潘鑫，安元華，趙元林，王淑國

（1.渤海鉆探工程有限公司油氣合作開發(fā)分公司，天津 300280；2.渤海鉆探工程技術研究院，天津 300357；3.渤海鉆探鉆井技術服務公司，天津 300280）

1 往復式壓縮機概述

現(xiàn)如今壓縮機廣泛應用于石油能源行業(yè)、煉油廠以及化工廠重工業(yè)生產(chǎn)過程中，是一種將氣體壓縮用來提高氣體壓強的機械。隨著科學研究的進步，壓縮機也分為容積式和速度式兩大類。往復式壓縮機就屬于容積式壓縮機的一種。

1.1 往復式壓縮機結構組成

曲柄連桿結構是往復式壓縮機最為重要的運動機構，電機在電能的驅動下帶動曲柄的一段進行旋轉運動。并通過連桿運動由此帶動活塞往復運動實現(xiàn)對空氣的壓縮。圖1是往復式壓縮機布置簡圖。

往復式壓縮機主要由基本部分、氣缸部分和輔助部分3部分組成，下面對這3部分進行詳細介紹：（1）基本部分：主要由機身、曲軸、連桿等構成。這一部分主要起到傳遞動力的作用，主要構成了往復式壓縮機的主體使得氣缸與壓縮機連接起來。（2）氣缸部分：主要由氣缸、活塞以及排氣創(chuàng)智等部件構成，氣缸部分的主要作用是提供壓縮氣體的環(huán)境和防止氣體泄漏。（3）輔助部分：主要包括氣液相冷卻器、緩沖器、液氣分離器以及安全閥等輔助裝置。其目的是為了保證往復式壓縮機長時間安全運行。

1.2 往復式壓縮機的分類

往復式壓縮機往往通過氣缸中心線相對位置、壓縮機用途和氣缸內作用3種方式進行分類。按照氣缸中心線相對位置分類往復式壓縮機可分為立式壓縮機、臥式壓縮機、角度壓縮機和對稱壓縮機。通過用途可以分為動力用、工藝用、氣體分離用以及氣體輸送四種往復式壓縮機類型。最后按照氣缸內作用分為單作用、雙作用以及級差式3種類型。

2 氣閥結構及工作原理

氣閥安裝設計是否合理直接影響到壓縮機在運行過程中的效率。一般來說安裝設計良好的氣閥在通過流體時阻力損失僅是壓縮機軸功率的5%左右，而對于安裝或設計出現(xiàn)問題的氣閥阻力損失會達到15%～20%。因此氣閥關系到壓縮機運行過程中能否正常工作對壓縮機的性能具備極大影響。

圖1 往復式壓縮機布置簡圖

在往復式壓縮機的設計過程中，不同型號的壓縮機使用各種氣閥主要有環(huán)狀氣閥、網(wǎng)狀氣閥以及條狀氣閥等。在我過主要在壓縮機上應用環(huán)裝氣閥，因為它具備生產(chǎn)成本低、制造簡單、可靠性高和安全性好等優(yōu)勢，故本文以環(huán)狀氣閥為介紹對象進行說明。

2.1 氣閥結構及組成

氣閥主要由閥座、閥片、彈性元件和升程限制器四部分組成：（1）閥座：在閥門內作為閥門的最大流通直徑，用于支撐閥芯全關位置并承受氣缸內外壓差。（2）閥片：它是開啟與關閉進氣通道一般被稱為起閉原件。（3）彈性元件：材料是彈簧，該元件是氣閥開啟與關閉過程的核心作用部件之一，其最重要的緩沖效果避免了升程限制器的損壞。（4）升程限制器：在壓縮機內用來控制閥片的變換高度的零件。

2.2 氣閥工作原理

壓縮機中氣閥的進氣與出氣從計算方法和原理上看都是一樣的，氣閥的起閉都是由于氣閥閥壁和氣缸工作壁每時每刻的壓差變化而導致的。在進氣過程中，當壓縮氣體時由于氣體推理大于彈簧力時氣閥打開；在進氣過程結束后，氣流推力相對于彈簧的作用力較小時，閥門關閉閥片重新回到閥座。因此整個循環(huán)過程中閥片的運動方程為：

式中，m代表閥片與1/3彈簧的質量和；Fg、Fs為氣體力和彈簧力。

3 氣閥故障常見原因與失效形式

3.1 氣閥常見故障原因

在往復式壓縮機對氣體進行循環(huán)往復的壓縮過程中，構成氣閥的閥座、閥片、彈性元件的3個主要部分中閥片在彈性元件和氣流推力的作用下進行由靜止到運動再到靜止的狀態(tài)。因此不可避免的氣閥內部構件組成將產(chǎn)生機械碰撞，處于種高頻率的碰撞下氣閥內部產(chǎn)生機械損耗是必然的。同時閥片和彈簧作為氣閥內結構構造最易受到損壞的部件，下面將對兩部件的失效形式進行說明。

3.2 氣閥失效形式

徑向磨損和裂紋是閥片部件最常出現(xiàn)的兩種損壞形式，這是由于閥片在往復式壓縮機運行過程中不間斷運動所導致的。閥片在運行過程中磨損以后會導致氣閥有輕微的漏氣現(xiàn)象，這是一種輕微故障的表現(xiàn)，它可能會導致氣缸內壓力所測得數(shù)值與正常工況產(chǎn)生微小差異。另一種故障狀況是閥片表面由于機械碰撞產(chǎn)生裂紋，這種狀況下會導致氣閥嚴重漏氣甚至會降低整體設備的剛度。因此一旦出現(xiàn)該故障就應立刻對設備進行檢修以免造成人員傷亡和更大的和經(jīng)濟損失。這兩種失效形式都體現(xiàn)在閥片上，一般來說只需要對閥片進行更換就可以解決。

彈簧斷裂作為氣閥另一種主要的失效形式，在往復式壓縮機運行過程中彈簧起到對氣流推動的閥片緩沖的作用。因此彈簧的斷裂失效往往分為兩個階段性過程，首先是彈簧由于長時間疲勞工作受到損壞不能正常的達到對閥片進行緩沖的功能。同時這還會導致閥片由于失去部分彈簧緩沖而導致氣閥的整體結構的損壞和閥片產(chǎn)生裂痕；其次當氣閥中的彈簧完全斷裂時就會出現(xiàn)氣閥內各組分構件的機械碰撞逐漸增大這將很快導致閥片破裂以及氣閥部分的整個損壞。

4 往復式壓縮機氣閥故障的改善措施

4.1 對閥片運動規(guī)律進行校核

針對于往復式壓縮機正常工作過程中其活塞的運動規(guī)律應正好對應氣閥的開啟和關閉規(guī)律。倘若氣閥的開啟和關閉不與活塞的運動相互匹配，工作人員應通過對彈性元件、氣閥厚度以及壓縮機軸功率等對閥片進行調整。

4.2 調整彈簧力

合理的提高彈簧力可以有效增加彈簧的使用壽命，因此對于彈簧元件一般應選用剛性彈簧。這樣有利于提高彈簧對閥片的緩沖力，同時對于大功率壓縮機應選用盡量粗的剛性彈簧。并應減少彈簧的形變長度，這樣可以有效提高彈簧的耐疲勞強度提高彈簧壽命。

4.3 改變氣閥結構

對于轉速較高的壓縮機，為了提高氣閥耐用期，需采用較小的閥片開啟高度，這樣可以減小閥片的撞擊速度，確保氣閥及時關閉，改善氣閥的運動頻率特性。閥片開啟高度降低后，氣閥的流通縫隙面積將減小，氣流阻力增大，補償?shù)姆椒ㄊ窃黾娱y座的通道數(shù)、采用多環(huán)窄通道氣閥。這樣既可增大氣流在閥隙中流通的面積，又可改善閥片的受力狀態(tài)。

4.4 改善閥片的制造工藝。

經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)通過對閥片進行細打磨并回火處理可以有效減少殘余應力的存在提高閥片壽命?，F(xiàn)如今閥片的邊緣一般采用倒圓角工藝技術是因為采用這樣的設計樣式可以很好的減少閥片邊緣產(chǎn)生裂縫的概率，消除了邊緣集中應力的問題。

5 結語

通過對往復式壓縮機長時間的摸索和總結，其絕大部分故障都是由于氣閥部分出現(xiàn)問題而產(chǎn)生的。本文對氣閥失效產(chǎn)生故障的原因和失效形式以及氣閥多發(fā)故障的改進措施進行了總結，希望可以對今后往復式壓縮機的發(fā)展提供幫助。