制加氫壓縮機(jī)氣閥壽命短的原因分析及改進(jìn)

馬文禮，張 劍，溫萬春，高慶明，姜文波

(中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834003)

1 引言

氣閥被譽(yù)為往復(fù)壓縮機(jī)的心臟[1]，其性能的好壞直接影響著壓縮機(jī)的使用效率。研究表明，30%以上的非正常停機(jī)都是由于氣閥的失效或者非正常工作而引起的。某煉油廠制加氫裝置壓縮機(jī)于2018年5月按計劃進(jìn)行氣閥改造工作，將氣閥由蘑菇閥片結(jié)構(gòu)改為網(wǎng)狀閥片結(jié)構(gòu)。改造配件共2臺套氣閥，按計劃先改一臺機(jī)子觀察使用效果。從改造后一年使用情況看，氣閥使用壽命不滿足8000 h改造要求。其中新氫一級缸排氣閥壽命僅有2000～3000 h，氣閥使用壽命嚴(yán)重不足。基于此，筆者對該壓縮機(jī)氣閥壽命短的原因進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，為國內(nèi)相關(guān)石化設(shè)備工作人員提供借鑒和參考。

2 壓縮機(jī)參數(shù)

制加氫裝置新氫-循環(huán)氫聯(lián)合壓縮機(jī)K-1101+1102/B，型號：13-4HHE-VG-2.1，由上海德萊賽蘭壓縮機(jī)公司制造，結(jié)構(gòu)為四列缸對置式。左側(cè)分別是新氫一、二級缸，右側(cè)兩列為循環(huán)氫缸，進(jìn)排氣壓力：新氫一級2.0/4.2 MPa、新氫二級4.2/9.4 MPa；循環(huán)氫7.6/9.2 MPa。該壓縮機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 氣閥故障案例

2019年7月3日，90萬柴油加氫裝置壓縮機(jī)K-1101+1102/B使用中出現(xiàn)新氫一級出口壓力不足問題，正常工況下一級出口壓力為4.15MPa左右，實(shí)際只有3.90MPa。初步判斷可能因?yàn)闅忾y故障導(dǎo)致一級出口壓力下降。7月4日按計劃切換機(jī)組，停機(jī)對K-1101+1102/B新氫一級缸蓋側(cè)2只排氣閥拆檢。拆檢情況：閥片一只斷裂、局部缺損，另一只閥片有裂紋缺陷，2只閥片彈簧以及彈簧座存在部分?jǐn)嗔亚闆r，閥蓋油泥較多，注油量較大，如圖1所示。此次新氫一級缸排氣閥出現(xiàn)故障時僅僅使用約2031 h，氣閥使用壽命嚴(yán)重不足。2019年8月2日，為配合K-1101+1102/A機(jī)大修工作，某制加氫裝置將聯(lián)合壓縮機(jī)切換至K1101+1102/B運(yùn)行。運(yùn)行一天后，新氫缸一級出口壓力突然上升（4.08 MPa升至4.24 MPa）。用點(diǎn)溫儀現(xiàn)場對新氫缸氣閥進(jìn)行溫度檢查，發(fā)現(xiàn)新氫二級蓋側(cè)排氣閥96℃，正常值為75℃左右，判斷二級缸蓋側(cè)排氣閥泄漏。切換停用機(jī)組后，聯(lián)系拆檢更換新氫二級缸2只排氣閥。拆檢情況：蓋側(cè)排氣閥外圈局部斷裂2處，閥片彈簧帽大部分?jǐn)嗔?，閥蓋油泥較多，如圖2所示。這只氣閥自2019年4月大修后更換氣閥使用時間約2700h，氣閥壽命嚴(yán)重不足。

總體而言，由于氣閥故障而造成的壓縮機(jī)運(yùn)行工藝參數(shù)異常的現(xiàn)象包括排氣量不足，排氣溫度過高，負(fù)荷量降低，軸蓋兩側(cè)氣閥溫差過大等。對于氣閥，其故障的表現(xiàn)形式有彈簧斷裂，閥片斷裂，彈簧座斷裂，氣閥出現(xiàn)異常聲響等，其中閥片和彈簧帽斷裂成為了該壓縮機(jī)組氣閥使用壽命短的主要因素。

4 氣閥壽命短的原因分析

根據(jù)上述氣閥表現(xiàn)出來的故障形式，剖析其損壞的原因，主要包括以下幾點(diǎn)：

（1） 工藝氣帶液。壓縮機(jī)入口介質(zhì)比較臟，介質(zhì)中帶液使介質(zhì)的比重增大，在工作過程會對氣閥造成液擊閥片受到的壓強(qiáng)增大。液擊是指介質(zhì)中的液體具有不可壓縮性，在高壓氣體的作用下，對氣閥的各個零部件造成較大的沖擊，損壞閥片[2]。

（2） 壓縮機(jī)注油量過大。壓縮機(jī)在運(yùn)行時如果注油量過大則會導(dǎo)致缸內(nèi)潤滑油不能及時消耗，閥內(nèi)積油[3]，通過壓縮后殘留在氣閥表面，最后導(dǎo)致油泥較多，閥片在開啟和關(guān)閉過程中產(chǎn)生油黏滯力。在閥片起閉過程中會產(chǎn)生較大的沖擊力，在承受較大沖擊的過程中閥片會提前產(chǎn)生疲勞斷裂[4]。

（3） 彈簧失效。通過斷裂的彈簧帽設(shè)計圖紙進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)彈簧帽的底端和桿之間變徑處缺少圓角過渡，一旦出現(xiàn)彈簧與連桿在氣閥運(yùn)行過程中產(chǎn)生干涉，如有破損問題就容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，很容易導(dǎo)致彈簧帽斷裂。彈簧的失效會使閥片受力分布不均勻，運(yùn)動規(guī)律發(fā)生變化，從而導(dǎo)致閥片在上下運(yùn)動中的側(cè)傾撞擊加劇，最終造成閥片斷裂[2]。

表1 壓縮機(jī)組相關(guān)技術(shù)參數(shù)

圖1 新氫一級排氣閥閥片彈簧帽斷裂

（4） 閥片材質(zhì)缺陷。氣閥的質(zhì)量對于壓縮機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[5]。該壓縮機(jī)的氣閥閥片材質(zhì)為PTFE，這種閥片的耐沖擊性較差，當(dāng)一旦實(shí)際運(yùn)行工藝參數(shù)稍有變化，極易導(dǎo)致閥片瞬間沖擊速度超過規(guī)定值而引起閥片失效。

此外，壓縮機(jī)的頻繁啟停、工況改變等因素也會造成氣閥的失效[6]。

5 改進(jìn)措施

基于對氣閥使用壽命短的原因分析，從2019年8月中旬起我們對該壓縮機(jī)組的氣閥先后進(jìn)行2次改造，改造后的氣閥從2019年9月運(yùn)行至今內(nèi)沒有出現(xiàn)任何氣閥故障問題，有效解決了壓縮機(jī)組氣閥故障頻發(fā)的問題。具體的氣閥改造措施如下：

（1） 提高工藝氣純度，減少帶液。

圖2 新氫二級排氣閥閥片彈簧帽斷裂

圖3 彈簧帽結(jié)構(gòu)圖

（2） 降低壓縮機(jī)注油量。針對目前注油量過高15滴/min的情況逐步降低注油量，將壓縮機(jī)缸體注油量控制在（5～6） 滴/min，改善閥窩大量積液情況。

（3） 對閥片的材料進(jìn)行升級。將材質(zhì)由原來的PTFE（聚四氟乙烯） 改為更耐沖擊PEEK（聚醚醚酮） 材料，以增加閥片材料的強(qiáng)度、韌性和抗沖擊能力[2]。

（4） 對彈簧帽材質(zhì)進(jìn)行升級，由原來的PTFE（聚四氟乙烯） 改為更耐沖擊PEEK（聚醚醚酮）材料；對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，加大變徑處圓角，減小應(yīng)力集中，同時將小端尺寸改小，將長度由原來的7 mm縮短到3 mm，以免與彈簧內(nèi)孔產(chǎn)生干涉，確保在使用過程中不會發(fā)生斷裂。改進(jìn)前后的彈簧帽結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

6 結(jié)語

長久以來，壓縮機(jī)氣閥使用壽命短一直是困擾著石油、化工等企業(yè)相關(guān)設(shè)備工作人員的難題，主要原因?yàn)閴嚎s機(jī)型眾多，實(shí)際工況復(fù)雜多變等。本文對某煉油廠制加氫壓縮機(jī)組氣閥使用壽命短的原因進(jìn)行了分析，并對故障氣閥實(shí)施了相應(yīng)的改進(jìn)，最終解決了壓縮機(jī)氣閥壽命短的問題，不僅節(jié)約了維修成本，而且延長了壓縮機(jī)的有效運(yùn)行時間，為國內(nèi)處理類似氣閥壽命短的問題提供了借鑒和參照。