往復式壓縮機排氣閥閥片斷裂原因分析

章曉劍 宋 彬 王星聯(lián) 郭曉軍 何林林

（中國石油蘭州石化設備維修公司 蘭州）

一、引言

往復式壓縮機是航煤加氫裝置的核心設備。新氫往復式壓縮機從系統(tǒng)管網(wǎng)中獲得新氫，將新氫加壓到裝置反應所需的壓力輸送到裝置反應器中。40萬t/a航煤加氫裝置上的新氫壓縮機采用意大利新比隆公司生產(chǎn)的2HA/2型雙列對動式往復壓縮機。設計入口壓力0.8 MPa，出口壓力8.4 MPa，流量50 m3/min，由轉速為740 r/min，功率335 kW的電機帶動。

壓縮機自運行以來，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，壓縮機曲軸、連桿大頭瓦、十字頭銷磨損。氣閥失效是排氣溫度升高，排氣量降低的直接原因。近幾年內氣閥失效主要表現(xiàn)為閥片斷裂，直接影響介質的壓力和壓縮機的正常運行。閥片斷裂是2HA/2往復式壓縮機最主要的故障。

1.氣閥及閥片故障

（1）氣閥。氣閥由閥座、啟閉元件、升程限制器和彈簧組成。2HA/2型往復式壓縮機閥座和升程限制器均采用2Cr13材料，材料成分（重量百分比）含 C，0.16%～0.25%，Si≤1%，Mn≤1%，S≤0.03%，P≤0.035%。Cr，12%～14%，Ni≤0.6%，氣閥及其組成見圖1。

圖1 氣閥組成

2.閥片

2HA/2往復式壓縮機，從柴油加氫裝置改造成航煤加氫裝置以來，根據(jù)氣閥的運行、開發(fā)和制造情況，先后采用過金屬環(huán)狀閥、金屬網(wǎng)狀閥，網(wǎng)狀塑料閥等。2006年改造時，采用的網(wǎng)狀閥片材料為3Cr13，材料成分（重量百分比），含C，0.26%～0.35%，Mn≤1%，Si≤1%，S≤0.03%，P≤0.035%，Cr，12%～14%，Ni≤0.6%。閥片外徑121 mm，內徑27 mm，厚度2 mm，內外邊緣圓角半徑 0.2 mm。閥片經(jīng)過精磨和去應力處理。閥片設計壽命為4500 h，結構見圖2。

3.閥片工況

航煤加氫裝置2HA/2新氫往復式壓縮機工作介質為重整氫氣，主要包括 H2、烷烴、芳香烴等。主要成分（體積百分含量），甲烷1.75%，乙烷2.19%，丙烷2.1%，正丁烷 0.53%，異丁烷0.88%，正戊烷0.01%，異戊烷0.24%，碳6含量1.16%，氫氣91.14%。

閥片在閥腔內外的氣流壓差和彈簧的聯(lián)合作用下，活塞每運動一個行程，閥片就要撞擊升程限制器和閥座各一次。轉速為740 r/min時，閥片每分鐘各撞擊升程限制器和閥座740次。在閥座和升程限制器的來回撞擊中，閥片一直處于高頻撞擊狀態(tài)。該壓縮機一級排氣溫度為100～130℃，排氣閥閥片長期處于較高溫度工作條件。由于閥座在運動過程中伴隨一定頻率的彈性變形和振動，閥片與撞擊零件之間也存在磨損?？偟膩碚f，閥片處于高頻撞擊應力、高溫和磨損工況。

4.氣閥檢修改造情況

新建柴油加氫裝置之初，壓縮機隨機氣閥的設計因為與實際工藝參數(shù)不一致而不能自動開啟，當時通過減小氣閥彈簧直徑的方法對其進行了改進并順利開車，除了氣閥壽命較短外，裝置一直運行比較平穩(wěn)。從2000年改擴建為40萬t/a航煤加氫裝置以來，氣閥使用壽命短的問題一直沒有解決，閥片斷裂故障經(jīng)常發(fā)生。

圖2 閥片結構

公司根據(jù)閥片的使用情況，先后聯(lián)系國內氣閥制造廠對氣閥依據(jù)變化后的工藝情況進行重新設計，試圖解決閥片頻繁斷裂的問題。使用過金屬閥片和塑料閥片，由于塑料閥片在高溫下經(jīng)常出現(xiàn)變形，導致氣閥不能正常工作，效果都不理想。檢修車間按照當時的運行參數(shù)重新設計氣閥，并改為金屬網(wǎng)狀閥片，壽命有所提高。但在之后又頻繁發(fā)生閥片斷裂，隨后又將網(wǎng)狀閥片改為PEEK閥進行試驗。在故障的高發(fā)期，氣閥失效主要表現(xiàn)為氣閥閥片斷裂（圖3）。

圖3 一級出口閥及斷裂閥片

二、閥片斷裂原因分析

在高溫、高頻撞擊和磨損的工況下，閥片失效主要有：疲勞損壞引起斷裂，由于閥片承受著頻繁的撞擊和彎曲交變載荷，閥片容易產(chǎn)生疲勞損壞；閥片磨損；材料缺陷引起斷裂，材料夾渣、夾層、裂紋等缺陷引起閥片應力集中，成為疲勞破壞的根源；介質腐蝕，壓縮介質本身有腐蝕性或含有水分，工作時沖刷閥片，在閥片局部地方出現(xiàn)麻點和空洞，引起應力集中，產(chǎn)生腐蝕疲勞破壞。

1.閥片硬度測試

使用DHT-100便攜式硬度計，對閥片表面9個不同位置點表面進行洛氏硬度（HRC）測試，按閥片徑向從外向內，對使用前后的閥片及使用后閥片的閥座側和彈簧側硬度，分別進行測試，對測試結果取平均值?？傻贸觯y片使用前平均顯微硬度為37.7 HRC，閥片使用后閥座側平均顯微硬度為33 HRC，閥片使用后彈簧側平均顯微硬度為38.47 HRC。

圖4 閥片硬度測試結果

使用后閥片彈簧側顯微硬度升高（上升2.04%），閥座側顯微硬度有一定的降低（下降12.47%），見圖4。主要原因為：閥片彈簧側受到彈簧撞擊硬化作用，閥座側受到磨損，表面粗糙度增大，導致顯微硬度降低。測試結果表明，未經(jīng)投用閥片表面顯微硬度均勻。閥片表面制造質量合格。

2.閥片斷口分析

觀察閥片外觀，斷裂部位都處在閥片最外環(huán)加強筋之間（圖5中A、B、C、D處）。斷口表面大部分為光亮層與少部分無金屬光澤的纖維狀斷口（圖6）。斷口表面有細小麻點、沒有金屬光澤且有積炭層，見圖7、圖8。斷口側面有明顯不規(guī)則的小塊脫落，圖9F處。

掃描電子顯微鏡能觀察斷口的微觀形貌，可以用來分析斷口性質，從而分析裂紋的來源和擴展過程，能譜儀可以對斷口表面的成分進行分析。采用JSM-6700F掃描電子顯微鏡和Genesis XMZ型能譜儀對斷口進行分析。試驗前，將斷口放在酒精溶液中，采用KQ-100型超聲波清洗器清洗5 min。

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。圖11、圖12和圖13是分別是斷口邊緣和中部。圖11斷口邊緣部位的組織表明，材料最后受剪切力作用斷裂，圖中裂紋部位即為最后受剪切力剝落部位。圖11中的卷皮也就是宏觀觀察平整大塊的邊緣，說明材料斷裂后經(jīng)過擠壓產(chǎn)生塑性變形，卷皮下部就是斷口斷裂的初始狀態(tài)。斷口的初始斷裂狀態(tài)（圖14）為韌窩狀的纖維組織，是脆性沿晶斷裂。

斷口側面的小塊脫離和初始斷口為脆性沿晶斷裂，說明小塊脫落先于裂紋擴展，并因為受力面積減小引起應力集中而成為裂紋源。隨后閥片在瞬間受到的應力大于截面許用應力時，閥片裂紋擴展斷裂。小塊表面的不規(guī)則、細小麻點和“積炭”層，表明小塊脫落前，閥片受應力和腐蝕的兩重作用；小塊脫離后，閥片受到應力、腐蝕和積炭顆粒的摩擦磨損作用。

圖5 一級出口閥斷裂閥片

圖6 閥片A處斷口

圖7 閥片C處斷口

圖8 閥片E處斷口

圖9 閥片D處斷口（俯視角度）

圖10 閥片D處斷口（平視角度）

圖11 斷口邊緣形貌×100

圖12 斷口中部形貌×75

圖13 斷口中部形貌×100

圖14 初始斷口形貌×100

對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（圖14中測點 1，2，3），裂紋擴展后產(chǎn)生塑性變形部位（圖13中測點1），產(chǎn)生塑性變形邊緣（圖15中測點1，2）進行能譜分析。能譜圖見圖 16～圖 21。

圖12沿晶斷裂部位測點1和2中Cr含量差別不大，晶間沒有Cr富集或貧瘠，斷口沒有發(fā)生晶間腐蝕而導致斷裂。經(jīng)過塑性變形區(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，組織成分沒有太大變化（圖11、圖13）。圖13中的1測試點表明，斷口中存在氧化物、氯化物。其中，Cl元素可能正是重整加氫的中所含的Cl離子。

能譜分析還表明，閥片材料組織成分均勻，沒有明顯的冶金缺陷。

3.閥片運動及受力模型

閥片在開啟和關閉過程中，除了作向升程限制器或閥座平動外，由于氣流的不均勻作用力還要做傾側運動。閥片向下平動產(chǎn)生的撞擊力很小，并不足以使閥片產(chǎn)生破壞的應力。閥片破壞的沖擊應力主要取決于傾側運動產(chǎn)生的撞擊力。

圖15 斷口形貌及能譜測點

圖16 測點1（圖13）能譜圖

圖18 測點2（圖14）能譜圖

閥片碰撞過程所受應力與閥片的碰撞速度、傾側運動的幅度、閥片的結構參數(shù)等因素有關。閥片所受撞擊應力隨碰撞速度的增大而增大，隨傾側運動幅度的增大而增大。在閥片的結構參數(shù)中，閥片的厚度對閥片的撞擊應力影響很大，通過對不同厚度的閥片撞擊應力分析可知，閥片的撞擊應力隨閥片的厚度的增大而迅速增大。這些結論為閥片的改造提供了理論依據(jù)。
綜合以上分析，閥片的斷裂過程為：氣閥閥片在工作中高頻撞擊升程限制器和閥座，在內應力和介質中腐蝕性酸的作用下，閥片的表面形成麻點和點坑，潤滑油經(jīng)過高溫加熱脫水形成積炭，進一步摩擦磨損撞擊擴大麻點和點坑。麻坑成為閥片的缺陷和裂紋源。閥片某一瞬間交變應力大于許用應力作用時，裂紋突然擴展并產(chǎn)生脆性沿晶斷裂。

圖19 測點3（圖14）能譜圖

圖20 測點1（圖15）能譜圖

閥片的另一端也與前一端一樣受腐蝕性介質和應力作用，產(chǎn)生麻點和點坑（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。其中，脫落的閥片碎片是閥片的加強筋和彈簧接觸部位，在斷裂之前其一側的碎片已經(jīng)斷裂，該加強筋部位由于受閥片側向下落應力作用，閥片形狀突變部位產(chǎn)生應力集中，導致閥片脆性斷裂。換句話說，加強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，在一定應力作用下裂紋擴展產(chǎn)生斷裂，這與延性斷裂是發(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2HA/2往復式壓縮機故障工況下的熱力學計算表明，壓縮機彈簧剛度不夠造成排氣閥延遲關閉，緩沖罐內高壓氣流回竄和彈簧力共同作用下，閥片沖向閥座?？梢酝茢?，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，該壓縮機氣閥對閥片的要求為：（1）耐撞擊應力。閥片材料的強度較大，可以承受較大的撞擊應力。（2）耐介質腐蝕。能抗介質的腐蝕性作用。（3）耐磨損。能耐氣體介質或者由于氣缸磨損的微小顆粒。（4）耐一定的溫度。前期試用塑料閥片，經(jīng)常由于出口溫度較高產(chǎn)生變形而不能使用。

因此需要尋找符合這些要求的閥片材料，目前正在得到廣泛應用的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溶劑，PEEK閥片更耐介質腐蝕性。在閥片與閥座和升程限制器來回撞擊過程中，介質中或者由于氣缸制造過程中表面粗糙度造成的顆粒，對閥片造成一定的磨損。PEEK閥片表面能夠使微小顆粒鑲嵌在內，而減少了顆粒對閥片的磨損作用。從閥片運動和受力分析可知，氣閥升程對閥片的受力有很大影響，在加工制造閥片過程中，采用較厚的PEEK閥片，在相對于金屬閥片沒有質量增加的情況下，減少了升程，改善了閥片的受力狀態(tài)。PEEK閥片能耐溫度＜250℃，而塑料閥片僅耐170～200℃。機組壓縮介質為氫氣，閥片斷裂原因是在交變載荷作用下疲勞失效。對鋼閥片而言隨著裂紋擴展會發(fā)生脆性斷裂，而PEEK閥片對裂紋不敏感，裂紋擴展速度較慢，一旦閥片斷裂掉入氣缸也不會造成氣缸的損壞?？紤]到機組壓縮介質是氫氣，安全性顯得尤為重要。

正是基于以上特點的考慮，公司與氣閥制造廠聯(lián)系改用PEEK材料閥片，并根據(jù)實際工況重新設計氣閥，改善氣閥延遲關閉的狀況，從2010年3月以來，氣閥一直運行良好，證實改造思路正確。

四、結論

（1）閥片是在腐蝕性介質和撞擊力作用下，產(chǎn)生麻點和點坑缺陷，可能成為裂紋源，在撞擊應力的作用下產(chǎn)生脆斷；閥片斷塊的另一端斷口與前一端斷口先后斷裂，并且對斷口突起部分擠壓產(chǎn)生塑性變形。閥片的硬度和斷口成分分析表明，閥片沒有明顯的冶金缺陷，對閥片起腐蝕作用的很可能是重整加氫中的Cl離子。

（2）閥片破壞所受撞擊應力主要受閥片向下平動和受氣流作用的傾側運動有關，其中起決定作用的是傾側運動產(chǎn)生的撞擊力。閥片碰撞過程所受應力與閥片的碰撞速度、傾側運動的幅度、閥片的結構參數(shù)等因素有關。閥片所受撞擊應力隨碰撞速度的增大而增大。隨傾側運動幅度的增大而增大，閥片的厚度的增大而迅速增大。

（3）PEEK閥片因為具有較好的抗撞擊力、耐腐蝕性和韌性好，較塑料閥片耐更高的溫度，在該壓縮機運行中可以克服金屬閥片的諸多問題，在實際運行中取得良好效果。