壓縮機氣閥閥片斷裂原因分析及改進

潘 強 馬曉偉 胡建忠 劉 福

（中石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆 克拉瑪依市 834000）

壓縮機氣閥閥片斷裂原因分析及改進

潘 強 馬曉偉 胡建忠 劉 福

（中石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆 克拉瑪依市 834000）

針對克拉瑪依石化公司某加氫改質裝置新氫壓縮機運行過程中發(fā)生的多起氣閥閥片斷裂問題進行了原因分析，通過對閥片斷裂過程、表征現(xiàn)象及機組的運行參數(shù)、工藝參數(shù)等進行分析，發(fā)現(xiàn)造成閥片關閉時撞擊過速進而在閥片最薄弱的邊緣位置發(fā)生斷裂。在此基礎上進行閥片結構設計改進，有效地解決了氣閥閥片頻繁斷裂問題。最后總結出了氣閥閥片斷裂時的5個表征現(xiàn)象，為今后同類裝置處理類似問題提供借鑒和參照。

新氫壓縮機；排氣閥；閥片斷裂；設計改進

克拉瑪依石化公司某加氫改質裝置設置2臺新氫壓縮機組K-3101/AB，是裝置生產(chǎn)運行的核心設備，運行條件一開一備,采用三列三級壓縮，其作用是保證系統(tǒng)氫氣壓力，參與加氫反應。該機組于2012年4月投入運行，K-3101/A機采用HydroCOM無級氣量調節(jié)作為裝置運行的主機組，K-3101/B機作為備用機運行。2013年8～9月份，由于K-3101/A機一級缸嚴重異響，進行多方原因排查未果后，K-3101/B機成為主力機運行。K-3101/B機運行后，近一年內(nèi)陸續(xù)發(fā)生5次排氣閥閥片斷裂，同時K-3101/A機也發(fā)生了2次排氣閥閥片斷裂問題。

為此，對閥片斷裂過程、斷裂表征現(xiàn)象及當時壓縮機的運行參數(shù)、工藝參數(shù)等進行了詳細分析，通過對比機組工藝運行參數(shù)和氣閥原始設計參數(shù)發(fā)現(xiàn)氣閥原始設計工況和實際運行工況介質組分H2含量發(fā)生了變化，由于H2分子量小，H2含量的少許變化將造成介質氣體摩爾分子量的成倍變化，使氣閥運行時閥片的運動參數(shù)偏離原始設計，氣閥延遲關閉，造成閥片關閉時撞擊過速進而導致閥片最薄弱的邊緣位置斷裂，在此基礎上對閥片結構進行設計改進，最后總結出了氣閥閥片斷裂時的5個表征現(xiàn)象，有效地指導各級管理、操作人員在第一時間內(nèi)判斷出閥片斷裂問題，及時處理，為今后同類裝置處理類似問題提供借鑒和參照。

一、故障概況

2014年8月23日K-3101/B機組運行時DCS畫面趨勢顯示一級缸排氣壓力由3.85MPa上升到4.05MPa、排氣溫度由85℃上升到95℃，二級排氣溫度略有下降，其余各級排氣溫度、壓力正常，如圖1和2所示?，F(xiàn)場實測二級蓋側排氣閥閥蓋溫度100℃，軸側排氣閥閥蓋溫度90℃，二者溫差達到10℃，機組緊急停機，拆檢蓋側排氣閥，發(fā)現(xiàn)閥片邊緣對稱位置有2處斷裂。

圖1 各級進排氣溫度趨勢圖

圖2 各級進排氣壓力趨勢圖

同時查看2013年至2014年檢修記錄發(fā)現(xiàn)，自2013年11月K-3101/B機作為主力機運行后陸續(xù)發(fā)生過5次排氣閥閥片斷裂故障，斷裂時間分別為2013年11月18日、2013年12月26日、2014年1月21日、2014年8月11日、2014年8月23日，氣閥平均使用壽命嚴重不足。根據(jù)現(xiàn)場拆檢情況來看，這5次閥片斷裂的位置，均發(fā)生于二級缸蓋側排氣閥邊緣對稱位置，如圖3所示。

圖3 K-3101/B機排氣閥閥片斷裂部位

2014年12月22日，K-3101/A機組運行時DCS顯示三級缸排氣溫度突然由90℃跳升至98℃，HydroCOM無級氣量調節(jié)三級手操器負荷器從81%自動增加至95%，現(xiàn)場實測蓋側排氣閥閥蓋溫度95℃，軸側排氣閥閥蓋溫度85℃，二者溫差達到10℃，緊急停機后拆檢發(fā)現(xiàn)蓋側排氣閥閥片圓周邊緣斷裂一塊，如圖4所示。對氣閥進行了更換，23日開機后發(fā)現(xiàn)三級缸排氣溫度為97℃，仍然偏高，此時一級缸排氣溫度81℃，二級缸排氣溫度為88℃，并且現(xiàn)場實測K-3101/A三級缸蓋側排氣閥閥蓋溫度90℃，軸側排氣閥閥蓋溫度80℃，說明此閥仍然存在泄漏，31日停機后拆檢發(fā)現(xiàn)蓋側排氣閥閥片圓周邊緣斷裂2處，如圖5所示。

圖4 K-3101/A機12月22日排氣閥閥片斷裂部位

圖5 K-3101/A機12月31日排氣閥閥片斷裂部位

綜上所述，K-3101/AB機組運行一年時間內(nèi)，排氣閥閥片先后發(fā)生了7次斷裂，斷裂位置均位于閥片邊緣，說明閥片斷裂問題絕非偶然現(xiàn)象，需要深入分析原因。

二、原因分析

1.閥片斷裂表征現(xiàn)象原因分析

針對K-3101/B機，由于二級蓋側排氣閥閥片斷裂后被壓縮后的高溫氣體不能被完全排出，通過氣閥內(nèi)漏回流的方式又返回到氣缸內(nèi)，造成蓋側排氣閥閥蓋溫度偏高。由于二級氣閥泄漏后排氣效率降低，造成一級出口壓力憋壓偏高，一級壓縮比增大，一級缸排氣溫度上升。一級出口壓力增大導致二級入口壓力隨之增大，二級壓縮比減小，所以二級排氣溫度會略有下降。

針對K-3101/A機,用上述同樣的方法可以分析出三級蓋側排氣閥閥片斷裂后排氣溫度和蓋側排氣閥閥蓋溫度偏高原因。不同之處在于K-3101/A機組采用HydroCOM無級氣量調節(jié)，各級出口壓力要維持設定值不變時只能通過三級負荷手操器自動加載負荷來實現(xiàn)。

以上很好地解釋了K-3101/AB機氣閥閥片斷裂時出現(xiàn)的各種表征現(xiàn)象的原因，為壓縮機氣閥閥片斷裂判斷積累了寶貴經(jīng)驗。

2.閥片斷裂原因分析

該機組每個氣缸均設置上、下兩個注油點，各點注油量如下（滴/min）：一級上20、下12；二級上11、下15；三級上4、下17～18。拆檢的故障氣閥內(nèi)外表面油膜分布正常，根據(jù)注油量和氣閥拆檢情況來看，二級氣缸注油量是正常的。查看壓縮機溫度、壓力等運行參數(shù)穩(wěn)定，因此排除壓縮機操作因素造成氣閥閥片斷裂。

從閥片斷裂總是固定發(fā)生于二級蓋側排氣閥來看，問題可能由于系統(tǒng)因素，而不是某些偶然因素造成，因此可以排除氣閥批次質量等偶然因素造成氣閥故障。

重新審核二級氣閥原始設計數(shù)據(jù)，排氣閥主要參數(shù)，如閥片開啟關閉時的撞擊速度、彈簧力、閥片關閉角等均在正常范圍。閥片正、反面與閥座、閥蓋的撞擊痕跡均比較輕微（見圖6和7），表明氣閥工作時，無論是開啟還是關閉，撞擊速度均正常，閥片斷裂不是設計因素造成。

圖6 閥片開啟撞擊痕跡（與閥蓋）

圖7 閥片關閉撞擊痕跡（與閥座）

壓縮機介質H2是由制氫裝置生產(chǎn)的高純度氫和一部分重整裝置生產(chǎn)的重整氫混合而成，實際H2含量在一定范圍內(nèi)變化。從故障前后壓縮機介質組份的分析結果可知，介質氫含量在92.456%～98.477%之間變化，如圖8中的氫氣組分變化所示，根據(jù)車間工藝卡片要求，裝置新氫H2含量只需大于92%就滿足工藝要求，對比氣閥原始設計工況和實際運行工況，壓縮機實際運行參數(shù)接近原始設計參數(shù)，唯一變化明顯的是介質氣體的摩爾分子量，設計介質組份為：H2：98.92%、CH4：1.039%、C6H14：0.041%，摩爾分子量為2.19g/mol，而2014年8月12日的介質組份，摩爾分子量達到5.55g/ mol，變化超過一倍。

圖8 8月氫氣組分變化圖

分別用H2含量98.48%、95.36%、92.46%的介質組份校核各級氣閥主要的設計參數(shù)，發(fā)現(xiàn)二級蓋側排氣閥片撞擊速度分別為最大允許撞擊速度的92.7%、93.5%、95.4%，閥片關閉時的撞擊速度，隨摩爾分子量的增加而逐漸增大；同時，關閉彈簧力則隨摩爾分子量增加而變得越來越弱；更嚴重的是當介質氣體中H2含量從98.48%向92.46%變化時，二級蓋側排氣閥模擬運行時的關閉角越來越大，并有二次關閉的情況，二次關閉的關閉角均超過180°，氣閥實際延遲關閉；二級軸側排氣閥上述參數(shù)則正常（軸、蓋側排氣閥的差異，主要由于軸側氣缸有活塞桿的影響）。

綜上所述分析認為，造成二級蓋側排氣閥閥片連續(xù)斷裂的主要原因是介質組份中H2含量的變化，由于H2分子量小，H2含量的少許變化，造成介質氣體摩爾分子量成倍變化，該變化使氣閥運行時，閥片的運動參數(shù)偏離原始設計，氣閥有延遲關閉的傾向，進而造成閥片關閉時撞擊過速在閥片最薄弱的邊緣位置發(fā)生斷裂。

三、處理建議及改進措施

為了盡可能的利用原閥，方便現(xiàn)場工作和實施，試圖通過改變彈簧力的方式調整氣閥，以適應現(xiàn)場實際工況，但由于選擇合適的彈簧與之匹配較為困難，因此只能通過改變彈簧數(shù)量來微調，但改變彈簧數(shù)量，實際上已不能利用原閥，因此建議采用改變閥型的措施，以適應現(xiàn)場實際工況（圖9）。

查閱相關氣閥設計技術資料，認為采用CS型非金屬網(wǎng)狀閥替換原閥可以實現(xiàn)。CS型氣閥是一款成熟閥型，在石化、煉油、天然氣、空分等眾多領域廣泛應用，并有良好的應用效果記錄。其特點如下：

（1）選用PEEK材料閥片（與原閥片材料一致），抗沖擊性能強；（2）該閥型槽道寬、通流性好，閥損低；（3）相對于同尺寸的其它閥型，CS氣閥彈簧數(shù)量多，布置均勻，保證閥片平穩(wěn)開啟和關閉；（4）利用計算機模擬氣閥的運動，可精確設置合理的彈簧力，尤其對介質組分變化有更寬的適應范圍。

圖9 CS非金屬網(wǎng)狀閥的結構簡圖

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