3Z4－1.67/150型氧氣壓縮機(jī)閥門故障分析

廖 武

( 廣西柳州鋼鐵( 集團(tuán)) 公司氣體公司，廣西 柳州 545002)

0 引言

氧氣壓縮機(jī)是工業(yè)氧氣生產(chǎn)的終端設(shè)備，其作用是將已經(jīng)生產(chǎn)出的氧氣按照用戶的需求壓縮、冷卻后，送入充填臺(tái)充瓶成品。因而它直接影響了產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量。在社會(huì)高速發(fā)展今天，眾多的企業(yè)，特別是鋼鐵企業(yè)對(duì)氧氣的需求量越來(lái)越大，對(duì)氧氣的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。只有使設(shè)備長(zhǎng)期處于正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、減少故障時(shí)間和維修費(fèi)用，才能使企業(yè)在當(dāng)今社會(huì)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中占得優(yōu)勢(shì)。

1 改造前后的3Z4－1.67/150 型氧氣壓縮機(jī)

柳鋼氣體公司有多種氧氣壓縮機(jī):離心式、活塞式、葉片泵式、膜壓式以及活塞式，其中又以活塞式居多。

1.1 3Z4－1.67/150 型氧氣壓縮機(jī)的工作原理

氧氣從空分裝置生產(chǎn)出來(lái)后，由儲(chǔ)氣罐通過(guò)管道進(jìn)入壓縮機(jī)逐級(jí)壓縮，在冷卻器中冷卻，最后通過(guò)油水分離器將壓縮氧氣中的水分(或水甘油)析出，各級(jí)冷卻器浸于中間座冷卻水箱內(nèi)，蛇行管式盤管繞于氣缸周圍。

氣缸活塞環(huán)潤(rùn)滑采用水甘油溶液(為6%～8%化學(xué)純甘油與92%～94%蒸餾水混合液)或蒸餾水，滴水器裝于一級(jí)氣缸頭上，一級(jí)氣缸吸氣時(shí)，蒸餾水隨著氧氣順序進(jìn)入各級(jí)氣缸，最后由油水分離器析出。

氧氣壓縮機(jī)的油水分離器是采用物理分離法，因此對(duì)氧氣中的水分離并不能達(dá)到非常理想的效果，還使氧氣瓶易氧化損壞。

若氧氣壓縮機(jī)在無(wú)水潤(rùn)滑狀態(tài)下工作，則氣流流量提高，易提高產(chǎn)量、產(chǎn)品純度，使用效果好。

因而，在幾年前，柳鋼氣體公司在資金、場(chǎng)地等多方面條件有限的困難條件下對(duì)3 臺(tái)小型氧氣壓縮機(jī)進(jìn)行了改造，由有水潤(rùn)滑改造為無(wú)水潤(rùn)滑。

1.2 改造前后的氧氣壓縮機(jī)

通過(guò)資料收集，對(duì)改造前后氧氣壓縮機(jī)更換的零件參數(shù)統(tǒng)計(jì)列出如(表1)。

表1 改造前后氧氣壓縮機(jī)更換的零件參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

改造前 改造后一級(jí)最大工作壓力0.6MPa 3.6MPa二級(jí)最大工作壓力3.6MPa 7MPa三級(jí)最大工作壓力15MPa 15MPa

1.3 改造后的氧氣壓縮機(jī)

改造后的氧氣壓縮機(jī)在產(chǎn)品質(zhì)量方面有所提高，但對(duì)氧氣壓縮機(jī)本身來(lái)說(shuō)，其故障率也不斷增長(zhǎng)。近一年時(shí)間，該型號(hào)氧氣壓縮機(jī)的維修的次數(shù)已有多次，設(shè)備陳舊是原因之一，我們也可以從故障的多發(fā)處尋找其它主要因素。在6 臺(tái)氧氣壓縮機(jī)維修記錄中出現(xiàn)故障最多的就是二級(jí)壓力超高。查閱資料可根據(jù)溫度、壓力的變化對(duì)氣閥的故障做出判斷，并且還可以進(jìn)一步判明是吸氣閥還是排氣閥的故障。規(guī)律如(表2)得知，壓力超高原因多由閥門引起。

表2 氧氣壓縮機(jī)的故障分析

2 氧氣壓縮機(jī)的閥門

活塞式氧氣壓縮機(jī)壓縮氣體是通過(guò)吸氣閥門和排氣閥門實(shí)現(xiàn)的，閥門的運(yùn)動(dòng)部件有閥片和彈簧。因此，閥門卡住和斷裂、出現(xiàn)凹槽等常見(jiàn)問(wèn)題也是由于閥片和彈簧造成的。

2.1 氧氣壓縮機(jī)閥門的頻繁運(yùn)動(dòng)

運(yùn)轉(zhuǎn)中，發(fā)生閥門卡住的現(xiàn)象較少見(jiàn)，而閥門彈簧和閥片斷裂的故障則是經(jīng)常發(fā)生的。斷裂的原因主要是外載負(fù)荷引起的斷裂、磨損和腐蝕。閥片在工作中主要承受著重復(fù)的撞擊載荷。撞擊能量雖然并不大，但由于重復(fù)次數(shù)很多，氧氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速為190 轉(zhuǎn)/分鐘，則閥片按每天設(shè)備運(yùn)行8 小時(shí)計(jì)算也有91200 次撞擊，這種多次撞擊會(huì)引起閥片的疲勞破壞，發(fā)生徑向斷裂。彈簧在閥門全閉時(shí)承受安裝預(yù)壓縮力，在閥門全開(kāi)階段，承受最大壓縮力。在氧氣壓縮機(jī)連續(xù)工作時(shí)，彈簧承受著脈動(dòng)循環(huán)載荷，這種脈動(dòng)循環(huán)載荷也會(huì)引起彈簧的疲勞破環(huán)，發(fā)生斷裂。

閥片和彈簧在不停運(yùn)動(dòng)中不免要發(fā)生磨損，磨損后強(qiáng)度下降，使之更容易斷裂。

被壓縮氣體對(duì)于閥片和彈簧的腐蝕作用，使閥片和表面出現(xiàn)麻點(diǎn)、凹槽等，引起應(yīng)力集中，在循環(huán)載荷作用下，使之容易斷裂。

2.2 閥門中的彈簧

閥門中選用的彈簧要求非常嚴(yán)格，它對(duì)閥片的彈力或高度都要一致，否則容易造成閥片的斷裂。

彈簧是閥門中一個(gè)極其重要的部件。氣閥在全閉狀態(tài)下，彈簧將閥片頂在閥座上，起一部分密封力作用;當(dāng)閥片開(kāi)啟時(shí)，彈簧的彈力隨著閥片的升起而逐漸增大，從而限制了閥片的移動(dòng)速度，減少了閥片對(duì)升高限制器的沖擊;當(dāng)閥片關(guān)閉時(shí)，彈簧力克服缸體內(nèi)外氣體壓力差，將閥片及時(shí)關(guān)閉到閥座上。

如果彈簧過(guò)硬，則彈簧力過(guò)大，那么閥片在全閉狀態(tài)下，彈簧對(duì)閥片的頂力也就相當(dāng)大。這樣，閥片開(kāi)啟壓力就要增加，從而造成氣閥延遲開(kāi)啟和開(kāi)啟不全的現(xiàn)象;而在關(guān)閉時(shí)，閥片則有可能提前關(guān)閉。氣閥延時(shí)開(kāi)啟和提前關(guān)閉及時(shí)開(kāi)啟不全都會(huì)造成氣閥助力增加和輸氣量減小。

相反，如果彈簧過(guò)軟，則彈簧力過(guò)小，那么閥片開(kāi)啟壓力就相應(yīng)減小，從而會(huì)造成提前開(kāi)啟和延遲關(guān)閉的現(xiàn)象。無(wú)論對(duì)于吸氣閥還是排氣閥，氣閥的延遲關(guān)閉都會(huì)使氣體倒流。這一方面要增加損失，另外一方面則會(huì)減少輸氣量，從而影響到氧氣壓縮機(jī)的生產(chǎn)能力和效率。

另外，彈簧過(guò)軟，則對(duì)閥片在開(kāi)啟過(guò)程中的緩沖作用減弱，加上延遲關(guān)閉造成的氣體倒流，這種倒灌氣流將使閥片以很大速度撞擊閥座，從而對(duì)閥片的耐用性極為不利。

綜上所述，閥片與彈簧的損環(huán)是造成閥門失效的主要原因。在閥門故障的修理中，有95%以上都是有這類原因造成的，不是密封線出現(xiàn)凹槽，就是彈簧的過(guò)軟和四周高度不一致。

3 改進(jìn)措施

現(xiàn)在我們十分有必要對(duì)閥門的閥片和彈簧進(jìn)行分析。

3.1 閥門主要部件的

材料對(duì)于彈簧的過(guò)硬主要是由彈簧的材料所致。而過(guò)軟則由閥門長(zhǎng)期使用所致，但也與材料有一定的關(guān)系，查閱資料可知如(表3)。

表3 材料對(duì)彈簧及閥門的關(guān)系

從閥門備件實(shí)物確認(rèn)各部件材料均無(wú)誤，因而排除材料因素。在2.1 內(nèi)容中已說(shuō)明了造成彈簧過(guò)軟的原因是受到了長(zhǎng)期、頻繁的脈沖循環(huán)載荷，而在將氧氣壓縮機(jī)有有水潤(rùn)滑改為無(wú)水潤(rùn)滑后，氧氣內(nèi)已不含水分而使氣缸內(nèi)溫度上升，這是加速?gòu)椈善谄骗h(huán)的一個(gè)重要因素。

3.2 新、舊閥門的對(duì)比

以問(wèn)題出現(xiàn)較多的三級(jí)進(jìn)氣閥門為例進(jìn)一步分析。對(duì)新、舊(已壞)三級(jí)進(jìn)氣閥門各一進(jìn)行比較如(表4)。

表4 新、舊閥門的對(duì)比

另外，新舊兩閥門有如下共同點(diǎn):

(1)彈簧放入限制器槽內(nèi)的活動(dòng)余量2a 約為3mm(如圖1)。

圖1

(2)彈簧中圈直徑比上、下圈直徑稍大(如圖2)。

圖2

3.3 損壞原因分析及簡(jiǎn)單處理方法

在閥門運(yùn)行過(guò)程中，閥片頻繁的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，彈簧也會(huì)離開(kāi)軸心位置而向一側(cè)偏移(如圖3)。這樣在閥片往下運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧中圈會(huì)被限制器邊緣(圖中A 處)擋住以使閥片右側(cè)不能順利下行，而左側(cè)則無(wú)此現(xiàn)象，因此產(chǎn)生了左低右高的不正常狀態(tài)。

圖3

閥片長(zhǎng)期在這種狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)則會(huì)在B 處與限制器的限位段發(fā)生劇烈摩擦，使得限位段四周產(chǎn)生不一致的磨損程度，也自然會(huì)有彈簧四周高度高度不一致的現(xiàn)象。而閥片右側(cè)的提前關(guān)閉會(huì)使其與閥座密封線產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊而產(chǎn)生凹槽缺陷。

簡(jiǎn)單處理辦法，將彈簧底圈直徑擴(kuò)大到與中圈一致，使底圈與限制器邊緣的活動(dòng)余量變小，而中圈也不會(huì)被邊緣卡住，這樣就可以大大降低新閥門使用不到1 小時(shí)就出現(xiàn)氧氣壓縮機(jī)壓力超高故障的次數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文是筆者對(duì)幾臺(tái)老設(shè)備常見(jiàn)故障的簡(jiǎn)單分析，雖然只是小部件卻引起了整臺(tái)設(shè)備的故障停機(jī)。在社會(huì)高速發(fā)展今天，眾多的企業(yè)，特別是鋼鐵企業(yè)對(duì)氧氣的需求量越來(lái)越大，對(duì)氧氣的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。只有使設(shè)備長(zhǎng)期處于正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、減少故障時(shí)間和維修費(fèi)用，才能使制氧企業(yè)在當(dāng)今社會(huì)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中占得優(yōu)勢(shì)。

〔1〕《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》.化學(xué)工業(yè)出版社

〔2〕《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》.機(jī)械工業(yè)出版社

〔3〕《制氧工問(wèn)答》.冶金工業(yè)出版社