氫氣壓縮機(jī)氣閥斷裂分析及試車方案改進(jìn)

李洪深，劉 鵬，李十中

(1.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084；2.中國(guó)天辰工程有限公司，天津 300400)

1 引言

氫氣是極具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉春椭匾幕ぴ稀ｋS著我國(guó)加緊布局氫能產(chǎn)業(yè)，高壓加氫站的建設(shè)逐漸成為制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[1]。作為原料，氫氣在合成氨、煤化工、重整制氫等生產(chǎn)流程中，也需要在較高的壓力下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)[2]。在所有壓縮機(jī)類型中，往復(fù)壓縮機(jī)能提供最高的壓縮比，是氫氣儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行狀況的好壞往往決定整個(gè)工程項(xiàng)目的成敗。

氣閥是往復(fù)壓縮機(jī)的核心部件，安裝在氣缸上，控制著壓縮機(jī)的吸氣、排氣過(guò)程。由氣閥原因?qū)е碌膲嚎s機(jī)故障約占故障總數(shù)的36%，且更換氣閥成本較高，因此氣閥的可靠性成為壓縮機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的關(guān)鍵[3]。

目前，對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)行中的故障模擬、診斷和報(bào)警系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外已有較多研究[4，5]，但壓縮機(jī)在單機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中缺少系統(tǒng)保護(hù)，且所用試驗(yàn)氣體與工作氣體存在較大差距，易發(fā)生故障，卻缺少相應(yīng)的解決方案。針對(duì)這一問(wèn)題，本研究嘗試對(duì)某氫氣化工項(xiàng)目試車過(guò)程中發(fā)生故障的氫氣壓縮機(jī)氣閥進(jìn)行失效分析，并提出相應(yīng)的試車方案的改進(jìn)措施。

2 壓縮機(jī)氣閥失效故障

2.1 負(fù)荷試運(yùn)轉(zhuǎn)工況

某化工項(xiàng)目中使用的氫氣壓縮機(jī)為4列4級(jí)往復(fù)壓縮機(jī)，進(jìn)口壓力0.11 MPa(A)，壓縮比16。在使用空氣進(jìn)行單機(jī)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程中，該壓縮機(jī)3級(jí)氣缸的4個(gè)排氣閥從中間整體斷裂。

空氣試車前，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件制定的壓縮機(jī)負(fù)荷試運(yùn)轉(zhuǎn)程序如下：

(1)壓縮機(jī)吹洗運(yùn)轉(zhuǎn)合格后，接好各部管路并關(guān)閉排氣口與系統(tǒng)連接的截止閥。

(2)打開各輔機(jī)上的排液閥。

(3)打開總供水閥門并檢查各支管的水流是否正常。

(4)啟動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)稀油裝置的輔助油泵，調(diào)整壓力到規(guī)定要求。

(5)打開旁通閥，使壓縮機(jī)各級(jí)成無(wú)載狀況，并盤車兩轉(zhuǎn)，觀察壓縮機(jī)無(wú)異響時(shí)，即可脫開盤車裝置，啟動(dòng)壓縮機(jī)。

(6)關(guān)閉輔機(jī)排液閥，各級(jí)旁通閥，逐漸調(diào)節(jié)壓縮機(jī)排氣閥門，使壓縮機(jī)緩慢升壓至末級(jí)出口壓力達(dá)到0.5 MPaG，負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不少于4小時(shí)。

負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)中檢查項(xiàng)目有：四級(jí)排氣溫度小于150 ℃，機(jī)身主軸承溫度小于65 ℃，活塞桿摩擦表面溫度不超過(guò)100 ℃，檢查漏氣點(diǎn)作必要標(biāo)記，檢查各儀表、閥門、電機(jī)等工作是否正常等。

發(fā)生故障前，壓縮機(jī)先后已經(jīng)歷3次不同負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，加載過(guò)程中發(fā)現(xiàn)三級(jí)排氣閥有漏氣現(xiàn)象，三級(jí)氣缸有異響，機(jī)身振動(dòng)大，因此未繼續(xù)增加四級(jí)氣缸的負(fù)荷，即未加壓到規(guī)定的排氣壓力。試驗(yàn)后，拆卸檢查氣閥的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)三級(jí)排氣閥閥座及升程限制器出現(xiàn)斷裂。

2.2 氣閥斷裂現(xiàn)象

在壓縮機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)后，對(duì)損壞的三級(jí)排氣閥的損壞情況做出記錄。斷裂位置如圖1所示，氣閥閥座中間螺栓與閥座之間在加強(qiáng)筋處拉斷，升程限制器中心處發(fā)生斷裂。位于閥座與升程限制器之間的閥片隨升程限制器一同斷裂，閥片碎片和彈簧散落。

圖1 發(fā)生損壞的氣閥

根據(jù)以往項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，氣閥閥片、彈簧、墊片等部件為易損件，為避免試車時(shí)損壞，采購(gòu)有隨機(jī)備件。而發(fā)生損壞的閥座和升程限制器等元件通常表現(xiàn)為中長(zhǎng)期故障，只作為2年備件采購(gòu)。因在現(xiàn)場(chǎng)找不到可代用的氣閥組件，而重新采購(gòu)供貨周期長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月，使全廠試車無(wú)法順利進(jìn)行，最終導(dǎo)致該項(xiàng)目的交付工期受到嚴(yán)重影響。

3 氣閥斷裂失效分析

3.1 氣閥結(jié)構(gòu)和工作特性

在往復(fù)壓縮機(jī)中，應(yīng)用最廣泛的氣閥型式為網(wǎng)狀閥。網(wǎng)狀閥由閥座、閥片、彈簧、中間螺栓和升程限制器等部分組成，它依靠閥片的開啟與關(guān)閉使氣缸與外界接通與切斷，閥片的開啟與關(guān)閉由氣缸內(nèi)、外氣體壓力差與彈簧力控制，無(wú)需其他驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

壓縮機(jī)氣閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，網(wǎng)狀閥閥座具有能被閥片覆蓋的氣體通道，與閥片一起控制壓縮機(jī)的進(jìn)氣或排氣，并承受氣缸內(nèi)外壓力差。升程限制器限制閥片的升程，有著與閥座相似的氣流通道，作為氣閥彈簧的支承座，其上開有彈簧孔。閥座各環(huán)形通道間由徑向加強(qiáng)筋連接。為防止相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，閥座和升程限制器之間采用中間螺栓聯(lián)接，中間螺栓把升程限制器與閥座壓緊在壓縮機(jī)氣缸的閥孔上。

圖2 氣閥結(jié)構(gòu)示意圖

故障壓縮機(jī)排氣閥的閥座、閥片和升程限制器都采用環(huán)形通道，升程限制器通道與閥座通道錯(cuò)開。當(dāng)氣缸與閥腔之間的氣體壓力差，足以克服彈簧力及閥片的質(zhì)量力時(shí)，閥片開啟。氣體先流入閥座，經(jīng)過(guò)環(huán)形通道進(jìn)入氣缸。氣閥剛開啟時(shí)，氣流推力大于彈簧力，閥片被推向升程限制器；當(dāng)活塞接近止點(diǎn)時(shí)，速度降低，進(jìn)氣速度和氣流推力也相應(yīng)減小，導(dǎo)致氣流推力不足以克服彈簧力，閥片又推向閥座，并與閥座貼緊，如此循環(huán)往復(fù)。

3.2 強(qiáng)度校核

根據(jù)故障壓縮機(jī)氣閥實(shí)際發(fā)生斷裂的部位，對(duì)圖3中2-2截面進(jìn)行強(qiáng)度校核。這時(shí)閥座可以簡(jiǎn)化為由多段兩端固定的梁承受全部氣體力[9]，如圖4所示。

圖3 閥座的危險(xiǎn)截面

圖4 2-2危險(xiǎn)截面應(yīng)力分析

首先校核正常負(fù)載情況下的彎曲應(yīng)力。閥座具體尺寸已經(jīng)在圖中標(biāo)注，壓縮機(jī)三級(jí)氣缸在工作狀態(tài)下的內(nèi)外壓差△p=0.32 MPa，作用于最內(nèi)圈通道的平均直徑d1圓周上的氣體力

(1)

作用于平均直徑d2～d5的圓環(huán)上的氣體力

F2～F5分別為

(2)

其中n為每一圓周上的加強(qiáng)筋數(shù)量，n1～n3=4，n4，n5=8。

兩端固定的受對(duì)稱載荷的梁在 2-2截面處的最大彎矩為

(3)

將加強(qiáng)筋的截面簡(jiǎn)化為矩形，其抗彎截面系數(shù)

(4)

其中b和h分別為加強(qiáng)筋最窄處的寬度和高度。代入氣閥圖紙中的結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，可計(jì)算出2-2截面在工作氣體內(nèi)外壓差作用下，最大彎曲應(yīng)力

(5)

閥座是在動(dòng)載荷條件下工作的，承受和壓縮機(jī)曲軸同頻率變化的氣缸內(nèi)外壓差和氣閥開啟關(guān)閉過(guò)程中的閥片撞擊力。故障壓縮機(jī)氣閥閥座材料為3Cr13，其許用應(yīng)力為[σ]=180 MPa，僅在氣體壓力作用下，閥座加強(qiáng)筋的強(qiáng)度足夠，而發(fā)生故障的部位又與校核截面位置吻合。這說(shuō)明在沒(méi)有超壓試車的情況下，閥座的損壞很可能是由閥片過(guò)大的撞擊力造成的。

3.3 閥片沖擊載荷

升程限制器的氣流通道與閥座氣流通道的結(jié)構(gòu)相同，徑向加強(qiáng)筋布置也與閥座相同。因此其受力情況與閥座類似，承受氣閥全開時(shí)氣流的反作用力，其不同點(diǎn)在于，閥座靠氣缸缸體支撐，而升程限制器靠固定于中間螺栓上的螺母支撐。排氣閥升程限制器的加強(qiáng)筋內(nèi)設(shè)置了彈簧孔和彈簧，閥片對(duì)升程限制器的沖擊受到彈簧力的約束。因此，可以判斷造成壓縮機(jī)排氣閥損壞的閥片沖擊載荷必然先撞擊閥座，導(dǎo)致危險(xiǎn)截面處拉斷，再通過(guò)彈簧力傳導(dǎo)至升程限制器，由于中間螺母的擠壓，導(dǎo)致升程限制器中心處斷裂，隨彈簧和閥片從排氣閥脫落。

閥片在氣流的作用下沖擊閥座的過(guò)程伴隨著復(fù)雜的發(fā)熱、塑性變形和能量耗散，較為復(fù)雜，本研究在對(duì)閥片結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，選擇使用能量法計(jì)算沖擊應(yīng)力[6]。

閥片的總應(yīng)變能U可表示為

(6)

式中A——為閥片的橫截面積

l——閥片的厚度為常量

假定閥片各部分的變形是同步的，即應(yīng)力分布是均勻的，即沖擊應(yīng)力σs=P/A，則應(yīng)變能可簡(jiǎn)化為

(7)

(8)

式中ρ——閥片材料的密度

可以判斷閥片的沖擊載荷與閥片的運(yùn)動(dòng)速度、密度和彈性模量正相關(guān)。此外，閥片對(duì)閥座的撞擊并非完全垂直，因氣流不穩(wěn)定和閥片質(zhì)量不均勻，閥片會(huì)發(fā)生一定傾側(cè)，當(dāng)閥片側(cè)傾運(yùn)動(dòng)幅度超過(guò)設(shè)計(jì)值后，撞擊應(yīng)力隨側(cè)傾運(yùn)動(dòng)幅度增大而迅速增加[7]。

故障壓縮機(jī)閥片為非金屬PEEK材料，密度和彈性模量符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[8]，但由于在試車過(guò)程中采用的介質(zhì)為空氣，其密度是工作介質(zhì)氫氣密度的14.5倍，在相同的排氣速度下，本身就增加了閥片對(duì)閥座的沖擊力。更重要的是，由于試車時(shí)拆除了進(jìn)口過(guò)濾器，前幾次試車時(shí)的累積進(jìn)氣，導(dǎo)致空氣中的灰塵、水分和氣缸中高粘度潤(rùn)滑油不斷在閥片上的沉積，閥片的密度不斷增加；這些雜質(zhì)堆積在閥片的不同部位，使原本質(zhì)量分布均勻?qū)ΨQ的閥片產(chǎn)生較大的質(zhì)量不平衡力，這將極大的增加閥片的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)幅度，從而使沖擊應(yīng)力進(jìn)一步擴(kuò)大。

其次，試車前未對(duì)氣量調(diào)節(jié)閥儀表氣壓力和氣缸端蓋螺栓預(yù)緊力進(jìn)行檢查，致使排氣閥升程過(guò)大，而加速閥片的運(yùn)動(dòng)。再次，故障壓縮機(jī)出口氣量有多種工況組合，試車時(shí)頻繁變化的排氣負(fù)荷增加了擾動(dòng)載荷，空氣擾動(dòng)同樣增加了閥片的側(cè)傾效應(yīng)。在各因素的疊加作用下，最終導(dǎo)致沖擊載荷超出閥座危險(xiǎn)截面處的斷裂強(qiáng)度，閥座從中間螺栓處拉斷，進(jìn)而損壞升程限制器，引起壓縮機(jī)氣閥的整體失效。

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析結(jié)果，可以看出排氣閥在試車過(guò)程中的損壞，主要是由以下原因造成的：

(1)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，未預(yù)留試車空氣進(jìn)氣口，試車時(shí)只能將進(jìn)口過(guò)濾器拆掉，空氣中的灰塵、水分在閥片上堆積，增加了閥片密度。

(2)雜質(zhì)在閥片上的不均勻堆積，增加了閥片的側(cè)傾角度，進(jìn)而增大閥片的沖擊應(yīng)力。

(3)氣閥升程在試車前未校核，造成動(dòng)載荷對(duì)閥座沖擊速度過(guò)大。

(4)試車過(guò)程中頻繁變化排氣負(fù)荷，啟動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，氣閥墊片損壞導(dǎo)致氣體泄漏等原因增加了擾動(dòng)載荷，進(jìn)一步擴(kuò)大了閥片的側(cè)傾效應(yīng)。

(5)氣缸中高粘度潤(rùn)滑油施加過(guò)量，潤(rùn)滑油間接隨空氣附著在閥片，使更多空氣中帶入的灰塵，在閥片上的粘結(jié)。

因此，對(duì)往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)的單機(jī)負(fù)荷試車程序提出以下改進(jìn)措施，供今后類似工程項(xiàng)目參考：

(1)壓縮機(jī)進(jìn)口管道過(guò)濾器前增加空氣試車接口，防止試車空氣中的灰塵、水分進(jìn)入氣缸。在有條件的情況下，使用氮?dú)獯婵諝膺M(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)更為穩(wěn)妥。

(2)試車前必須仔細(xì)檢查端蓋螺栓預(yù)緊力，檢查調(diào)節(jié)閥儀表壓力，校核升程。

(3)調(diào)節(jié)流量時(shí)避免頻繁的變化排氣負(fù)荷，至少在同一負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)30 min。

(4)潤(rùn)滑油站不得超壓，對(duì)可能的漏油點(diǎn)應(yīng)及時(shí)檢查。

(5)當(dāng)試車時(shí)發(fā)生漏氣現(xiàn)象時(shí)，必須及時(shí)停機(jī)檢查，由于墊片原因?qū)е滦孤r(shí)，及時(shí)更換墊片。