活塞式壓縮機氣閥故障原因分析及改造方案

胡斌

（中石化安慶分公司設備工程部，安徽安慶246001）

中石化安慶分公司有一臺4M10-34/78.76型活塞式壓縮機，該壓縮機采用有油潤滑、間斷運行。工藝正常時，運行5天，停5天進行化學清洗。該機自2014年11月后，數次出現故障，由于沒有備用機，裝置停車。

1 故障現象

該機發生故障的過程時間比較短，故障現象表現為一、二、三級壓力超正常值，甚至三級安全閥出現起跳，四級排氣溫度超過了允許范圍，甚至超出DCS畫面的量程，壓縮機的排氣量降至不能滿足用量，裝置被迫停車。

對壓縮機故障發生前、后運行參數進行統計，見表1。

表1 兩種工況下各級排氣壓力和排氣溫度

2014年11月～2016年11月，該機數次無規律性發生同類故障，造成頻繁檢修。僅一次故障耗費材料和人工費用即4.635萬元。全年數次故障發生的費用可觀。

2 故障原因分析

根據故障狀態時的各級排氣壓力和活塞式壓縮機的工作原理可以判斷，故障發生在第四級。拆檢發現兩只四級吸氣閥閥片正常，但兩只四級排氣閥片已嚴重蠕變并粘附在閥座上。排氣閥的彈簧、閥座及連接螺栓完好，未發現明顯磨損。排氣閥與缸體的密封墊片完好。活塞環及支承環未發生變形，彈性狀況良好，僅有正常磨損。

2.1 閥片熔化故障分析

該壓縮機氣閥為環狀閥，閥片為聚醚醚酮（PEEK）材質，允許最高連續工作溫度理論上為250℃。但根據該氣閥制造商提供的信息，在實際使用中，溫度超過200℃以后，開始變形。變形的閥片與閥座間出現泄漏。

另外，PEEK材料的蠕變不但與溫度有關系，而且，還與其受到外力的大小有關系，溫度低，外力小，蠕變很小而且很慢，在短時間內不易覺察；溫度升高，外力增大，蠕變發展加快。蠕變與溫度和外力關系見圖1。

圖1 蠕變與溫度和外力的關系

針對這一故障現象可以判斷，運行過程中壓縮機的四級排氣溫度超過了蠕變溫度。根據DCS歷史記錄，壓縮機在發生故障前，四級的排氣溫度為137℃，進氣溫度為34℃,所以，排除進氣溫度高造成排氣溫度高的原因，同時，級壓比也未發生變化，因此，高溫空氣是在壓縮機內部產生的。

綜合閥片的物理性質和壓縮機的運行情況可以分析判斷，氣閥閥片的蠕變與壓縮機內部的高溫空氣及閥片所受的外力都有關系。由于閥片在故障時所受的外力增大，因此，閥片的蠕變受壓縮機內部空氣溫度的升高和外力增大共同作用而導致。壓縮機在運行過程中無外界熱量進入，那么高溫氣體的產生則是排出的未到達換熱器的空氣由于排氣閥的泄漏返回到四級氣缸內并再次壓縮，如此反復，致使空氣溫度越來越高，最終達到了閥片的蠕變溫度。從氣閥的作用看，排氣閥只能使壓縮后的空氣從氣缸排出至出口而不能返回。既然有一定量的空氣能夠返回氣缸，那么，氣閥失去應有的功能，存在空氣泄漏。根據以往的使用經驗統計和判斷，當氣閥閥片正常磨損出現泄漏時（此時泄漏量較小，對運行的影響可忽略），排氣溫度比正常工況時高10℃～20℃（測溫點位于閥蓋處）。那么，這種一定量的空氣從目前可以判斷是大量的空氣，大量的空氣排出后又能夠返回氣缸，說明氣閥的泄漏通道非常大，而這種氣閥的升程是1 mm，那么,氣閥出現故障時,閥片在接觸到升程限制器后沒有返回到閥座,這樣產生了非常大的泄漏通道，也就產生了大量空氣排出后又返回氣缸。

當空氣從氣缸排出進入排氣緩沖器后，由于氣閥泄漏，那么，未來得及進入冷卻器的空氣在四級吸氣時，由于四級排氣側的壓力為7.0 MPa,而四級的吸氣側壓力為2.625 MPa（即使為故障狀態時，壓力也只有3.1 MPa），高于吸氣側的壓力，那么，排氣側的空氣會先于吸氣側的空氣進入氣缸再次壓縮，造成空氣溫度進一步升高。經過反復壓縮后，空氣溫度會達到并超過閥片的蠕變溫度。由于四級排氣閥在氣缸上部，所以，閥片熔化后在外力作用下，下落并粘附在閥座上。

2.2 閥片卡澀故障分析

該氣閥的結構特點是閥片依靠位于氣閥中心的固定凸臺起上下運動的導向作用，閥片在兩側壓差及彈簧力的作用下上下運動，從而實現吸、排氣作用，凸臺與閥片的單邊徑向實測間隙為0.2 mm。由于氣缸是有油潤滑，氣缸內的空氣壓縮結束時的溫度必定要高于排氣溫度145℃，這樣會使空氣中帶有油霧；另外，由于入口過濾器為多層鋼絲網疊加的簡單結構，對灰塵的過濾效果較差。綜合以上兩種情況，壓縮空氣中的油霧與灰塵混合成為具有一定粘性的油和灰塵的混合物，這一點從現場拆檢的情況可以得到印證。經過一段時間的運行后，這種混合物在壓縮機的附屬設備如：各級的吸氣、排氣緩沖罐、換熱器、分離器內部氣體流通性差的部位積聚；同時，第四級氣閥相對其他三級在主要特性參數方面均小。各級氣閥主要特性參數見表2。

表2 各級吸排氣閥主要參數

由表2可見，四級氣閥相對另外三級氣閥在閥隙流通面積及閥片升程方面參數均小，尤其閥片升程小，在氣流的夾帶作用下，混合物被帶入氣閥的閥隙和凸臺與閥片之間的間隙處并積聚，使閥片與凸臺的徑向間隙減小。當這種混合物積聚使間隙變為0時，閥片的升程減小，同時，混合物在閥隙處不規則積聚，使閥片與閥座之間的密封性能下降。在以上兩種情況的共同作用下，會使閥片無法動作，完全失去作用。這也是故障為什么發生在第四級排氣閥的原因。而一旦出現這種情況后，由上述分析得知，氣體的溫度會急劇上升，一旦達到閥片的蠕變溫度，在較短的時間內便使閥片熔化并粘附在閥座處。

3 改造方案

由上述分析得知，閥片卡澀熔化原因是由于空氣中含有灰塵顆粒，同時壓縮機采用有油潤滑。解決這一問題關鍵，一是改進壓縮機的空氣進口過濾器，提高空氣過濾器的精度，減少灰塵進入；二是將壓縮機的有油潤滑改為無油潤滑，改進活塞環、支承環、填料、閥片等，使之具有自潤滑性能；三是清除各級缸體、進出口緩沖罐、分離器及換熱器內部積垢。

3.1 對空氣過濾器的改造

目前使用的空氣過濾消音器結構為一臥式筒體，內部裝填多層鋼絲網，過濾精度低。參考使用過濾器的經驗，決定采用與鼓風機相同的濾芯，外框鋼結構,濾芯為平板形式,濾材為無紡布，過濾精度為0.5μm,過濾面積能夠滿足風量要求。

3.2 壓縮機無油潤滑改造

雖然目前壓縮機上使用的PEEK材質具有一定的自潤滑性能，但是在有油潤滑的狀態下，考慮到材料的磨損與其所受的力成正比的關系，改為無油潤滑后，各級的活塞環、支承環、填料磨損會變得嚴重，尤其是三、四級需要對PEEK材料進行改進，進一步提高其自潤滑的性能；另外，在保證氣閥性能的前提下，適當調整閥片升程及閥隙流通面積，有利于灰塵的通過性及閥座密封面灰塵的自清理功能。改造后各級氣閥主要特性參數見表3。

表3 改造后各級吸排氣閥主要參數

提高自潤滑的性能，主要在PEEK中適當添加青銅粉、石墨、碳、二硫化鉬、玻璃纖維及金屬氧化物等，改變磨損因子。

所謂磨損因子即軸以一定比壓p和一定速度v在軸承旋轉時，在一定時間T內徑向磨損量Δ與壓力、速度之間的比例系數，也即:

式中：K-磨損因子，即單位壓力、單位速度在單位時間內的磨損量，與材料的摩擦系數無直接關系。

圖2 玻璃纖維含量對磨損因子的影響

如圖2，加入玻璃纖維能使磨損因子降低，達到5%后，再增加玻璃纖維只對強度有好處，而對磨損因子影響就小了。

圖3 磨損因子與青銅粉含量的關系

圖3表明，磨損因子基本上是隨青銅粉含量的增加而降低。雖然青銅粉達到70%磨損因子最低，但是50%后工藝上已有困難，一般充填量不超過60%。

此外，磨損因子還受壓力和溫度的影響，磨損因子將隨壓力和溫度的增加而增加，但充填碳和石墨時比較穩定。

改造的內容還有更換各級填料、活塞環、支承環及氣閥，同時拆除注油管線，對各級緩沖罐、分離器、換熱器、缸體腔室進行化學清洗。

4 改造小結

改造后，壓縮機間斷運行110天，未發生四級氣閥故障，也未發生其他故障。相比改造前，故障率大大減少，滿足了裝置運行需要，節約了檢修支出。

5 結束語

通過對壓縮機的氣閥故障進行深入分析，提出了解決方案并實施成功，由此得出以下結論：

（1）對于從大氣中吸入空氣的壓縮機，空氣過濾器的過濾精度非常重要，在保證運行需要的情況下，盡量選用高效空氣過濾器。

（2）對于間斷運行，最終排氣壓力小于8.0 MPa的壓縮機可以采用無油潤滑。

（3）對于同類型的壓縮機，氣閥在保證性能的前提下，閥片的升程盡量取上限，避免異物卡澀帶來的氣閥故障。