黃俊輝(寧波鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司化工區(qū)分公司，浙江 寧波 315200)

0 引言

活塞式氣動(dòng)頂開吸氣閥調(diào)節(jié)裝置，也稱調(diào)節(jié)閥、卸荷閥或調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。隨著石化工業(yè)的迅猛發(fā)展，用戶需要在運(yùn)轉(zhuǎn)中具有調(diào)節(jié)輸氣量功能的壓縮機(jī)越來越普遍的被應(yīng)用。用戶要求一臺(tái)機(jī)器滿足幾個(gè)工況時(shí)，壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)的問題就更重要了。它能實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)氣量的階段性調(diào)節(jié)(0%、25%、50%、75%、100%)，也使壓縮機(jī)在啟動(dòng)時(shí)能夠平穩(wěn)加載，減輕電機(jī)的啟動(dòng)負(fù)荷，減少對(duì)壓縮機(jī)零件的額外沖擊和磨損。

但在初始設(shè)計(jì)中，由于牽涉到吸氣閥設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥彈簧力、密封件摩擦力等多方面因素以及現(xiàn)場(chǎng)情況，目前還沒有一種相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算方法，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計(jì)的過大或過小的問題，對(duì)壓縮機(jī)的正常運(yùn)行造成影響。因此，需要提出一種相對(duì)準(zhǔn)確的算法，來保證設(shè)計(jì)或改造的正確性。

1 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作原理和機(jī)組概況以及目前存在的問題

1.1 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作原理

活塞式氣動(dòng)頂開吸氣閥調(diào)節(jié)裝置根據(jù)作用方式的不同，可分為兩種：正作用(來風(fēng)卸載)和反作用(來風(fēng)加載)，由于在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作中為來風(fēng)加載，故此這里僅介紹反作用調(diào)節(jié)閥。

圖1 卸荷器結(jié)構(gòu)圖

如圖1 所示，在調(diào)節(jié)閥中活塞可以在氣體力的作用下往復(fù)移動(dòng)，下面有卸荷彈簧支承，使活塞在無外力作用時(shí)保持在靠近頂端位置上，當(dāng)需要吸氣閥正常工作時(shí)，具有一定壓力的外界氣源從上部的儀表風(fēng)入口進(jìn)入，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)，與之連成一體的閥桿推動(dòng)卸荷閥閥頭向下運(yùn)動(dòng)，從而使閥頭密封面接觸到吸氣閥中心通孔端面達(dá)到閉合吸氣閥中間通道，使氣流通過吸氣閥的環(huán)形面上的氣孔，克服吸氣閥內(nèi)部彈簧力，推開吸氣閥閥片，完成氣體吸入過程。這時(shí)，氣缸內(nèi)吸入的氣體在活塞做反向行程進(jìn)行壓縮時(shí)，氣閥內(nèi)閥片在彈簧力以及氣體壓差的作用下自動(dòng)閉合，缸內(nèi)的氣體從排氣閥排出。如果卸荷閥外界氣源斷開，卸荷閥閥頭在彈簧力作用下向上移動(dòng)，閥頭密封面與吸氣閥中心孔端面脫離，氣流從吸氣閥中間孔流回到進(jìn)氣腔及管道中去，而排氣閥則根本不會(huì)開啟，從而達(dá)到了調(diào)節(jié)輸氣量的目的。

1.2 機(jī)組概況及舊式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)存在的問題

煉油一部Ⅲ重整C-302A/B 壓縮機(jī)，型號(hào)：M-235/2.4-15.7，為上海壓縮機(jī)廠生產(chǎn)，為四列四缸結(jié)構(gòu)，共兩級(jí)，一級(jí)氣缸兩個(gè)，每個(gè)氣缸四個(gè)進(jìn)氣閥，二級(jí)氣缸兩個(gè)，每個(gè)氣缸兩個(gè)進(jìn)氣閥。該壓縮機(jī)采用正作用卸荷器控制機(jī)組負(fù)荷，進(jìn)氣閥為中空結(jié)構(gòu)，當(dāng)卸荷器的密封閥頭堵住進(jìn)氣閥中心的通孔時(shí)，壓縮機(jī)處于加載狀態(tài)，反之則處于卸載狀態(tài)。

原卸荷器的主要零件幾乎都為碳鋼材質(zhì)，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，由于受到介質(zhì)等的腐蝕，易生銹，影響反彈反應(yīng)，再加上回位彈簧力偏小，有時(shí)甚至無法回位。

1.3 卸荷器改進(jìn)

為解決上述問題，對(duì)材質(zhì)升級(jí)為馬氏體不銹鋼的同時(shí)，決定對(duì)該壓縮機(jī)的卸荷器進(jìn)行改進(jìn)。改造目的是讓卸荷器在運(yùn)行相當(dāng)時(shí)長(zhǎng)后仍能夠上下運(yùn)動(dòng)順暢，壓縮機(jī)處于加載狀態(tài)時(shí)，卸荷器不會(huì)產(chǎn)生任何跳動(dòng)。由于一二級(jí)卸荷器的缸徑、儀表風(fēng)壓力相同，運(yùn)動(dòng)部件幾乎相同，一級(jí)排氣壓力為0.66Mpa，二級(jí)排氣壓力為1.66Mpa。因此，只需要對(duì)二級(jí)卸荷器進(jìn)行計(jì)算，就能夠保證一級(jí)也同樣適用。

2 卸荷閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)受力分析及驗(yàn)算。

2.1 卸荷器正常工作時(shí)受力情況

要做到準(zhǔn)確的計(jì)算調(diào)節(jié)閥所需要提供的卸荷力，首先需要對(duì)調(diào)節(jié)閥運(yùn)動(dòng)件做相應(yīng)的受力分析：

如要使調(diào)節(jié)閥能夠正常工作并順利頂開吸氣閥，則最低要求必須滿足F1+F2+G≥f1+f2+f3+f4。同時(shí)

A1：活塞端面面積，m2

A2：指示桿端面面積，m2

A3：頂桿截面面積，m2

P1：儀表風(fēng)壓力，Pa(abs)

P2：進(jìn)氣腔壓力，Pa(abs)

P0：當(dāng)?shù)卮髿鈮海琍a(abs)

具體計(jì)算

F1：儀表風(fēng)作用在活塞上的推力 F1=P1×(A1-A2)

F2：大氣壓作用在指示桿上的力 F2=P0×A2

f1：大氣壓作用在活塞上的力 f1=P0×(A1-A3)

f2：卸荷彈簧的反作用力 f2=K×(H+H0)

其中K 為卸荷彈簧的剛度；H 為調(diào)節(jié)閥正常工作時(shí)的活塞行程；H0 為卸荷彈簧的預(yù)壓縮量。

f3：吸氣腔內(nèi)的壓力作用在頂桿上的力 f3=P2×A3

f4：調(diào)節(jié)閥內(nèi)密封圈的靜摩擦力

密封圈的靜摩擦力在調(diào)節(jié)閥所受各種力中是很小的，在計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。

G：各運(yùn)動(dòng)部件自身的重力

運(yùn)動(dòng)部件包括：調(diào)節(jié)閥指示桿、調(diào)節(jié)閥活塞、調(diào)節(jié)閥頂桿、氣閥堵蓋以及壓叉，可根據(jù)各個(gè)部分的重量求得重力。

G’為各運(yùn)動(dòng)部件的重力之和；X 為調(diào)節(jié)閥中心線與水平面的夾角，0≤X≤90。

上面介紹了調(diào)節(jié)閥中所有分力的計(jì)算過程，而在設(shè)計(jì)或改造調(diào)節(jié)閥時(shí)，關(guān)注的都是F1，因?yàn)橛蒄1 可以直接求得調(diào)節(jié)閥所需要的活塞直徑。

需要指出的是當(dāng)F1=f1+f2+f3+f4-F2-G 時(shí)，是保證壓開吸氣閥的最低條件?？紤]到工藝流程中的各種因素的影響，應(yīng)取2 F1≥F≥1.5F1(如圖2 所示)。

2.2 卸荷器正常工作時(shí)受力驗(yàn)算

由于卸荷器為從上往下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)密封閥頭上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要向下的力為儀表風(fēng)對(duì)活塞的推力、運(yùn)動(dòng)零件的重力；向上的反作用力主要包括卸荷彈簧的反作用力，缸內(nèi)壓力對(duì)閥頭的反推力；同時(shí)，還應(yīng)考慮O 型圈的摩擦力。

卸荷器缸徑：19cm 指示桿直徑：1.6cm

卸荷彈簧尺寸：Ф75×Ф10×200×7/8.5

儀表風(fēng)壓力：4barg

儀表風(fēng)推力：[(9.52×π)-(0.82×π)]×4×9.8=11035.5N

運(yùn)動(dòng)零件重力：249.7N

卸荷彈簧第一高度彈簧力：1317.6N

卸荷彈簧第二高度彈簧力：3403.8N

缸內(nèi)壓力對(duì)閥頭的反推力：2500N

另外，由于O 型圈對(duì)零件運(yùn)動(dòng)的摩擦力很難計(jì)算準(zhǔn)確，且相比其他作用力也相對(duì)較小，因此直接將其歸入到安全系數(shù)中，安全系數(shù)全部設(shè)定為1.3。

保證卸荷器頂住氣閥而不會(huì)反彈的條件為儀表風(fēng)對(duì)活塞的推力和運(yùn)動(dòng)部件重力之和遠(yuǎn)大于卸荷彈簧第二高度彈簧力與缸內(nèi)壓力對(duì)閥頭的反推力之和。

圖2 卸荷閥受力圖

(11035.5+249.7)-[(3403.8+2500)×1.3]=3610.26

由上式可見，儀表風(fēng)對(duì)活塞的推力遠(yuǎn)大于反作用力，也就是說當(dāng)壓縮機(jī)處于加載狀態(tài)時(shí)，閥頭不會(huì)產(chǎn)生任何跳動(dòng)。

當(dāng)儀表風(fēng)撤去時(shí)，能保證密封閥頭順暢回彈到位的最低條件是卸荷彈簧第一高度彈簧力能夠克服運(yùn)動(dòng)零件的重力。

由上式可見，卸荷彈簧力完全能克服運(yùn)動(dòng)零件的重力，保證密封閥頭順暢回彈。

實(shí)踐證明，用上述計(jì)算方法設(shè)計(jì)或改進(jìn)后的調(diào)節(jié)閥在應(yīng)用中是穩(wěn)妥可靠的，有了可靠的計(jì)算依據(jù)，就能有效的避免氣量調(diào)節(jié)閥不回彈或不能關(guān)閉的問題。

3 卸荷閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改進(jìn)過程存在的問題及解決措施

3.1 卸荷器正常工作時(shí)有效行程余量不足

卸荷閥在整體回裝時(shí)，測(cè)量該卸荷閥有效行程為35～ 40mm，卸荷狀態(tài)閥頭密封面距離進(jìn)氣閥中心孔密封端面距離為40～42mm，該狀態(tài)下，密封面脫開約2mm 間隙，機(jī)組運(yùn)行時(shí)不能達(dá)到正常加載要求。

解決措施：考慮到設(shè)計(jì)行程已經(jīng)無法增加，固對(duì)閥頭進(jìn)行加長(zhǎng)處理。在閥頭與彈簧座之間增加10mm 厚的鋼墊圈，在有效行程不變的情況下，保證閥頭與氣閥中心孔密封面的正常有效貼合(如圖3 所示)。

3.2 卸荷器閥頭密封圈設(shè)置不合理

卸荷器閥頭為整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在閥頭端面開設(shè)方形槽，加四氟密封圈過盈裝入達(dá)到密封效果。在卸荷閥加載卸載過程中，由于溫差變化以及氣流的擾動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)4F 密封圈從閥頭端面脫離，進(jìn)入氣缸內(nèi)部，對(duì)機(jī)組的排氣閥造成影響，不利于機(jī)組的正常運(yùn)行。

改進(jìn)措施，將閥頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)成兩體結(jié)構(gòu)，通過螺紋連接，利用機(jī)械鎖緊，將密封圈牢牢固定在閥頭上，避免密封圈在運(yùn)行過程中受外力脫落，消除機(jī)組運(yùn)行隱患(如圖4 所示)。

圖3 行程余量改進(jìn)對(duì)比

圖4 密封圈緊固改進(jìn)對(duì)比(過盈裝配與螺紋鎖緊裝配)

4 結(jié)語

三重整增壓機(jī)C302AB 卸荷閥改造前，機(jī)組切機(jī)或者停機(jī)過程中多數(shù)卸荷閥無法自動(dòng)回彈到位，都需要在卸荷閥大氣連通口上外加氣源，才能完成復(fù)位。同時(shí)二級(jí)缸部分卸荷閥在加載時(shí)，閥頭密封面貼合緊力不足，引起閥頭起跳，造成氣量波動(dòng)，因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)腐蝕，在不更換新配件的情況下，很難通過檢修消除該缺陷。

通過改造，機(jī)組在加載以及卸載過程中靈活可靠，從機(jī)組運(yùn)行2 個(gè)中修周期(1 年)，再次檢查確認(rèn)卸荷閥的動(dòng)作情況，卸載時(shí)未出現(xiàn)卡滯，回彈靈活。加載運(yùn)行時(shí)，卸荷閥未出現(xiàn)跳動(dòng)的跡象，工作狀態(tài)正常，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到了改造效果。