往復(fù)式壓縮機(jī)排氣閥片斷裂原因分析

（中國(guó)石油蘭州石化設(shè)備維修公司，甘肅 蘭州 730060）

往復(fù)式壓縮機(jī)排氣閥片斷裂原因分析

章曉劍，宋 彬，王星聯(lián)，郭曉軍，何林林

（中國(guó)石油蘭州石化設(shè)備維修公司，甘肅 蘭州 730060）

針對(duì)2HA/2往復(fù)式壓縮機(jī)一級(jí)排氣閥片斷裂事故，對(duì)閥片顯微硬度、斷口及其表面成分進(jìn)行了分析和測(cè)試。為應(yīng)用PEEK閥片提供了理論依據(jù)。

往復(fù)式壓縮機(jī)；閥片；材料失效；脆性沿晶斷裂

蘭州石化公司煉油廠40萬(wàn)t/a航煤加氫裝置是在1995年建成投產(chǎn)的15萬(wàn)t/a柴油加氫裝置基礎(chǔ)上于2000年改建而成的。裝置上新氫壓縮機(jī)采用意大利公司生產(chǎn)的2HA/2型雙列對(duì)動(dòng)式往復(fù)壓縮機(jī)。設(shè)計(jì)入口壓力為0．8MPa，出口壓力為8．4MPa，流量為50m3/min，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速740r/min、功率335kW。

一、故障概述

壓縮機(jī)自運(yùn)行以來(lái)，氣閥故障經(jīng)常發(fā)生，主要表現(xiàn)為排氣溫度升高，排氣量降低，壓縮機(jī)曲軸、連桿大頭瓦、十字頭銷磨損。

1．氣閥構(gòu)成

氣閥由閥座、啟閉元件、升程限制器和彈簧組成。2HA/2型往復(fù)式壓縮機(jī)閥座和升程限制器均采用2Cr13材料，其成分見(jiàn)表1。氣閥及其組成圖見(jiàn)圖1。

表1 2Cr13材料成分 wt%

圖1 氣閥及其組成圖

2．閥片

2HA/2往復(fù)式壓縮機(jī)從新建成柴油加氫裝置、改造成航煤加氫裝置以來(lái)，根據(jù)氣閥的運(yùn)行、開(kāi)發(fā)和制造情況，先后采用過(guò)金屬環(huán)狀閥、金屬網(wǎng)狀閥、網(wǎng)狀塑料閥等。2006年改造時(shí)，采用的網(wǎng)狀閥片材質(zhì)為3Cr13，其材料成分見(jiàn)表2。閥片外徑為φ121mm，內(nèi)徑為φ27mm，厚度為2mm，內(nèi)外邊緣圓角半徑0．2mm。閥 片經(jīng)過(guò)精磨和去應(yīng)力處理。閥片設(shè)計(jì)壽命為4 500h。其型式結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

表2 3Cr13成分 wt%

圖2 2HA/2往復(fù)式壓縮機(jī)環(huán)狀閥片型式結(jié)構(gòu)

3．閥片工況

航煤加氫裝置2HA/2新氫往復(fù)式壓縮機(jī)工作介質(zhì)為重整氫氣，主要包括H2、烷烴、芳香烴等。主要成分見(jiàn)表3。

表3 重整氫氫氣組成 V%

閥片每分鐘各撞擊升程限制器和閥座740次，該壓縮機(jī)一級(jí)排氣溫度為100～130℃，可以說(shuō)，閥片處于高頻撞擊應(yīng)力、高溫和磨損工況。

4．氣閥檢修改造情況

1990年加氫裝置新建之初，因壓縮機(jī)隨機(jī)氣閥設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際工藝參數(shù)不符而不能自動(dòng)開(kāi)啟，當(dāng)時(shí)通過(guò)減小氣閥彈簧直徑改造順利開(kāi)車，除了氣閥壽命較短外，裝置一直運(yùn)行比較平穩(wěn)。2000年改擴(kuò)建以來(lái)，氣閥使用壽命短的問(wèn)題一直沒(méi)有解決。

2006年4月重新設(shè)計(jì)氣閥，閥片改為金屬網(wǎng)狀，壽命有所提高。但閥片斷裂事故仍不斷發(fā)生。所以于2010年3月開(kāi)始將網(wǎng)狀閥片改為PEEK閥進(jìn)行試驗(yàn)。

二、閥片斷裂原因分析

閥片失效主要原因?yàn)槠趽p壞、閥片磨損、材料缺陷和介質(zhì)腐蝕。

1．閥片硬度測(cè)試

使用DHT-100便攜式硬度計(jì)，對(duì)使用前和使用后的閥片上下表面各9個(gè)不同位置點(diǎn)進(jìn)行HRC測(cè)試，測(cè)試結(jié)果平均值見(jiàn)表4。

表4 閥片硬度測(cè)試結(jié)果 HRC

從表4可以看出，使用后閥片彈簧側(cè)顯微硬度升高，閥座側(cè)降低。主要原因?yàn)殚y片彈簧側(cè)受到彈簧撞擊硬化作用，閥座側(cè)受到磨損，表面粗糙度增大，導(dǎo)致顯微硬度降低。測(cè)試結(jié)果表明，未經(jīng)投用閥片表面顯微硬度均勻。閥片表面制造質(zhì)量合格。

2．閥片斷口分析

(1)外觀

斷裂部位都處在閥片最外環(huán)加強(qiáng)筋之間。斷口表面為大部分的光亮層和少部分無(wú)金屬光澤的纖維狀斷口。斷口表面有細(xì)小麻點(diǎn)、沒(méi)有金屬光澤且有“積碳”層，斷口側(cè)面有明顯不規(guī)則的小塊脫落。

(2)斷口性質(zhì)

采用JSM-6700F掃描電子顯微鏡和Genesis XMZ型能譜儀對(duì)斷口進(jìn)行分析。試驗(yàn)前，將斷口放在酒精溶液中，采用KQ-100型超聲波清洗器清洗5min。

從微觀上看，斷口中部主要是平整的大塊和韌窩狀的纖維組織，斷口邊緣為大塊晶粒狀的纖維組織。斷口邊緣部位的組織表明，材料最后受剪切力作用斷裂，斷口上存在卷皮說(shuō)明材料斷裂后受到擠壓產(chǎn)生塑性變形，卷皮下部就是斷口斷裂的初始狀態(tài)，是脆性沿晶斷裂。

斷口側(cè)面的小塊脫離和初始斷口為脆性沿晶斷裂，說(shuō)明小塊脫落先于裂紋擴(kuò)展，并因?yàn)槭芰γ娣e減小引起應(yīng)力集中而成為裂紋源。隨后閥片在瞬間受到的應(yīng)力大于截面許用應(yīng)力時(shí)，閥片裂紋擴(kuò)展斷裂。小塊表面的不規(guī)則、細(xì)小麻點(diǎn)和“積碳”層，表明小塊脫落前，閥片受應(yīng)力和腐蝕的兩重作用；小塊脫離后，閥片受到應(yīng)力、腐蝕和積碳顆粒的摩擦磨損作用。

對(duì)閥片初始斷裂的晶粒部位、晶粒脫離部位、斷口高出部分產(chǎn)生塑性變形部位，裂紋擴(kuò)展后產(chǎn)生塑性變形部位，產(chǎn)生塑性變形邊緣進(jìn)行能譜分析。能譜測(cè)點(diǎn)成分見(jiàn)表5。

表5 能譜測(cè)點(diǎn)成分

從表5可知，晶間沒(méi)有Cr富集或貧瘠，斷口沒(méi)有發(fā)生晶間腐蝕而導(dǎo)致斷裂。經(jīng)過(guò)塑性變形區(qū)域和塑性變形邊緣初始斷裂部位，除了增加一些氧化物夾雜外組織成分沒(méi)有太大變化。另外測(cè)試點(diǎn)表明，斷口中存在氧化物、氯化物。其中，Cl元素可能正是重整加氫中所含的Cl離子。能譜分析還表明，閥片材料組織成分均勻，沒(méi)有明顯的冶金缺陷。

3．閥片運(yùn)動(dòng)及受力模型

閥片在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中，除了作向升程限制器或閥座平動(dòng)外，由于氣流的不均勻作用力還要做傾側(cè)運(yùn)動(dòng)。閥片向下平動(dòng)產(chǎn)生的撞擊力很小，并不足以使閥片產(chǎn)生破壞的應(yīng)力。閥片破壞的沖擊應(yīng)力主要取決于傾側(cè)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的撞擊力。

通過(guò)對(duì)閥片的傾側(cè)運(yùn)動(dòng)及受力的數(shù)學(xué)模型分析可知，閥片碰撞過(guò)程所受應(yīng)力與閥片的碰撞速度、傾側(cè)運(yùn)動(dòng)的幅度、閥片的結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素有關(guān)。閥片所受撞擊應(yīng)力隨碰撞速度及傾側(cè)運(yùn)動(dòng)幅度的增大而增大。通過(guò)撞擊應(yīng)力分析可知，閥片的撞擊應(yīng)力隨閥片的厚度的增大而迅速增大。這些結(jié)論為閥片的改造提供了理論依據(jù)。

閥片的另一面也受腐蝕性介質(zhì)和應(yīng)力作用，產(chǎn)生麻點(diǎn)和點(diǎn)坑（裂紋源），在隨后的撞擊瞬間發(fā)生脆性斷裂。斷裂后閥片殘片并不馬上與閥片脫離，而是與閥片斷口相互作用產(chǎn)生塑性變形。脫落的閥片碎片是閥片的加強(qiáng)筋和彈簧接觸部位，在斷裂之前其一側(cè)的碎片已經(jīng)斷裂，該加強(qiáng)筋部位由于受閥片側(cè)向下落應(yīng)力作用，閥片形狀突變部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致閥片脆性斷裂。換句話說(shuō)，加強(qiáng)筋部位脫落的閥片碎片裂紋形成與典型的閥片裂紋形成過(guò)程有所不同。

脆性斷裂的特征是材料存在缺陷或者裂紋源，在一定應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生斷裂，這與延性斷裂（發(fā)生較大塑性變形后的斷裂）、疲勞斷裂（斷口有貝紋線）不同。對(duì)2HA/2往復(fù)式壓縮機(jī)故障工況下的熱力學(xué)計(jì)算表明，壓縮機(jī)彈簧剛度不夠造成排氣閥延遲關(guān)閉，緩沖罐內(nèi)高壓氣流回竄和彈簧力共同作用下，閥片沖向閥座。可以推斷，正是由于高壓氣流和彈簧力的共同作用產(chǎn)生的巨大撞擊力使閥片斷裂。

三、閥片改造方案

根據(jù)以上分析，該壓縮機(jī)氣閥對(duì)閥片的要求為：閥片材料的強(qiáng)度應(yīng)能承受較大的撞擊應(yīng)力；能抗介質(zhì)的腐蝕性作用；能耐氣體介質(zhì)或者由于汽缸磨損的微小顆粒；耐一定的溫度。

目前正在得到廣泛應(yīng)用的PEEK材料閥片的彈性模量小，且密度低，較3Cr13金屬閥片更耐沖擊。PEEK材料幾乎不溶于任何有機(jī)溶劑，PEEK閥片更耐介質(zhì)腐蝕。PEEK閥片表面能夠使微小顆粒鑲嵌在內(nèi)，而減少了顆粒對(duì)閥片的磨損作用。采用較厚的PEEK閥片，在相對(duì)于金屬閥片沒(méi)有質(zhì)量增加的情況下，減少了升程，改善了閥片的受力狀態(tài)。PEEK閥片耐溫不超過(guò)250℃。PEEK閥片對(duì)裂紋不敏感，裂紋擴(kuò)展速度較慢，一旦閥片斷裂掉入汽缸也不會(huì)造成汽缸的損壞。

正是基于以上特點(diǎn)，公司與氣閥制造廠聯(lián)系改用PEEK材料閥片，并根據(jù)實(shí)際工況重新設(shè)計(jì)氣閥，改善氣閥延遲關(guān)閉的狀況，從2010年3月以來(lái)，氣閥一直運(yùn)行良好也佐證了改造思路的正確。

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1671-0711（2014）04-0057-03

2014-01-16）