天然气压缩机气阀改造

2016-01-18郭元德,刘博,刘鑫伟

船海工程 2015年5期

天然气压缩机气阀改造

郭元德，刘博，刘鑫伟

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

摘要：针对天然气压缩机气阀出现使用寿命短，阀片容易断裂,特别是每次更换气阀不但影响设备运行时率，同时影响油气田产量的问题，以往复压缩机气阀工作原理为基础,根椐往复式压缩机气阀阀片的失效形式,分析阀片材料、气阀设计及气阀运行环境等因素对气阀寿命的影响,通过ITKK-气阀设计工具软件及技术文件数据库,分析疲劳的形成和发展过程,结合现场实际情况,提出提高气阀使用寿命的途径。

关键词：气阀；液击；倾侧；弹簧力；液体粘滞

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.012

中图分类号：U664.5

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2015)05-0039-04

收稿日期：2015-07-30

作者简介：第一郭元德(1973-),男,硕士,助理工程师

Abstract:In the natural gas compressor, the service life of the valve is usually short as the valve disc is easy to be broken. Replacing the valve affects not only the operation rate of equipment, but also the oil and gas production. Based on the working principle of the air valve of the reciprocating compressor, the damage forms of the valve disc are considered to analyze the influences of materials, design and operating environment of the valve upon the service life of valves. The ITKK-valve design software and technical documents database are used to analyze the formation and development of fatigue. Combined with the actual situation, the ways to improve the service life of the valve are put forward.

修回日期：2015-09-01

资助项目：工信部项目(E-J215A012)

研究方向:机械设计制造及其自动化

E-mail:guoyd2@cnooc.com.cn

往复式压缩机主要应用于石油化工等领域,气阀是往复压缩机组中最为关键的组件之一,也是最容易损坏的部件，其好坏直接影响到压缩机组运行的好坏。压缩机组的运行可靠性和经济性都与气阀的设计(选型)好坏有关。某平台两台COOPER RAM52压缩机及一台国产M-30/3-27型压缩机编号分别为A、B、D,普遍存在着使用寿命短，阀片容易断裂等问题。针对此问题,对往复式压缩机气阀阀片的损坏原因进行分析,提出解决方案[1]。

1现场情况

1.1基本情况

某平台两台COOPER RAM52压缩机及一台M-30/3-27型压缩机使用参数见表1、2。

表1　COOPER RAM52运行参数

1.2气阀故障情况

问题主要集中在A、B机的一级排气阀及D机的二级排气阀。根据平台维修记录显示，A、B机一级排气阀使用寿命为1～2个月，特别是气缸盖侧，有时仅运行几天就因损坏而更换。此外，一级进气阀的使用平均寿命为3～4个月。

表2　M-30/3-27运行参数

依据D机维修记录，从压缩机投用到气阀换型前，几乎每个月都有二级排气阀损坏更换记录，损坏的二级排气阀在压缩机上的分布没有固定位置，呈现随机分布特点[2-3]。

气阀故障原因均由于阀片断裂，断裂均发生在阀片边缘，且破损比较严重。这些特点显示，气阀运行时，在开启、关闭的过程中，可能存在严重侧倾现象。见图1。

图1　阀片倾侧造成的冲击

2故障原因分析

气阀阀片断裂主要由三方面原因造成。

2.1阀片材料因素

同一台压缩机上的各级气阀，其阀片的材质和力学性能都比较接近，而同一压缩机同一级上的进、排气阀阀片是完全相同。如果是材料原因造成阀片断裂，同一台压缩机同一级上的进、排气阀出现的概率应该是一样，或者接近。现场阀片断裂，主要集中在A、B机一级排气阀、D机二级排气阀。因此，断裂是阀片自身材料因素的可能性比较小，但不能完全排除[4-5]。

2.2气阀设计因素

利用ITKK软件对气阀设计进行重新校核、计算。校核计算结果显示，两种机型的各级气阀，阀片理论冲击速度，均在允许范围内。以故障集中的A、B机一级排气阀，D机二级排气阀为例，故障集中的RAM52机一级排气阀，阀片开启、关闭时的撞击速度，是阀片最大允许撞击速度的83.4%～85.4%，M-30/3-27机二级排气阀阀片的撞击速度，则仅有阀片最大允许撞击速度的43.9%～45.5%。上述数据都是在气阀理想工作条件，也就是介质气体不含液的条件下的计算结果，如果实际介质气体中带液、或气缸注油偏多。液或油的粘滞作用可能导致阀片非正常延迟关闭，撞击速度会有所上升；在气体中还有轻烃类气体的情况下，利用ITKK软件重新对各级气阀在计算机上做运行模拟，同样以故障集中的A、B机一级排气阀，D机二级排气阀为例，参见图2、3，图中阀片运动模拟曲线显示：气阀关闭角度接近曲轴转角的180°，关闭弹簧力配置偏弱。

图2　RAM52一级排气阀运行模拟

图3　M-30/3-27二级排气阀运行模拟

2.3气阀运行环境因素(或称现场因素)

从压缩机系统设置情况分析，天然气在进入一级气缸压缩前，先经过一级洗涤罐气液分离，一级压缩后，进入二级冷却器、二级洗涤罐，再次对天然气进行气液分离，然后经二级气缸压缩后外输。虽然洗涤罐设置有自动排液装置，但洗涤罐上的液位计、以及液位变送器均显示洗涤罐中仍存在积液(控制系统设计积液不能完全放空)，说明气体中有气化的液态成分存在。介质气体中夹带有液态成分，液体成分来自天然气中的气态烃、高碳烃在压缩、冷却作用下的凝结产物，自于注入气缸的润滑油。压缩工质有一定的湿度,分离不净的高碳烃气体和压缩气体经冷却器后析出的水分混合在气体中,当随气体流过气阀时,有一部分贴附在阀座密封口处,使阀片和升程限制器等零件表面形成液膜,液膜所产生的附着力阻碍阀片的运动,引起阀片滞后开启或关闭,增大了气流顶推力,当油水含量愈多,附着力愈大,对阀片的运动规律影响也愈大,严重影响气阀阀片的使用寿命。由于液体成分要通过排气阀排出，液体的粘滞作用对排气阀的影响远大于对进气阀的影响[6-8]。

液体粘滞作用对气阀造成不良影响主要体现在以下几方面。

1)冲击：由于液体的可压缩性差，阀片开关过程对气阀可靠性的损害主要表现在黏性会抑制气阀的打开,导致在气体压力大于粘着力时,阀片猛然打开,这不仅容易损坏阀片,同时还容易损坏气阀弹簧。

2)倾侧：由于液体的粘滞作用，使气阀阀片在开启、关闭时，存在倾侧，造成阀片边缘产生严重冲击。

3)延迟关闭：液体特别是油基物质的粘滞作用，使关闭弹簧力配置偏弱的A、B机一级排气阀，D机二级排气阀延迟关闭。阀片在弹簧力和反向气流的共同作用下关闭，使冲击速度大大提高，造成折断。

3解决方案

根据气阀的失效形式和以上分析的损坏原因,气阀的使用寿命和许多因素有关,对于压缩机的气阀,既要考虑压缩机的可靠性,又要考虑到机器的经济性,要求气阀有足够长的使用寿命,又要力求气阀阻力损失小,因此要提高气阀的使用寿命,必须根据具体情况,具体分析,结合海上平台空间有限，对天然气的处理能力受到制约，天然气中夹带的气态轻烃、水分不能完全去除的工况和特点,提高气阀使用寿命,只能改变气阀形式，适应现场生产环境需要。通过以下几方面提高气阀的抗液击能力[9-10]。

3.1选用抗粘滞能力强的CT阀型

CT型气阀的特点是关闭弹簧布置在气阀外圈，见图4。