選擇新型閥總成

目前使用的閥結(jié)構(gòu)上有些不足，其彈簧布置使閥板受力不均，可咨詢廠家，是否有改進(jìn)的閥型。

4.3 改進(jìn)流程

冬季增加管線的保溫，在“U”形管道處加裝疏水裝置。對(duì)一級(jí)洗滌器和中間洗滌器進(jìn)行檢修，確保其工作可靠性，減少液沖擊。簡(jiǎn)單的做法是，利用檢修的時(shí)間，將積存在彎管中的液體放出。具體措施，可在進(jìn)口氣動(dòng)閥后管道上，用手電鉆鉆孔，攻絲，安裝手動(dòng)球閥，定期排液。

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