聚丙烯裝置循環(huán)丙烯壓縮機(jī)氣閥故障分析與改進(jìn)

盧 永，劉建新，劉 亮

(中國(guó)石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101)

某20萬(wàn)t/a聚丙烯裝置循環(huán)丙烯壓縮機(jī)為瑞士布克哈德公司生產(chǎn)的三缸兩級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)，型號(hào)為3K160-2D-1。該壓縮機(jī)的主要作用是將經(jīng)閃蒸罐中分離出的夾帶聚丙烯粉末及三乙基鋁助劑的氣相丙烯進(jìn)行回收，并經(jīng)白油洗滌過(guò)濾后進(jìn)入壓縮機(jī)入口，通過(guò)兩級(jí)升壓后返回丙烯循環(huán)系統(tǒng)。

自裝置投產(chǎn)以來(lái)，該壓縮機(jī)氣閥使用壽命最長(zhǎng)不超過(guò)12個(gè)月，最短不足6個(gè)月。由于沒(méi)有備機(jī)，氣閥故障后需要停機(jī)將回收丙烯排放掉才能進(jìn)行更換，處理時(shí)間超過(guò)8 h，不僅嚴(yán)重影響裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，還會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。為此，對(duì)該壓縮機(jī)氣閥頻繁故障原因進(jìn)行分析，并采取措施加以改進(jìn)，以期為同類裝置出現(xiàn)的類似問(wèn)題提供參考。

聚丙烯裝置循環(huán)丙烯壓縮機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 循環(huán)丙烯壓縮機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)

1 故障現(xiàn)象及拆檢情況

1.1 氣閥

往復(fù)壓縮機(jī)氣閥主要負(fù)責(zé)氣體的吸入和排出，由閥座、閥片、彈簧、升程限制器、定位螺栓等主要部分組成。氣閥作為往復(fù)活塞式壓縮機(jī)中的重要部件也是易損壞的部件之一，它的好壞直接影響壓縮機(jī)的排氣量、功率消耗及運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。目前往復(fù)式壓縮機(jī)正向高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展，而限制轉(zhuǎn)速提高的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是氣閥。

往復(fù)式壓縮機(jī)一般都采用“自動(dòng)閥”，就是氣閥的開(kāi)啟與關(guān)閉是依靠閥片兩邊的壓力差實(shí)現(xiàn)的，沒(méi)有其他的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。如圖1所示，氣閥主要由閥座、閥片、彈簧、升程限制器和將它們組為一體的螺栓、螺母等組成。排氣閥的結(jié)構(gòu)與吸氣閥基本相同，兩者僅是閥座與升程限制器的位置互換，吸氣閥升程限制器靠近氣缸里側(cè)，排氣閥則是閥座靠近氣缸里側(cè)。

圖1 氣閥結(jié)構(gòu)示意

1.2 故障現(xiàn)象

該往復(fù)壓縮機(jī)自投產(chǎn)以來(lái)，每運(yùn)行一段時(shí)間就會(huì)發(fā)現(xiàn)一級(jí)排氣閥中的1號(hào)、2號(hào)瓦魯溫度逐步升高，機(jī)組壓縮能力下降。且隨著瓦魯溫度持續(xù)升高，機(jī)組壓縮能力持續(xù)下降，直至無(wú)法達(dá)到正常運(yùn)行要求。壓縮機(jī)氣閥從安裝至失效過(guò)程出口壓力與瓦魯溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 壓縮機(jī)氣閥從安裝至失效過(guò)程出口壓力與瓦魯溫度數(shù)據(jù)

1.3 拆檢情況

氣閥閥座與升程限制器上都有環(huán)形或孔形通道，工作時(shí)供氣體通過(guò)。閥片與閥座上的密封口貼合形成密封。升程限制器上有導(dǎo)向凸臺(tái)，對(duì)閥片升降起導(dǎo)向作用。結(jié)合表2數(shù)據(jù)，二級(jí)出口壓力伴隨一級(jí)出口壓力下降而降低，且一級(jí)與二級(jí)瓦魯溫度同步上升，初步判斷為一級(jí)排氣閥出現(xiàn)故障。對(duì)氣閥進(jìn)行拆檢，氣閥故障部位如圖2所示。

圖2 故障氣閥

由圖2可以觀察到：

1) 一級(jí)排氣閥的閥環(huán)破損，有3 cm左右的缺口，且閥片上布滿很深的彈簧撞擊凹槽。

2) 排氣閥閥座存在少量積碳。

2 氣閥失效原因分析

2.1 氣閥失效的原因分析

根據(jù)表2，將壓縮機(jī)氣閥從安裝至失效過(guò)程出口壓力與瓦魯溫度數(shù)據(jù)作對(duì)比分析，如圖3所示。

圖3 壓縮機(jī)氣閥從安裝至失效過(guò)程出口壓力與瓦魯溫度趨勢(shì)

由圖3可以觀察出：

1) 壓縮機(jī)運(yùn)行初期，一、二級(jí)出口瓦魯溫度比較穩(wěn)定，壓縮機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間之后，一、二級(jí)出口瓦魯溫度逐漸升高。

2) 隨著瓦魯溫度升高，一、二級(jí)出口排氣壓力逐漸減小，直至氣閥失效。

通過(guò)對(duì)該壓縮機(jī)氣閥拆檢結(jié)果及運(yùn)行數(shù)據(jù)的研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致其氣閥失效加快的因素可能有以下3種：

1) 氣閥閥片安裝不規(guī)范；

2) 進(jìn)氣介質(zhì)較臟，污染氣閥；

3) 氣閥選型不當(dāng)。

若氣閥閥片安裝不規(guī)范，在運(yùn)行初期就會(huì)產(chǎn)生閥窩振動(dòng)加強(qiáng)、氣閥泄漏、排氣溫度增大等現(xiàn)象，無(wú)法運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，所以不在本次分析討論范圍內(nèi)。下面針對(duì)其他2種因素逐一進(jìn)行分析討論。

2.2 氣閥失效的因素分析計(jì)算

2.2.1 進(jìn)氣介質(zhì)因素分析

如圖4所示，該壓縮機(jī)循環(huán)回收丙烯的主要工藝流程為：來(lái)自前工段的聚丙烯漿料(主要包含聚丙烯粉料、丙烯、三乙基鋁、烴油)經(jīng)閃蒸罐D(zhuǎn)301分離出大量高壓丙烯，剩余含有少量丙烯單體的聚合物進(jìn)入袋式過(guò)濾器F301； 在F301中聚合物和單體進(jìn)一步分離，聚合物在料位控制下，從F301進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)，而丙烯氣體從F301頂部排出，經(jīng)安全過(guò)濾器F302進(jìn)入低壓丙烯洗滌塔T302洗滌； 洗滌后的丙烯氣經(jīng)T302頂部冷卻器E304冷卻到40～50 ℃后進(jìn)入霧沫分離器D304； 在D304中丙烯氣與油分離，丙烯氣再經(jīng)壓縮機(jī)入口過(guò)濾器F303進(jìn)入丙烯氣循環(huán)壓縮機(jī)PK301，經(jīng)PK301壓縮至1.6 MPa以上回收再利用。

圖4 壓縮機(jī)丙烯氣循環(huán)工藝流程

T302為折流板式塔，洗滌介質(zhì)為白油和Atmer163混合液體(體積比為2∶1)，洗滌液從塔上部沿塔板流下，丙烯氣從下部進(jìn)入向上流動(dòng)與洗滌液逆向接觸，通過(guò)T302循環(huán)泵P304不斷循環(huán)洗滌，除去氣體中夾帶的聚丙烯細(xì)粉及剩余的三乙基鋁；Atmer163與三乙基鋁反應(yīng)，生成穩(wěn)定的液態(tài)油溶性絡(luò)合物。根據(jù)設(shè)備操作手冊(cè)要求，往復(fù)壓縮機(jī)每連續(xù)運(yùn)行兩個(gè)月或當(dāng)白油中的鋁含量(三乙基鋁含量的標(biāo)注量)超過(guò)5%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))時(shí)更換新的白油。表3所示為壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)T302白油中鋁含量進(jìn)行定期分析的數(shù)據(jù)。

表3 壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)T302白油中鋁含量定期分析數(shù)據(jù)

根據(jù)上述工藝流程，該丙烯氣壓縮工藝流程有3道過(guò)濾流程(F301、F302、F303)，2道分液流程(E304、D304)，通過(guò)對(duì)進(jìn)入壓縮機(jī)入口丙烯夾帶雜質(zhì)進(jìn)行分離，實(shí)際上進(jìn)入壓縮機(jī)中的雜質(zhì)已經(jīng)相當(dāng)微量；且根據(jù)表3分析數(shù)據(jù)并配合氣閥拆檢結(jié)果，在氣閥座以及氣缸壁上并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大量的積碳現(xiàn)象，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)帶液的問(wèn)題。綜上所述，往復(fù)壓縮機(jī)PK301在氣閥從安裝到運(yùn)行周期內(nèi)，并沒(méi)有明顯的帶液或者雜質(zhì)積碳現(xiàn)象，所以本次氣閥失效原因基本排除進(jìn)氣介質(zhì)較臟這個(gè)因素。

2.2.2 氣閥選型因素分析

聚丙烯裝置循環(huán)丙烯壓縮機(jī)原一級(jí)進(jìn)氣閥/排氣閥、二級(jí)進(jìn)氣閥/排氣閥閥型均為165CGE 環(huán)狀閥，閥片材質(zhì)為PC(復(fù)合聚碳酸酯)。其閥片耐沖擊速度最大約為4 m/s，關(guān)閉彈簧線圈直徑為6.25 mm。其實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖2所示，設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

表4 往復(fù)壓縮機(jī)原裝氣閥165CGE環(huán)狀閥設(shè)計(jì)參數(shù)

從圖2中可以看出，該種氣閥閥片為間隔環(huán)形結(jié)構(gòu)，每組環(huán)形閥片下都裝有關(guān)閉彈簧，靠近中心的2組閥片每組安裝有4件彈簧，遠(yuǎn)離中心2組各為6件彈簧。在使用過(guò)程中，每組閥片單獨(dú)作用，當(dāng)閥片內(nèi)、外壓力差超過(guò)彈簧壓力時(shí)，閥片開(kāi)啟，氣體吸入或排出壓縮機(jī)氣缸；當(dāng)閥片內(nèi)、外壓力差低于彈簧壓力時(shí)，閥片關(guān)閉，進(jìn)入下一個(gè)壓縮階段。

對(duì)圖2氣閥閥片斷面進(jìn)行微觀分析觀察，如圖5所示。

圖5 聚丙烯裝置原裝165CGE環(huán)裝閥閥片斷面微觀圖像

由圖5觀察可知，氣閥閥片破損的主要原因?yàn)槠跀嗔?，說(shuō)明閥片在啟閉過(guò)程中，受到較大的沖擊載荷，而現(xiàn)有氣閥結(jié)構(gòu)無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間承擔(dān)該載荷沖擊，最終導(dǎo)致閥片斷裂，這是導(dǎo)致聚丙烯裝置氣閥失效的主要原因。

通過(guò)對(duì)氣閥結(jié)構(gòu)及原理的分析可以發(fā)現(xiàn)，該種氣閥存在如下兩方面缺陷：

1) 無(wú)相對(duì)有效的緩沖機(jī)構(gòu)。當(dāng)閥片升程較大時(shí)，彈簧在輔助閥片關(guān)閉時(shí)，閥片貼合閥座的過(guò)程中會(huì)獲得較大的動(dòng)能，撞擊閥座，運(yùn)行一段時(shí)間后，閥片會(huì)面臨疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2) 彈簧回座力不對(duì)稱。上文提到，每組閥片都裝有對(duì)稱的回座彈簧，但由于彈簧材質(zhì)、彎曲度不可能做到絕對(duì)相同，彈簧在運(yùn)行一段時(shí)間后，可能面臨彈簧回座力傾斜的問(wèn)題，導(dǎo)致閥片在與閥座貼合時(shí)產(chǎn)生交變載荷，造成閥片過(guò)早損壞。

下面針對(duì)上述兩方面缺陷對(duì)氣閥進(jìn)行優(yōu)化改造。

3 氣閥的優(yōu)化改造

3.1 氣閥優(yōu)化改造

優(yōu)化改造后的氣閥如圖6所示。

圖6 聚丙烯裝置優(yōu)化改造后的氣閥結(jié)構(gòu)

如圖6所示，將原來(lái)的型號(hào)為165CGE 環(huán)狀閥更改為了帶緩沖機(jī)構(gòu)的165CP閥門。

165CP閥門結(jié)合了環(huán)狀閥與網(wǎng)狀閥的特點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)如下：

1) 優(yōu)化的氣體流道設(shè)計(jì)，使氣閥效率更高，閥損比常規(guī)環(huán)狀閥減少30%～40%，有利于壓縮機(jī)運(yùn)行工況下的節(jié)能降耗。

2) 閥片材質(zhì)更換為HP非金屬?gòu)?fù)合材質(zhì)(PEEK+ 碳纖維)，允許撞擊速度更高、使用壽命更長(zhǎng)。HP材料為含有長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)的含氟高分子聚合物，具有優(yōu)良的抗化學(xué)性能，很低的熱膨脹和吸濕性，耐溫范圍廣(-150～220 ℃)，抗疲勞開(kāi)裂性能優(yōu)異。

3) 采用大載荷的粗壯彈簧，提高彈簧的疲勞強(qiáng)度，更能抵抗動(dòng)態(tài)交變載荷。

4) 增加雙緩沖彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在閥片啟閉過(guò)程中，使閥片回座速度大幅度降低，減小閥座對(duì)閥片的沖擊載荷。CP氣閥升程與彈簧載荷曲線如圖7所示。CP氣閥升程與閥片沖擊速度示意如圖8所示。

圖7 CP氣閥升程與彈簧載荷曲線

在圖7和圖8中，氣閥總升程為h(h=h1+h2)，包含2個(gè)部分。其中h1為氣閥在關(guān)閉彈簧的作用下的升程，其運(yùn)行終了時(shí)速度為V1；h2為氣閥在緩沖彈簧作用下的升程，其運(yùn)行終了時(shí)速度為V2。假設(shè)閥片質(zhì)量為m1，緩沖片總質(zhì)量為m2，根據(jù)動(dòng)量守恒定律得：

圖8 CP氣閥升程與閥片沖擊速度示意

m1×V1= (m1+m2)×V2

(1)

由式(1)可知，在運(yùn)行允許的條件下，通過(guò)增加緩沖片，氣閥閥片在運(yùn)行終了時(shí)的速度可得到一定程度的降低。此種方法可以有效減小氣閥的疲勞沖擊載荷。

3.2 氣閥優(yōu)化結(jié)果

氣閥優(yōu)化后參數(shù)如表5所示。

表5 優(yōu)化后壓縮機(jī)氣閥參數(shù)

由表4和表5觀察可知：

1) 氣閥的材質(zhì)由原來(lái)的PC更改為HP。HP為非金屬?gòu)?fù)合材質(zhì)，相較PC材質(zhì)，其允許的撞擊速度更高、使用壽命更長(zhǎng)，允許撞擊速度由原來(lái)的4 m/s提高至8 m/s。

2) 在氣閥流通面積基本不變的前提下(略有增加)，優(yōu)化后的氣閥升程相較于原氣閥下降了25.0%～33.3%，其撞擊系數(shù)同步降低了24.0%～32.6%。

3) 同時(shí)由于增加了彈簧的線圈直徑(由6.25 mm增加至8.25 mm)，其彈簧載荷系數(shù)增加了32%，氣閥抗交變載荷能力大幅度上升。

4) 由于優(yōu)化的氣閥對(duì)氣體流道進(jìn)行了改進(jìn)，其閥損進(jìn)一步降低，相較原氣閥，優(yōu)化的氣閥閥損理論上可節(jié)省4.87 kW。

4 氣閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果

優(yōu)化后壓縮機(jī)氣閥運(yùn)行過(guò)程中出口壓力與瓦魯溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

由表6可知，經(jīng)過(guò)優(yōu)化氣閥改造后的壓縮機(jī)，運(yùn)行過(guò)程中，其二級(jí)出口排氣壓力始終在1.7 MPa以上，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用條件。

表6 壓縮機(jī)氣閥優(yōu)化后運(yùn)行過(guò)程中出口壓力與瓦魯溫度數(shù)據(jù)

氣閥經(jīng)優(yōu)化后，運(yùn)行出口壓力與瓦魯溫度趨勢(shì)如圖9所示。

從圖9中可以看出：氣閥優(yōu)化后，其一級(jí)出口瓦魯溫度在100 ℃左右波動(dòng)，二級(jí)出口瓦魯溫度在90 ℃左右波動(dòng)，一級(jí)出口壓力基本穩(wěn)定在0.53 MPa，二級(jí)出口溫度基本穩(wěn)定在1.73 MPa，說(shuō)明氣閥經(jīng)優(yōu)化后，現(xiàn)場(chǎng)壓縮機(jī)運(yùn)行狀況相較之前有了明顯好轉(zhuǎn)。目前該壓縮機(jī)已穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)15個(gè)月。

圖9 壓縮機(jī)氣閥優(yōu)化后運(yùn)行出口壓力與瓦魯溫度趨勢(shì)

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中氣閥頻繁疲勞斷裂的問(wèn)題，分析發(fā)現(xiàn)，良好的氣閥運(yùn)行環(huán)境以及合適的氣閥結(jié)構(gòu)對(duì)壓縮機(jī)安全、長(zhǎng)久運(yùn)行能起到至關(guān)重要的作用。對(duì)氣閥結(jié)構(gòu)及閥片材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化后，上述問(wèn)題得到明顯改善，體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1) 從裝置運(yùn)行平穩(wěn)率來(lái)看，該壓縮機(jī)氣閥在正常安裝的前提下，優(yōu)化后已使用超過(guò)12個(gè)月，極大地延長(zhǎng)了裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間。

2) 從節(jié)能效果上來(lái)看，可以有效減少經(jīng)濟(jì)成本的額外投入以及壓縮機(jī)停工次數(shù)，降低能耗，增加裝置收益。

3) 從環(huán)保層面來(lái)看，杜絕了壓縮機(jī)停機(jī)后火炬的頻繁排放，真正實(shí)現(xiàn)了企業(yè)減負(fù)與節(jié)能減排的雙贏局面。

4) 從氣閥選型來(lái)說(shuō)，根據(jù)運(yùn)行參數(shù)及工況選擇合適的氣閥類型，可以有效保證往復(fù)壓縮機(jī)的長(zhǎng)周期運(yùn)行。