苯乙烯裝置氫氣壓縮機(jī)氣閥故障及改進(jìn)措施

啜國棟，李洪偉，徐萬年，劉婷婷

（1.撫順石油化工有限公司煉油二廠，遼寧撫順113000；2.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司，廣州深圳518124）

1 引言

往復(fù)壓縮機(jī)主要應(yīng)用于石油化工等領(lǐng)域，是石油化工裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，壓縮機(jī)故障往往會導(dǎo)致整個裝置的非計(jì)劃停車，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)問題。氣閥是往復(fù)壓縮機(jī)組中最為關(guān)鍵的零件之一，同時也是壓縮機(jī)最容易損壞的部件，其運(yùn)行的好壞直接影響到整個壓縮機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。我廠6萬t/a苯乙烯裝置壓縮機(jī)為4列4級，水冷式、M型無油潤滑壓縮機(jī)，型號為4M6.5-35.5/0.42-25，額定功率400 kW，排氣量35.5 m3/min。

2 故障描述

進(jìn)排氣閥各2臺拆卸檢查，缸蓋和缸座端面有結(jié)焦物，個別高點(diǎn)可達(dá)到2 mm；缸體進(jìn)氣閥部位和活塞體可明顯看見帶液痕跡?；钊h(huán)和支撐環(huán)軸向間隙充滿粉塵，4件活塞環(huán)抱死，2件支撐環(huán)轉(zhuǎn)動不靈活。吸排氣閥各2臺有結(jié)焦，氣閥煤油試漏呈點(diǎn)滴狀泄漏，該氣閥使用壽命低于2個月。

3 原因分析

隨著煉油廠環(huán)保要求的提高，現(xiàn)場工況條件與設(shè)計(jì)之初相比有了一些變化，（脫氫單元空冷器、后冷器、尾氣冷卻器冷卻效果不好）造成氫氣壓縮機(jī)入口溫度升高。氫氣壓縮機(jī)入口溫度大于設(shè)計(jì)值使尾氣中的水蒸氣和苯乙烯含量增加，造成氫壓機(jī)帶液和苯乙烯聚合產(chǎn)生結(jié)焦物；同時脫氫尾氣的吸附單元T-302塔主要是吸附尾氣中芳烴，吸收塔新鮮吸收劑多乙苯因乙苯和苯乙烯為2個獨(dú)立車間和設(shè)計(jì)缺陷不具備持續(xù)性，只能間歇收多乙苯，吸收塔吸收效果不佳，也造成氫壓機(jī)尾氣中苯乙烯含量增加，苯乙烯聚合產(chǎn)生結(jié)焦物。此外脫氫催化劑長時間運(yùn)行，強(qiáng)度降低，產(chǎn)生碎末，在尾氣冷卻系統(tǒng)冷卻效果不佳和吸附系統(tǒng)吸附不好狀況下，進(jìn)入到氫壓機(jī)內(nèi)，堵塞活塞環(huán)、支撐環(huán)間隙，支撐環(huán)磨損嚴(yán)重倒氣及刮缸，進(jìn)入氣閥閥片與閥座間，造成氣閥關(guān)閉不嚴(yán)倒氣泄漏。

4 改進(jìn)氣閥選型分析

在用氣閥結(jié)構(gòu)為彈簧加載的網(wǎng)狀閥，由閥座、閥片、緩沖片、彈簧、閥蓋及緊固螺母組成。其主要的變形元件是彈簧，結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的螺線性，布置方式是沿閥座四周有間距的撐閥片。閥片材質(zhì)為填充聚四氟乙烯（PTFE），緩沖片材質(zhì)為不銹鋼。網(wǎng)狀閥是一種應(yīng)用最為廣泛的氣閥，其密封原理是依靠閥片與閥座的面面接觸密封，這2個密封面的表面均是研磨加工，需要良好的面面貼合才能起到密封作用，通常在大多數(shù)介質(zhì)較為干凈的情況下密封面的貼合是沒有問題的，但是在本裝置中由于介質(zhì)中含有苯乙烯氣體以及介質(zhì)帶液，苯乙烯進(jìn)入到閥體時，會產(chǎn)生一些結(jié)焦物，而結(jié)焦物會附著在網(wǎng)狀閥的閥片上，導(dǎo)致閥體本身通流面積變小同時閥片密封不嚴(yán)造成了閥的失效。考慮到目前現(xiàn)場的工藝狀況暫時無法改變，故考慮通過改造氣閥的結(jié)構(gòu)來解決問題。

除最常使用的網(wǎng)狀閥外，較為常用的氣閥按照閥片形式還有環(huán)狀閥（這里以本機(jī)采用的COOK專利Manley閥為例）。相比于當(dāng)前使用的傳統(tǒng)網(wǎng)狀閥，如圖1、2所示，環(huán)狀閥具有如下一些特點(diǎn)：

（1）環(huán)狀閥流通系數(shù)高，環(huán)狀閥的流道設(shè)計(jì)更符合空氣動力學(xué)，其閥損值較傳統(tǒng)的網(wǎng)狀閥有相當(dāng)程度的降低，同時因?yàn)榄h(huán)狀閥的圓弧設(shè)計(jì)，使得雜質(zhì)不易附著在閥體或閥環(huán)上，因此，環(huán)狀閥對液擊和雜質(zhì)不敏感；

（2）環(huán)狀閥的閥環(huán)厚度大于傳統(tǒng)的網(wǎng)狀閥，閥環(huán)的強(qiáng)度更高，同時特殊的閥座設(shè)計(jì)又極大的減小了彎曲應(yīng)力，延長了閥環(huán)的使用壽命；

（3）環(huán)狀閥的閥環(huán)所受的撞擊力均指向閥環(huán)的中心，水平方向的撞擊力會相互抵消，極大地降低了閥環(huán)的受力，因此環(huán)狀閥允許更高的升程，提高了氣體的流通效率。

圖2

5 解決措施

在分析了目前現(xiàn)場存在的液擊以及結(jié)焦等情況后，聯(lián)系了氣閥制造商美國COOK公司重新對現(xiàn)場工況進(jìn)行了核算。

通常氣閥的選型除了考慮介質(zhì)雜質(zhì)情況外，更為重要的是要對即將采用的氣閥的流通性能進(jìn)行分析計(jì)算。流通性能一般是由氣閥的閥損q值決定的。閥損q值是衡量氣閥的通流性能以及能量損耗的一個標(biāo)桿。通常情況下對于分子量較大的氣體（摩爾質(zhì)量大于5），q值的允許范圍為2～15，理想q值為2～5。對于分子量較小的氣體（摩爾質(zhì)量小于5），q值的允許范圍為1～3，理想q值為1～2。

計(jì)算閥損q值需要先計(jì)算以下幾個參數(shù)，閥隙通流面積，氣體閥隙流速。

閥隙流通面積為，見圖3

式中d1～d7——閥線直經(jīng)

h——升程

PI——3.1415926

氣體閥隙流速說明如下

閥隙流速：氣體通過氣閥時的平均流速

式中Ap——活塞面積

Cm——活塞平均速度

N——?dú)飧淄瑐?cè)同名氣閥個數(shù)

Av——每個氣閥的有效通流面積閥損q值計(jì)算說明如下

式中M——介質(zhì)摩爾質(zhì)量

ps——進(jìn)氣壓力

Ts——進(jìn)氣溫度

Zs——?dú)怏w壓縮系數(shù)

h——?dú)忾y升程高度

Cv——閥隙流速

在工藝氣狀態(tài)下計(jì)算的改進(jìn)前氣閥的q值如表1。

工藝氣的氣體組分絕大多數(shù)為氫氣介質(zhì)，因此摩爾質(zhì)量較低，從上圖可以看出第一、四級的閥損q值在較合理的區(qū)間內(nèi)。第二、三級的閥損值雖然偏高，但還是能滿足機(jī)組需求。

結(jié)果顯示，除考慮到環(huán)狀閥結(jié)構(gòu)上更合理之外，流通性能顯示環(huán)狀閥也表現(xiàn)良好。

從以上氣閥動力學(xué)分析可以看出氣缸上軸側(cè)以及蓋側(cè)氣閥的閥環(huán)隨著活塞在缸體內(nèi)移動的位置及時地開啟和閉合，不會因?yàn)檠舆t關(guān)閉的原因造成憋壓導(dǎo)致溫度或者壓力升高。

根據(jù)分析和計(jì)算結(jié)果，最終決定采用環(huán)狀閥作為改造方案。2018年4月改造后的環(huán)狀閥裝機(jī)運(yùn)行，一直連續(xù)運(yùn)行至發(fā)稿時間，同時DCS顯示氣閥進(jìn)出口溫度也處于一個良好的區(qū)間。改造后的氣閥壽命遠(yuǎn)高于之前，達(dá)到了使機(jī)組長期、穩(wěn)定運(yùn)行的改造目的。

表1

6 結(jié)論

氣閥故障在壓縮機(jī)非計(jì)劃停機(jī)中占有很大的比例，氣閥的選擇需要充分考慮現(xiàn)場的實(shí)際工況變化。同傳統(tǒng)網(wǎng)狀閥相比，COOK Manley環(huán)狀閥在閥片的設(shè)計(jì)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠更好的適應(yīng)現(xiàn)場多變、苛刻的工況，并且其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大降低了閥損，在確保氣閥可靠穩(wěn)定長壽命運(yùn)行的同時還達(dá)到了節(jié)能的效果。因此，建議在壓縮機(jī)氣閥頻繁出現(xiàn)本文類似的故障時可以考慮改變氣閥本身結(jié)構(gòu)，從根本上解決問題。