【摘 要】 本文介紹了南京煉油廠白油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)氣閥的工作原理、常見(jiàn)的故障現(xiàn)象和特征及其原因。同時(shí)通過(guò)分析故障機(jī)理并通過(guò)設(shè)備特點(diǎn)采取操作調(diào)整、定期檢修、合理維護(hù)等方式減少故障率、延長(zhǎng)氣閥壽命。

【關(guān)鍵詞】 壓縮機(jī)氣閥 工作原理 故障 改進(jìn)措施

往復(fù)式壓縮機(jī)作為一種提供壓縮氣體動(dòng)力的設(shè)備，因其工況壓力范圍廣、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)，是石化裝置氣體增壓的主要設(shè)備。

南京煉油廠15萬(wàn)噸/年白油加氫裝置是2015年建成投產(chǎn)，裝置的循環(huán)氫壓縮機(jī)采用沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的2D10-3.22/171-188-BX對(duì)稱平衡式往復(fù)機(jī)，設(shè)計(jì)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(jī)轉(zhuǎn)速494r/min、電機(jī)功率250kW。

根據(jù)白油加氫裝置在日常使用和維護(hù)檢修過(guò)程中出現(xiàn)的故障和問(wèn)題來(lái)總結(jié)和分析，發(fā)現(xiàn)其發(fā)生的故障超過(guò)50%的原因都是氣閥故障。

1 氣閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1氣閥的結(jié)構(gòu)

往復(fù)式壓縮機(jī)常用的氣閥結(jié)構(gòu)有菌狀閥、條狀閥、環(huán)狀閥、網(wǎng)狀閥、碟狀閥，本裝置的循環(huán)氫壓縮機(jī)采用的氣閥為網(wǎng)狀閥（如圖1）。該壓縮機(jī)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(jìn)氣（或排氣）通道，并承受氣缸內(nèi)外壓力差；

2）閥片，交替地開(kāi)啟與關(guān)閉閥座通道；

3）閥簧，關(guān)閉時(shí)推動(dòng)閥片落向閥座，并在開(kāi)啟時(shí)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(fù)式壓縮機(jī)通過(guò)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成氣體在氣缸內(nèi)的吸氣、壓縮、排氣的過(guò)程[1]。壓縮機(jī)的吸氣閥和排氣閥分別控制氣體的吸入與排出，氣閥開(kāi)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(guò)程中氣閥的運(yùn)動(dòng)部件處于高頻的往復(fù)伸縮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此大多數(shù)損傷發(fā)生在連接部位及易損部件上，都是由于部件長(zhǎng)期磨損或疲勞導(dǎo)致的。氣閥故障引發(fā)的壓縮機(jī)參數(shù)變化大致包括：

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

2）設(shè)備的動(dòng)力性能變化，氣閥故障會(huì)引起機(jī)組的異常振動(dòng)、異響，引起的管道共振等。

氣閥故障的征兆，既可以從儀表測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、也可以從設(shè)備異常振動(dòng)、異響中判斷。

2氣閥故障的原因及表現(xiàn)特征

往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥故障會(huì)影響壓縮機(jī)的排氣量、降低效率、浪費(fèi)能源。甚至閥片碎塊落入氣缸，會(huì)導(dǎo)致汽缸拉毛、活塞/活塞環(huán)損壞等嚴(yán)重問(wèn)題。及時(shí)地發(fā)現(xiàn)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(yùn)行可靠性、較少損失。氣閥故障主要表現(xiàn)在以下幾方面：

2.1閥片的損傷

閥片在氣閥工作過(guò)程中做494次/min的高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(guò)程中經(jīng)常和工作面、彈簧發(fā)生摩擦磨損，使得閥片強(qiáng)度減弱，當(dāng)磨損量過(guò)大時(shí)就會(huì)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(yīng)從以下兩方面考慮：

第一，閥簧從全閉到全啟的工作循環(huán)，其載荷由預(yù)壓縮力變化到最大壓縮力，承受脈動(dòng)循環(huán)載荷，引起閥簧疲勞，無(wú)法達(dá)到正常工作的預(yù)緊力，出現(xiàn)氣閥過(guò)早開(kāi)啟、閥片震顫等現(xiàn)象，氣閥不能正常工作，如彈簧縮短、錯(cuò)位[3]；另外，閥簧變形時(shí)與孔壁發(fā)生摩擦磨損，使彈簧形變更易增大甚至斷裂。

第二，壓縮機(jī)吸氣閥設(shè)置了卸荷器，若停機(jī)情況下，吸氣閥長(zhǎng)期處于頂開(kāi)狀態(tài)，吸氣閥閥簧一直壓縮，閥簧易疲勞；或機(jī)組長(zhǎng)期處于50%負(fù)荷（吸氣閥1只正常工作、1只被頂開(kāi)），不做功的氣閥長(zhǎng)期處于最大被壓縮狀態(tài)，閥簧快速發(fā)生塑性形變、疲勞損壞。

2.3卡塞異物

氣閥閥片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，管道內(nèi)的雜物碎屑和活塞在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的金屬碎末進(jìn)入氣閥后，會(huì)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(guān)閉，氣閥會(huì)發(fā)生泄漏、振動(dòng)。

2.4氣流帶液

當(dāng)壓縮機(jī)氣缸內(nèi)的氣體帶液時(shí)，產(chǎn)生的液滴會(huì)在氣流帶動(dòng)下會(huì)不停地對(duì)氣閥造成沖擊、腐蝕損傷閥片，造成氣閥泄漏；同時(shí)對(duì)壓縮機(jī)氣缸、氣體通道造成沖擊，氣閥會(huì)整體發(fā)生振動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致氣閥定位銷磨損，使氣閥在安裝位置會(huì)隨氣流攢動(dòng)，無(wú)法正常工作。

3 往復(fù)式壓縮機(jī)常見(jiàn)故障分析與改進(jìn)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(zhì)、氣閥的工作方式有關(guān)聯(lián)，在長(zhǎng)時(shí)間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)情況下，閥片、彈簧會(huì)疲勞損傷，甚至不能正常工作、無(wú)法使用。

壓縮機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，閥片主要承受兩種載荷：氣閥閥片兩側(cè)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(shí)的沖擊載荷。

壓縮機(jī)氣閥閥片受氣流的脈動(dòng)沖擊，使閥片承受脈動(dòng)的均布載荷。在這種載荷的作用下，閥片易疲勞破壞，產(chǎn)生裂紋；同時(shí)氣流高速?zèng)_擊閥片表面，產(chǎn)生腐蝕、麻點(diǎn)和凹坑。

壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)接觸不均勻，未接觸部位會(huì)出現(xiàn)彎曲變形。雖然閥片質(zhì)量小，撞擊能量小，但在494次/min高率撞擊下，很容易出現(xiàn)斷裂破壞，尤其在邊緣和彈簧支撐點(diǎn)等應(yīng)力集中的地方更容易破壞。損傷的閥片會(huì)影響氣閥的密封效果，使氣閥失效。

氣閥閥片在啟閉的同時(shí)也與閥簧撞擊。閥簧不斷的被壓縮和釋放，在脈動(dòng)載荷作用下，彈簧由彈性形變逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄孕巫?，長(zhǎng)度變小、降度降低。閥簧和升程限制器的導(dǎo)向面之間的間隙也很重要，間隙過(guò)大彈簧容易徑向竄動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和磨損，間隙過(guò)小則會(huì)使彈簧卡死，不能正常工作[2]。彈簧損壞、會(huì)導(dǎo)致閥片受力不均勻從而發(fā)生側(cè)傾，影響閥片正常工作甚至損壞閥片。

2）氣流帶液。

介質(zhì)待液包括四種情況：一是進(jìn)入氣缸的工藝介質(zhì)中夾帶液體；二是在氣體壓縮過(guò)程中析出液體；三是缸體水套或缸面密封不嚴(yán)或填料冷卻水泄漏進(jìn)入氣缸；四是由于汽缸溫度較低造成介質(zhì)中的輕烴液化。當(dāng)缸內(nèi)液滴在氣流的帶動(dòng)下會(huì)高速?zèng)_擊、損傷閥片，同時(shí)導(dǎo)致氣閥振動(dòng)，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(huán)氫壓縮機(jī)氣閥故障關(guān)聯(lián)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(yù)防措施

1）選用質(zhì)量和性能良好的氣閥。氣閥質(zhì)量是影響氣閥壽命重要因素，材質(zhì)和加工質(zhì)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(zhì)、加工工藝上的嚴(yán)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(dǎo)向面間隙，可以使閥片規(guī)律運(yùn)動(dòng)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(shí)減小閥片發(fā)生傾斜造成的閥片損壞。

新?lián)Q氣閥在使用前應(yīng)進(jìn)行外觀檢查、機(jī)油滲漏試驗(yàn)，確認(rèn)氣閥的密封性能。

2）凈化介質(zhì)。輸送的介質(zhì)在進(jìn)入壓縮機(jī)前，要進(jìn)行充分的除液和除塵，保證介質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求。壓縮機(jī)組外入口管線設(shè)置帶有絲網(wǎng)除沫器的緩沖罐，消除介質(zhì)液沫夾帶、通過(guò)觀測(cè)DCS中的液位顯示及時(shí)進(jìn)行切液排除沉積的液體和臟污；機(jī)組內(nèi)入口管線設(shè)置氣體過(guò)濾器，將氣體介質(zhì)中的固體雜質(zhì)過(guò)濾掉、避免對(duì)氣閥造成影響，氣體過(guò)濾器設(shè)置有差壓顯示表和變送器，可隨時(shí)監(jiān)控過(guò)濾器堵塞情況，同時(shí)注意在壓縮機(jī)組入口閥緩慢開(kāi)啟，避免高壓氣體快速進(jìn)入機(jī)體過(guò)程中破壞氣體過(guò)濾器。

3）保證壓縮機(jī)操作工況接近設(shè)計(jì)工況。通過(guò)監(jiān)控DCS遠(yuǎn)傳變送器和現(xiàn)場(chǎng)就地儀表顯示的的壓力、溫度、振動(dòng)數(shù)值，避免壓縮比偏離、操作波動(dòng)、工況大幅波動(dòng)。

如避免壓縮機(jī)的進(jìn)氣溫度過(guò)低、氣缸冷卻水溫度過(guò)低，否則循環(huán)氫中夾雜的輕烴發(fā)生液化、壓縮析出的液量增多，會(huì)造成機(jī)體振動(dòng)增大，氣閥不能正常工作，（進(jìn)氣溫度影響如圖3）；經(jīng)數(shù)值統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣溫度低于41.0℃時(shí)機(jī)組振動(dòng)增大，低于39.0℃時(shí)振動(dòng)上升趨勢(shì)更加明顯；進(jìn)氣溫度低于46.0℃時(shí)、振動(dòng)明顯減小，但由于循環(huán)氫是來(lái)自裝置的高壓分離流程，所以進(jìn)氣溫度不宜過(guò)高（氫氣溶解度增加、輕烴組分增加，循環(huán)氫純度降低）；綜合考慮，壓縮機(jī)正常的進(jìn)氣溫度控41.0～46.0℃，既保證高壓分離的效果，同時(shí)兼顧壓縮機(jī)振動(dòng)的控制。

保證壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，避免吸氣閥1只正常工作、1只處于被頂開(kāi)的情況。長(zhǎng)期停機(jī)的情況下可關(guān)閉吸氣閥卸荷器氣源，使得吸氣閥長(zhǎng)期處于閉合狀態(tài)、氣閥彈簧不受力。

4）保證壓縮機(jī)組處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。氣閥故障對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)有一定的影響。通過(guò)定期監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)機(jī)體振動(dòng)、進(jìn)排氣溫度、冷卻效果等（如表1），及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣閥存在的問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整操作條件、排除異常，保證機(jī)組正常運(yùn)行，為氣閥提供良好的運(yùn)行環(huán)境。

5）對(duì)于壓縮機(jī)的巡檢質(zhì)量提出要求，可有效的預(yù)防故障的發(fā)生、保障壓縮機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行。

結(jié) 論

通過(guò)氣閥質(zhì)量的要求和壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控，氣閥的故障率降低、氣閥壽命增長(zhǎng)，氣閥的連續(xù)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)由原有的～5000小時(shí)增長(zhǎng)至～8600小時(shí)，新更換氣閥持續(xù)運(yùn)行中。

在和同類設(shè)備的比較時(shí)發(fā)現(xiàn)，在設(shè)備安裝、試運(yùn)、生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，嚴(yán)格把控設(shè)備零部件質(zhì)量、設(shè)備安裝精度，合理的設(shè)備結(jié)構(gòu)，規(guī)范的設(shè)備操作、平穩(wěn)的設(shè)備運(yùn)行的操作參數(shù)，可以有效的提高易損件的使用壽命、減小或減少設(shè)備故障發(fā)生，保證設(shè)備長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行，提高設(shè)備的安全可靠性，保證裝置長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，企業(yè)穩(wěn)定收益。

【參考文件】

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

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

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

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

作者簡(jiǎn)介：王謙（1987—），男，漢族，陜西省西安市人，設(shè)備技術(shù)員，過(guò)程裝備與控制工程學(xué)士，單位：南京煉油廠有限責(zé)任公司，研究方向：機(jī)械設(shè)備。