往復式壓縮機氣閥故障分析及解決措施

韓紅亮

陜西延長石油（集團）有限責任公司延安石油化工廠 陜西 延安 727406

在化工裝置生產工序中，增壓回收作為較為關鍵的環節，是化工裝置連續平穩運行的重要條件。對壓縮機進行有效的運維管理，有效減少壓縮機發生故障問題，增加壓縮設備的運行周期，使其處于安全、高性能、強穩定的工況狀態，成為設備管理的側重方向。在壓縮機中功能較為集中的零部件是氣閥，同樣是故障問題高頻出現的零部件，對其進行故障分析與性能維護，具有較高的研究價值。

1 往復式壓縮機的氣閥的結構和故障原理

1.1 氣閥的主要結構

往復式壓縮機氣閥最常見的結構為環形閥。在各種氣閥中，環形閥具有較大的優點，這是環形閥被廣泛使用的主要原因之一。據相關調查能夠得知，國內許多化工企業往復式壓縮機采用環形閥有兩個主要原因。一是環形閥結構比較簡單，應用后能夠相應的簡化后續維護維修工作；二是環形閥穩定性較高，可以較好的滿足往復式壓縮機運行需求。

1.2 氣閥故障原理

往復式壓縮機的工作原理是通過改變氣缸體積變化來控制閥門。完整的工作周期包括四個基本過程：擴展、接納、壓縮和疏散。

（1）充氣時，氣缸體積隨活塞運動而增大，氣缸內壓力減小，氣缸內外壓力差增大。

（2）當缸內外壓力差足以克服彈簧強度時，進氣閥閥片離開閥座，直至閥片接觸升限時，進氣閥完全打開，缸開始吸收空氣。

（3）活塞接近死點位置時，氣流推力降低，進氣閥閥閥片從升降限降到閥座。活塞開始向后移動，圓柱體中的壓力增大，壓縮過程開始。

（4）當排氣閥筒與腔壓力差超過彈簧強度時，排氣閥閥片離開閥座，直至閥片接觸升降極限時，閥完全打開，缸開始排出空氣。壓縮機運行時，氣閥板將與氣閥座和升降限制器碰撞，高壓缸內的閥將被高溫氣體腐蝕。在閥片長期沖擊、氣體腐蝕和高溫的影響下，氣閥容易發生泄漏或疲勞斷裂等問題。

2 往復式壓縮機氣閥故障成因分析

2.1 介質因素

長輸管線表面含有多種類型的雜質，比如焊渣、顆粒等如圖1所示。與此同時，長輸管線在長時間運行情況下，由于輸氣管線產生的腐蝕作用，引起管輸介質生成多種類型的雜質。氣體在輸入氣閥時，分離器給出的分離效果不理想，無法有效分割各類雜質。多種類型的雜質輸入壓縮設備，對氣閥閥片形成了沖擊作用，引起閥片發生坑蝕現象，甚至發生閥片結構斷裂問題，增加了氣閥表面的磨損程度，形成氣閥質量損壞問題。

圖1 管線表面雜質

2.2 人為因素

（1）氣閥組裝操作時，對螺栓進行擰緊處理，存在力矩不規范問題。如果擰緊力矩較小，將會引發氣閥發生泄漏事件。如果擰緊力矩較大，會發生力矩大于螺栓允許應力的情況，造成螺栓發生形變、斷裂等問題，降低了氣閥的壽命周期。

（2）氣閥裝設位置不合理。在氣閥裝設時，保持氣壓閥罩、氣閥兩者處于緊密狀態。閥蓋擰緊后，依據力矩規范進行螺柱與螺母的緊固處理，確保閥蓋處于壓緊狀態。擰緊力不足時，會引起氣閥壓緊效果不佳，此時氣閥會在閥窩空間內發生竄動現象，造成漏氣、閥蓋緊固性不足等問題，甚至會引起閥蓋發生斷裂問題。如果擰緊力較大，將會在較大載荷作用下，引起氣閥、壓圈等零部件發生質量損壞問題。

2.3 故障分析

2.3.1 閥片

閥片故障問題，是在壓縮機啟動期間，對閥片形成的磨損，同時存在設備自身性能不足因素。如果閥片發生性能損壞時，并未獲得有效的更換處理，將會增加閥片腐蝕程度。

2.3.2 彈簧

在設計規劃氣閥結構時，需要加強彈簧磨損問題考量，選擇更具耐磨性的材料，減少磨損問題如圖2所示。在實踐彈簧使用時，引起彈簧磨損的主要原因有：閥門作用，彈簧材質特點。

圖2 氣閥彈簧

2.3.3 漏氣

漏氣問題會形成壓縮機運行成本，降低氣體輸送的有效性。漏氣故障的主要成因是：在氣閥閥座、壓縮設備整體密封效果欠佳的情況下，閥片與彈簧質量受到了損壞，會增加壓縮機漏氣的發生次數。

3 往復式壓縮機氣閥故障解決對策

3.1 加強氣閥介質處理

（1）對壓縮機進行氣閥結構設計時，需要合理掌握氣閥運行工況特點、周邊運行情況、參數校準方式，為后期性能檢測給出依據，確保氣閥結構設計合理、材質選擇正確，有效復核氣閥性能，使其符合現場參數要求，針對不合理問題給予有效修正處理，依據新資料給予有效設計。

（2）有效處理介質。介質在輸入前期，需要保持介質的高度純凈、較穩定狀態，以減少介質帶來的性能干擾。比如維持供氣壓力的平穩性，減少介質波動問題；裝設使用具有較強分離性的裝置，分離器、過濾器等；階段周期內依據介質差壓情況，進行過濾器濾芯的清潔與更換處理，及時完成污穢排除，減少雜質，提升介質工作性能。

3.2 有效落實運維工作

在裝配前期合理開展清潔工作，有效清潔閥座、閥蓋等位置。在進行配件性能檢測時，有效檢查閥座密封性，查看閥片、緩沖片等性能情況。如果存在密封性欠佳問題，需要及時進行研磨處理，或者采取零部件更換措施。在更換閥片時，需要對緩沖片與彈簧進行協同更換處理。在裝載彈簧、閥片等部件時，需要進行閥片試用，采取若干次按壓方式，測定閥片使用的靈活性。在測定使用時，應排查運行卡組與位置偏差問題。在緊固氣閥操作中，嚴格依據扭矩操作規范，加強閥座、閥蓋緊固性，減少相對轉動問題，合理防控閥片與緩沖片發生位置偏差問題。在組裝完成后，開展氣密性檢測，測定氣閥使用性能的達標性。

3.3 引入先進的氣閥故障預測技術

（1）對氣閥開展性能診斷時，主要是應用信號檢測設備，測定壓縮機的運行情況，判斷其運行時形成的閥片沖擊作用、漏氣等現象，間接推斷氣閥可能存在的故障問題。

（2）在壓縮機結構中加裝故障檢測設備，比如預警類、警報類等。借助預警裝置，結合壓縮機實際運行時氣閥運轉各項參數，比如熱力值、氣量、壓力脈動的浮動情況，測定氣閥故障問題。

3.4 閥片運行資料分析

現階段國內石化企業在生產環節中使用的壓縮機，極易發生閥片性能損壞問題如圖3所示，引發氣閥故障問題。對于閥片故障問題的預防方法是：階段性進行閥片位置校核形式，以此回避氣閥故障問題。壓縮機在生產運行期間，主要是借助彈簧、閥片的實際運動，有效控制氣體，閥片性能受損，對于整個壓縮機運行的密閉性形成威脅。機械設備的運行時，是依據特定物理客觀屬性、運動特征等因素進行。

圖3 閥片斷裂

因此，在預防閥片性能損壞問題，需要在壓縮機運行時，動態測定閥片工況，對其工況資料加以有效分析與測評，判斷可能存在的故障問題。借助工況分析方式，以此合理減少氣閥故障的發生次數，加強控制彈簧產生的前期壓縮量。由圖3可知，在氣閥元件組成中，升級限制器的添加，用于控制閥片升程。彈簧是用于控制氣體的關鍵元件。在閥片性能損壞時，對彈簧作用形成影響。因此，日常運維工作中，需要加強閥片位置核定，合理控制彈簧剛度、閥片升程各項參數。

3.5 提升氣閥結構優化性

在設計氣閥結構時，旨在全面保障壓縮機運行狀態的平穩性，確保結構設計合理性，有效防控氣閥故障問題。在壓縮機啟動運作時，閥片、彈簧兩個組件，會在運動作用下，形成氣體流動效果，轉化成沖擊力。在壓縮機運行時，閥片與彈簧會在氣體沖擊條件下發生性能損壞，損壞問題發生次數較高。因此，在氣閥結構設計時，設計人員對于閥片、彈簧兩個組件，需要加強參數與標準設定。一般情況下，氣閥結構最優性的設計方法，是回避氣閥故障問題的主要路徑，能夠合理控制閥片運行的高度。高度控制方式，能夠減輕氣體沖擊作用，控制氣體對彈簧與閥片的作用強度。

在防控閥片磨損問題時，能夠適當增加壓縮設備的使用周期。然而，在閥片運行高度控制時，可能會引起氣流阻力增加問題，此時壓縮機無法有效控制氣流阻力。因此，在閥片高度優化控制時，需要增加閥座通道設計，添加緩沖片，以此確保閥片運行能力，減少故障問題發生。

3.6 其他措施

（1）提高設計能力。壓縮機閥門的設計要在充分掌握閥門的使用條件、現場條件、參數要求和后續情況的前提下，合理安排閥門的結構和材料，及時糾正不合理的設計，并根據新數據進行重新設計。

（2）優化制造生產工藝，設定規范生產標準，確保壓縮機運行性能。以氣閥為起點，制定生產規范，使其性能達標。同時還需要加強各類元件原材料選用，減少腐蝕、松動、磨損等質量問題，從根本上防控氣閥故障問題。

（3）保持介質進入前的純度和穩定性，例如保持空氣壓力和減少波動；添加更好的分離器或過濾器，定期更換或清潔過濾器濾芯，或根據介質的差壓負荷及時排放污水，去除液體和固體并發癥，提高介質的純度。

（4）定期預防性維護。設備在使用過程中必須嚴格按照維護規程進行維護。日常操作中，應仔細檢查并詳細記錄壓縮機參數。如果發現異常，則應及時報告和解決。

3.7 氣閥高頻故障實例分析

3.7.1 故障現象

某單位機組高頻數發生不少于30次排氣溫度驟然升高的故障問題。以單次故障資料為例：控制單元排氣位置的初始溫度為100℃，在15min內驟然升高15℃，其余位置溫度并無明顯變化。設備運維人員在現場進行故障排查，經測定發現：有2組排氣閥外觀結構溫度達到125℃，其余氣閥溫度無異常表現，并無活塞、運行部件損壞情況。

3.7.2 故障成因

此組故障氣閥安裝于2017年，安裝后處于滿負荷運行狀態，排氣故障發生次數較高。同時，在運行30天時發生活塞嚴重磨損問題。

（1）排氣閥性能不足分析。在高溫高壓工況下，氣流運輸通道中發生結焦問題，結焦引起閥片啟停操作受阻，加之邊沿區存在嚴重撞擊問題，形成氣閥性能受阻，引起氣溫驟然升高的現象。

（2）工藝分析。氫氣含量占比達到93%，在裝置功能擴充后，油氣分離效果欠佳，引起氫氣混入壓縮機內部，提升氣閥排出位置的溫度。

3.7.3 處理方法

（1）對壓縮機入口位置進行性能修復處理，使其溫度維持在30℃左右，減少輸氣管路發生凝液問題。此種處理方法，故障消除效果不理想。

（2）對機組缸頭、缸座等位置進行結構優化，調整氣缸間隙，合理控制機組運行時形成活塞壓力的最大值，同時進行油路與管線設計，減少油路與氫氣相混問題。此種處理方法，能夠有效應對溫度驟然升高故障問題。經實踐發現：機組持續運行2個月，各項參數無異常表現，故障問題獲得有效解決。

4 結束語

綜上所述，往復式壓縮機氣閥出現故障時，對于壓縮機整體運行形成了較大威脅。因此，在設備管理的日常工作中，工作人員需要從巡檢、操作、運維、故障檢測、故障消除等各環節中，加強工作部署與執行，確保壓縮機處于平穩的運行工況，順應安全生產需求，減少故障問題發生。經實踐發現：規范性檢修流程、標準的操作管理、階段性的運維養護，能夠有效延長氣閥運行周期。