往復式壓縮機氣閥故障及改進措施

【摘 要】 本文介紹了南京煉油廠白油加氫裝置循環氫壓縮機氣閥的工作原理、常見的故障現象和特征及其原因。同時通過分析故障機理并通過設備特點采取操作調整、定期檢修、合理維護等方式減少故障率、延長氣閥壽命。

【關鍵詞】 壓縮機氣閥 工作原理 故障 改進措施

往復式壓縮機作為一種提供壓縮氣體動力的設備，因其工況壓力范圍廣、效率高、適應性強，是石化裝置氣體增壓的主要設備。

南京煉油廠15萬噸/年白油加氫裝置是2015年建成投產，裝置的循環氫壓縮機采用沈陽鼓風機廠生產的2D10-3.22/171-188-BX對稱平衡式往復機，設計入口壓力17.1MPa、出口壓力18.8MPa、入口溫度50℃、出口溫度60℃，配套電機轉速494r/min、電機功率250kW。

根據白油加氫裝置在日常使用和維護檢修過程中出現的故障和問題來總結和分析，發現其發生的故障超過50%的原因都是氣閥故障。

1 氣閥的結構和工作原理

1.1氣閥的結構

往復式壓縮機常用的氣閥結構有菌狀閥、條狀閥、環狀閥、網狀閥、碟狀閥，本裝置的循環氫壓縮機采用的氣閥為網狀閥（如圖1）。該壓縮機氣閥主要由四部分組成：

1）閥座，具有氣體通道，與閥片一起閉鎖進氣（或排氣）通道，并承受氣缸內外壓力差；

2）閥片，交替地開啟與關閉閥座通道；

3）閥簧，關閉時推動閥片落向閥座，并在開啟時抑制閥片撞擊升程限制器；

4）升程限制器，限制閥片的升程，常作為承座彈簧的零件。

1.2氣閥的工作原理

往復式壓縮機通過活塞的往復運動完成氣體在氣缸內的吸氣、壓縮、排氣的過程[1]。壓縮機的吸氣閥和排氣閥分別控制氣體的吸入與排出，氣閥開啟的最大位置受升程限制器的限制[2]。白油加氫裝置的吸氣閥安裝在氣缸上部、排氣閥安裝在氣缸下部（如圖2）。

在此過程中氣閥的運動部件處于高頻的往復伸縮運動狀態，因此大多數損傷發生在連接部位及易損部件上，都是由于部件長期磨損或疲勞導致的。氣閥故障引發的壓縮機參數變化大致包括：

1）熱力學參數變化，吸排氣壓力、排氣量、各部位溫度變化，油路和水路參數異常；

2）設備的動力性能變化，氣閥故障會引起機組的異常振動、異響，引起的管道共振等。

氣閥故障的征兆，既可以從儀表測量數據發現、也可以從設備異常振動、異響中判斷。

2氣閥故障的原因及表現特征

往復式壓縮機氣閥故障會影響壓縮機的排氣量、降低效率、浪費能源。甚至閥片碎塊落入氣缸，會導致汽缸拉毛、活塞/活塞環損壞等嚴重問題。及時地發現氣閥故障、診斷故障原因，采取有效合理的防治措施，能提高運行可靠性、較少損失。氣閥故障主要表現在以下幾方面：

2.1閥片的損傷

閥片在氣閥工作過程中做494次/min的高頻往復運動，不斷地承受著撞擊載荷和交變載荷，易使閥片疲勞損傷；另外閥片在工作過程中經常和工作面、彈簧發生摩擦磨損，使得閥片強度減弱，當磨損量過大時就會影響氣閥密封效果，影響氣閥使用壽命。

2.2閥簧形變

閥簧變形應從以下兩方面考慮：

第一，閥簧從全閉到全啟的工作循環，其載荷由預壓縮力變化到最大壓縮力，承受脈動循環載荷，引起閥簧疲勞，無法達到正常工作的預緊力，出現氣閥過早開啟、閥片震顫等現象，氣閥不能正常工作，如彈簧縮短、錯位[3]；另外，閥簧變形時與孔壁發生摩擦磨損，使彈簧形變更易增大甚至斷裂。

第二，壓縮機吸氣閥設置了卸荷器，若停機情況下，吸氣閥長期處于頂開狀態，吸氣閥閥簧一直壓縮，閥簧易疲勞；或機組長期處于50%負荷（吸氣閥1只正常工作、1只被頂開），不做功的氣閥長期處于最大被壓縮狀態，閥簧快速發生塑性形變、疲勞損壞。

2.3卡塞異物

氣閥閥片在運動過程中，管道內的雜物碎屑和活塞在運動時產生的金屬碎末進入氣閥后，會引起閥座密封面損傷或者鑲嵌在PEEK閥片表面引起氣閥不能正常關閉，氣閥會發生泄漏、振動。

2.4氣流帶液

當壓縮機氣缸內的氣體帶液時，產生的液滴會在氣流帶動下會不停地對氣閥造成沖擊、腐蝕損傷閥片，造成氣閥泄漏；同時對壓縮機氣缸、氣體通道造成沖擊，氣閥會整體發生振動，長時間振動會導致氣閥定位銷磨損，使氣閥在安裝位置會隨氣流攢動，無法正常工作。

3 往復式壓縮機常見故障分析與改進措施

3.1氣閥故障的原因分析

1）閥片的疲勞損傷和彈簧變形，主要和氣閥部件本身的材質、氣閥的工作方式有關聯，在長時間的往復運動情況下，閥片、彈簧會疲勞損傷，甚至不能正常工作、無法使用。

壓縮機在正常運行時，閥片主要承受兩種載荷：氣閥閥片兩側氣體壓力差引起的均布載荷；閥片與閥座、升程限制器撞擊時的沖擊載荷。

壓縮機氣閥閥片受氣流的脈動沖擊，使閥片承受脈動的均布載荷。在這種載荷的作用下，閥片易疲勞破壞，產生裂紋；同時氣流高速沖擊閥片表面，產生腐蝕、麻點和凹坑。

壓縮機運轉時，閥片在和閥座、升程限制器接觸部位存在撞擊載荷。由于撞擊時接觸不均勻，未接觸部位會出現彎曲變形。雖然閥片質量小，撞擊能量小，但在494次/min高率撞擊下，很容易出現斷裂破壞，尤其在邊緣和彈簧支撐點等應力集中的地方更容易破壞。損傷的閥片會影響氣閥的密封效果，使氣閥失效。

氣閥閥片在啟閉的同時也與閥簧撞擊。閥簧不斷的被壓縮和釋放，在脈動載荷作用下，彈簧由彈性形變逐漸轉變為塑性形變，長度變小、降度降低。閥簧和升程限制器的導向面之間的間隙也很重要，間隙過大彈簧容易徑向竄動、旋轉和磨損，間隙過小則會使彈簧卡死，不能正常工作[2]。彈簧損壞、會導致閥片受力不均勻從而發生側傾，影響閥片正常工作甚至損壞閥片。

2）氣流帶液。

介質待液包括四種情況：一是進入氣缸的工藝介質中夾帶液體；二是在氣體壓縮過程中析出液體；三是缸體水套或缸面密封不嚴或填料冷卻水泄漏進入氣缸；四是由于汽缸溫度較低造成介質中的輕烴液化。當缸內液滴在氣流的帶動下會高速沖擊、損傷閥片，同時導致氣閥振動，損傷氣閥定位銷，氣閥不能正常工作甚至不能使用。白油加氫裝置循環氫壓縮機氣閥故障關聯的主要是析出液體和輕烴液化造成的氣流帶液。

3.2氣閥的泄漏預防措施

1）選用質量和性能良好的氣閥。氣閥質量是影響氣閥壽命重要因素，材質和加工質量良好的氣閥有較好的均布載荷和脈沖載荷的承受能力，也有較好的耐腐蝕、耐磨能力。閥片、閥簧在材質、加工工藝上的嚴格要求，可提高其抗高溫蠕變、腐蝕損傷的能力，提高氣閥使用壽命[4]。合理的彈簧力、閥片升程、閥簧和導向面間隙，可以使閥片規律運動下，承受較小的的壓力和閥座受到的撞擊力，延緩閥片的疲勞損壞，同時減小閥片發生傾斜造成的閥片損壞。

新換氣閥在使用前應進行外觀檢查、機油滲漏試驗，確認氣閥的密封性能。

2）凈化介質。輸送的介質在進入壓縮機前，要進行充分的除液和除塵，保證介質的各項指標達到要求。壓縮機組外入口管線設置帶有絲網除沫器的緩沖罐，消除介質液沫夾帶、通過觀測DCS中的液位顯示及時進行切液排除沉積的液體和臟污；機組內入口管線設置氣體過濾器，將氣體介質中的固體雜質過濾掉、避免對氣閥造成影響，氣體過濾器設置有差壓顯示表和變送器，可隨時監控過濾器堵塞情況，同時注意在壓縮機組入口閥緩慢開啟，避免高壓氣體快速進入機體過程中破壞氣體過濾器。

3）保證壓縮機操作工況接近設計工況。通過監控DCS遠傳變送器和現場就地儀表顯示的的壓力、溫度、振動數值，避免壓縮比偏離、操作波動、工況大幅波動。

如避免壓縮機的進氣溫度過低、氣缸冷卻水溫度過低，否則循環氫中夾雜的輕烴發生液化、壓縮析出的液量增多，會造成機體振動增大，氣閥不能正常工作，（進氣溫度影響如圖3）；經數值統計發現，進氣溫度低于41.0℃時機組振動增大，低于39.0℃時振動上升趨勢更加明顯；進氣溫度低于46.0℃時、振動明顯減小，但由于循環氫是來自裝置的高壓分離流程，所以進氣溫度不宜過高（氫氣溶解度增加、輕烴組分增加，循環氫純度降低）；綜合考慮，壓縮機正常的進氣溫度控41.0～46.0℃，既保證高壓分離的效果，同時兼顧壓縮機振動的控制。

保證壓縮機滿負荷運行，避免吸氣閥1只正常工作、1只處于被頂開的情況。長期停機的情況下可關閉吸氣閥卸荷器氣源，使得吸氣閥長期處于閉合狀態、氣閥彈簧不受力。

4）保證壓縮機組處于良好的運行狀態。氣閥故障對壓縮機的運行參數有一定的影響。通過定期監測壓縮機機體振動、進排氣溫度、冷卻效果等（如表1），及時發現氣閥存在的問題，及時調整操作條件、排除異常，保證機組正常運行，為氣閥提供良好的運行環境。

5）對于壓縮機的巡檢質量提出要求，可有效的預防故障的發生、保障壓縮機長周期運行。

結 論

通過氣閥質量的要求和壓縮機運行參數的監控，氣閥的故障率降低、氣閥壽命增長，氣閥的連續運行時長由原有的～5000小時增長至～8600小時，新更換氣閥持續運行中。

在和同類設備的比較時發現，在設備安裝、試運、生產運行過程中，嚴格把控設備零部件質量、設備安裝精度，合理的設備結構，規范的設備操作、平穩的設備運行的操作參數，可以有效的提高易損件的使用壽命、減小或減少設備故障發生，保證設備長周期、穩定運行，提高設備的安全可靠性，保證裝置長周期、穩定運轉，企業穩定收益。

【參考文件】

[1] 中國石油和石化工程研究會，《煉油設備工程師手冊（第二版）》，中國石化出版社，2010-1（7）。

[2] 周宜良，活塞式空氣壓縮機氣閥故障分析與改進措施[J]，四川化工，2012，2（15）：41-44。

[3] 郁永章，屈宗長，活塞式壓縮機氣閥螺柱彈簧和閥片撞擊分析[J]，壓縮機技術，1983（4）：15-20。

[4] 蘇德達，閥簧的斷裂與強韌化熱處理[J]，化工通用機械，1981（11）：1-6。

作者簡介：王謙（1987—），男，漢族，陜西省西安市人，設備技術員，過程裝備與控制工程學士，單位：南京煉油廠有限責任公司，研究方向：機械設備。