馬文禮，謝翼南，王艷芝，劉 鵬，劉 軍

(1.延安大學(xué)，陜西 延安 716000；2.中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834003)

1 引言

2020年5月12日，某石化公司柴油加氫制裝置往復(fù)壓縮機K-(3101+3301)/D機切換到C機，運行2 h后，三級蓋側(cè)進氣閥溫度升高；2020年5月14日拆檢2個進氣閥，發(fā)現(xiàn)蓋側(cè)進氣閥閥片斷裂，氣閥卸荷叉爪限位擋塊有明顯被刮擦的痕跡，并且這兩個進氣閥的擋塊寬度不一致，擋塊能否活動以及活動范圍也不一致。另外，卸荷器頂桿無較精確的限位、導(dǎo)向部件，擺動幅度大，可能會影響無極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作精度。更換2個新進氣閥后，于2020年5月15日開機運行至2020年6月12日發(fā)現(xiàn)三級蓋側(cè)進氣閥溫度升高2℃后逐漸趨于穩(wěn)定，通過現(xiàn)場分析可能是由于閥片斷裂損傷造成，根據(jù)判斷可短期使用，決定增強監(jiān)測，觀測使用；該機組運行至2020年6月15日停機，氮氣置換后合格后，于2020年6月16日拆檢蓋側(cè)與軸側(cè)進氣閥，發(fā)現(xiàn)蓋側(cè)進氣閥閥片斷裂、彈簧斷裂，鉗工維修班更換蓋側(cè)進氣閥閥片與彈簧后回裝，軸側(cè)進氣閥未更換任何配件回裝。2020年6月18日開機，運行至2020年6月30日發(fā)現(xiàn)蓋側(cè)進氣閥溫度升高，判斷是閥片斷裂損傷引起。停機置換后，于2020年7月1日拆檢。維修車間拆檢該壓縮機軸側(cè)、蓋側(cè)進氣閥和排氣閥，發(fā)現(xiàn)該機組蓋側(cè)進氣閥閥片斷裂，于是緊急維修更換新氣閥。

2 往復(fù)壓縮機氣閥優(yōu)化設(shè)計的必要性

前言中所描述的壓縮機氣閥在僅僅3個月使用期間就多次出現(xiàn)氣閥閥片斷裂損傷，氣閥溫度升高等氣閥失效問題。在更換氣閥后，再次運行該機組時，仍存在短暫使用后氣閥便出現(xiàn)故障的問題。因此，對往復(fù)壓縮機氣閥進行拆檢，并查閱該往復(fù)壓縮機的運行、維修記錄，經(jīng)對比分析后，決定對該往復(fù)壓縮機氣閥的整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計改造，使氣閥在優(yōu)化設(shè)計改造后，氣閥的整體設(shè)計與功能參數(shù)滿足往復(fù)壓縮機的使用要求，提高往復(fù)壓縮機氣閥運行的穩(wěn)定性，優(yōu)化往復(fù)壓縮機氣閥時用性，更好的發(fā)揮其應(yīng)用價值，降低維修頻率，減少維修費用，為企業(yè)提高效益助力。

往復(fù)壓縮機是為氣體升壓的壓縮設(shè)備，屬于容積式壓縮機。而氣閥是往復(fù)壓縮機的重要組成部件，支撐著往復(fù)壓縮機吸入氣體、壓縮氣體的核心功能。但在往復(fù)壓縮機運行過程中，壓縮機氣閥存在閥片斷裂、氣閥溫度升高等故障，使得壓縮機機組切換過于頻繁、維修次數(shù)與維修難度增加，人工費用與材料費用等支出增加，企業(yè)蒙受損失。因此，為確保往復(fù)壓縮機運行的可靠性與穩(wěn)定性，合理控制壓縮機氣閥檢修成本，就需進一步優(yōu)化設(shè)計改造往復(fù)壓縮機氣閥，并通過對該部件的改造，減少往復(fù)壓縮機氣閥故障，維護相關(guān)企業(yè)的核心利益[1]。

3 閥片和彈簧斷裂的原因分析

最近2次的拆檢都有彈簧斷裂現(xiàn)象且彈簧斷裂的部位同時出現(xiàn)了閥片斷裂崩塊現(xiàn)象，可能是由于彈簧的耐疲勞強度差所造成，彈簧斷裂引起閥片表面受力不均勻，從而致使閥片在彈簧斷裂位置出現(xiàn)斷裂崩塊現(xiàn)象。另外，導(dǎo)致閥片與彈簧斷裂的原因也可能是因為氣閥卸荷器叉爪在運行過程中的不穩(wěn)定性造成閥片跟彈簧局部集中受力，從而導(dǎo)致閥片斷裂、彈簧斷裂、氣閥失效。從該機組最近半年的檢修情況分析可知，蓋側(cè)的進氣閥使用壽命比軸側(cè)的少很多，由此推斷閥片和彈簧斷裂的原因不僅是由自身的原因引起，也可能還與其它因素有關(guān)，比如無極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。

4 往復(fù)壓縮機氣閥的改造措施

以柴油加氫改制 K-(3101+3301)/C往復(fù)壓縮機三級氣閥為例。在匯總氣閥現(xiàn)有故障問題，分析可能原因后，提出優(yōu)化設(shè)計改造思路，提高氣閥設(shè)計技術(shù)參數(shù)、設(shè)計指標的標準，應(yīng)用創(chuàng)新型的組成材料，改善局部結(jié)構(gòu)以及尺寸等思路作為氣閥優(yōu)化設(shè)計改造的方向，具體表現(xiàn)為提高氣閥閥片材質(zhì)質(zhì)量，改變氣閥閥片尺寸，改造氣閥卸荷叉爪結(jié)構(gòu)，優(yōu)化氣閥卸荷叉爪與無極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的配合等，落實氣閥的改造方案，解決氣閥在使用中存在的問題，具體改造措施如下。

4.1 氣閥閥片材料升級

閥片改用英國威格斯最好的聚醚醚酮(PEEK)材料，以提高閥片自身質(zhì)量。聚醚醚酮(PEEK)材料是目前應(yīng)用最廣的高性能熱塑性工程塑料之一 ，聚醚醚酮(PEEK)材料的強度大、質(zhì)量輕，彈性變形大，彈性模量小，有利于減少沖擊變形和動態(tài)變形。此外，聚醚醚酮(PEEK)材質(zhì)還具備其他的優(yōu)良性能，比如，具有出色的耐熱性、力學(xué)性能以及優(yōu)異的電絕緣性和高抗疲勞強度、穩(wěn)定的耐化學(xué)藥品性等[2]。同時，聚醚醚酮(PEEK)材料具有優(yōu)異的耐熱、耐化學(xué)性能、機械性能，且其摩擦系數(shù)低，是一類良好的自潤滑材料[3]。通過改善氣閥閥片的材質(zhì)，提高氣閥閥片的自身強度，從而改善氣閥整體的質(zhì)量。

4.2 氣閥閥片尺寸優(yōu)化

在優(yōu)化設(shè)計改造往復(fù)壓縮機氣閥時，還應(yīng)準確核算氣閥閥片所需應(yīng)力。通常情況下，往復(fù)壓縮機各大結(jié)構(gòu)中，其三級進氣閥的閥孔明顯大于普通機組閥孔，因此在設(shè)計氣閥閥片時，無需根據(jù)閥孔的大小來確定閥片大小，而是根據(jù)往復(fù)壓縮機運行時氣缸打氣量的大小來確定閥片大小。合理的將現(xiàn)有閥片改小，將閥片直徑從160 mm更改為129 mm。繼而通過閥片直徑的改變，保證壓縮機注塑期間，氣閥閥片溫度的均勻性，改善閥片應(yīng)力條件，提升氣閥的整體強度。在氣閥閥片適當(dāng)變小的同時，與氣閥閥片配合的彈簧也相應(yīng)減少，可以相應(yīng)的避免氣閥最外側(cè)彈簧的斷裂問題，從而改善氣閥的整體有效性。

除此之外，為了延長該壓縮機閥片的使用壽命，減少閥片磨損，提高其運行的安全系數(shù)，在延長排氣閥片上彈性鋼絲直徑的基礎(chǔ)上，加厚閥片，將閥片厚度增加0.5 mm，以此控制閥片與壓縮機三級氣缸之間的縫隙，防止閥片損壞。在此期間，由于往復(fù)壓縮機三級排氣壓力通常不是很大，氣閥本身的升程一般為1.3～1.83 mm，所以在閥片厚度增加0.5 mm后，氣閥流量不會改變，并且閥片直徑變小的改造對進一步完善氣閥工作性能，減弱氣閥使用過程中的流通阻力意義重大。

4.3 氣閥卸荷叉優(yōu)化改進

為全面解決往復(fù)壓縮機氣閥面臨的故障問題，還重新設(shè)計了該壓縮機的進氣閥卸荷叉爪。優(yōu)化設(shè)計改造前的進氣閥卸荷叉爪的基本結(jié)構(gòu)為一級，在改造后，則將該基本結(jié)構(gòu)調(diào)整為二級結(jié)構(gòu)，如圖3所示。氣閥卸荷叉爪改造為二級結(jié)構(gòu)的目的是為了提升氣閥在壓縮機運行過程中分配荷載的便捷性與均勻性，以便讓氣閥閥片本身的受力更均勻，改善閥片的受力狀態(tài)，降低運行過程中閥片與限制器產(chǎn)生的撞擊力。

另外，在排氣閥打開后，所壓縮的氣體會經(jīng)排氣閥進入下一區(qū)域。在壓縮氣體排出后，壓縮機需要卸載時，如果無法及時將閥片頂開，容易引起“窗式損壞”。因此，在改造氣閥卸荷叉爪時，還應(yīng)該確保氣閥卸荷叉執(zhí)行、控制裝置的穩(wěn)定性，使其能夠在各分程點靈活移動。具體方法為通過卸荷器叉爪結(jié)構(gòu)的改變，使氣閥的外圈所有范圍都包含叉爪結(jié)構(gòu)，隨后利用無極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)高效精確啟閉進、排氣閥，從而縮小進、排氣閥使用時的啟閉時間，確保壓縮機負荷調(diào)節(jié)的有效性與及時性。同時需要注意的是，在改造氣閥卸荷叉抓結(jié)構(gòu)時，還需按照公式△P=ξρ(U2/2)，來計算氣閥的阻力損失，還要計算氣閥卸荷叉爪結(jié)構(gòu)恢復(fù)時所需的彈簧力，以及頂開閥片時卸荷叉爪所受的阻力大小。上述公式中參數(shù)ρ、ξ、U、分別表示往復(fù)壓縮機內(nèi)部氣體的介質(zhì)密度；氣閥內(nèi)氣體流動速度、氣閥卸荷器中的阻尼系數(shù)[4]。

5 結(jié)語

綜上所述，為改善往復(fù)式壓縮機氣閥使用的有效性與平穩(wěn)性，從氣閥閥片材質(zhì)、氣閥閥片尺寸、氣閥閥片與氣閥彈簧的配合、氣閥卸荷叉爪結(jié)構(gòu)以及氣閥卸荷叉爪與無極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的配合等方面進行了優(yōu)化設(shè)計改造，以便更好的解決往復(fù)壓縮機氣閥的故障問題。除此之外，在往復(fù)壓縮機氣閥優(yōu)化設(shè)計改造中，還全面核查氣閥技術(shù)參數(shù)、設(shè)計指標等，同時評估了優(yōu)化設(shè)計改造方案的可行性，保障氣閥整體優(yōu)化設(shè)計改造符合往復(fù)壓縮機穩(wěn)定運行的要求，為企業(yè)增收創(chuàng)效提供技術(shù)與理論支持。