压缩机气阀阀片断裂原因分析及改进

潘 强 马晓伟 胡建忠 刘 福

（中石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆 克拉玛依市 834000）

压缩机气阀阀片断裂原因分析及改进

潘 强 马晓伟 胡建忠 刘 福

（中石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆 克拉玛依市 834000）

针对克拉玛依石化公司某加氢改质装置新氢压缩机运行过程中发生的多起气阀阀片断裂问题进行了原因分析，通过对阀片断裂过程、表征现象及机组的运行参数、工艺参数等进行分析，发现造成阀片关闭时撞击过速进而在阀片最薄弱的边缘位置发生断裂。在此基础上进行阀片结构设计改进，有效地解决了气阀阀片频繁断裂问题。最后总结出了气阀阀片断裂时的5个表征现象，为今后同类装置处理类似问题提供借鉴和参照。

新氢压缩机；排气阀；阀片断裂；设计改进

克拉玛依石化公司某加氢改质装置设置2台新氢压缩机组K-3101/AB，是装置生产运行的核心设备，运行条件一开一备,采用三列三级压缩，其作用是保证系统氢气压力，参与加氢反应。该机组于2012年4月投入运行，K-3101/A机采用HydroCOM无级气量调节作为装置运行的主机组，K-3101/B机作为备用机运行。2013年8～9月份，由于K-3101/A机一级缸严重异响，进行多方原因排查未果后，K-3101/B机成为主力机运行。K-3101/B机运行后，近一年内陆续发生5次排气阀阀片断裂，同时K-3101/A机也发生了2次排气阀阀片断裂问题。

为此，对阀片断裂过程、断裂表征现象及当时压缩机的运行参数、工艺参数等进行了详细分析，通过对比机组工艺运行参数和气阀原始设计参数发现气阀原始设计工况和实际运行工况介质组分H2含量发生了变化，由于H2分子量小，H2含量的少许变化将造成介质气体摩尔分子量的成倍变化，使气阀运行时阀片的运动参数偏离原始设计，气阀延迟关闭，造成阀片关闭时撞击过速进而导致阀片最薄弱的边缘位置断裂，在此基础上对阀片结构进行设计改进，最后总结出了气阀阀片断裂时的5个表征现象，有效地指导各级管理、操作人员在第一时间内判断出阀片断裂问题，及时处理，为今后同类装置处理类似问题提供借鉴和参照。

一、故障概况

2014年8月23日K-3101/B机组运行时DCS画面趋势显示一级缸排气压力由3.85MPa上升到4.05MPa、排气温度由85℃上升到95℃，二级排气温度略有下降，其余各级排气温度、压力正常，如图1和2所示。现场实测二级盖侧排气阀阀盖温度100℃，轴侧排气阀阀盖温度90℃，二者温差达到10℃，机组紧急停机，拆检盖侧排气阀，发现阀片边缘对称位置有2处断裂。

图1 各级进排气温度趋势图

图2 各级进排气压力趋势图

同时查看2013年至2014年检修记录发现，自2013年11月K-3101/B机作为主力机运行后陆续发生过5次排气阀阀片断裂故障，断裂时间分别为2013年11月18日、2013年12月26日、2014年1月21日、2014年8月11日、2014年8月23日，气阀平均使用寿命严重不足。根据现场拆检情况来看，这5次阀片断裂的位置，均发生于二级缸盖侧排气阀边缘对称位置，如图3所示。

图3 K-3101/B机排气阀阀片断裂部位

2014年12月22日，K-3101/A机组运行时DCS显示三级缸排气温度突然由90℃跳升至98℃，HydroCOM无级气量调节三级手操器负荷器从81%自动增加至95%，现场实测盖侧排气阀阀盖温度95℃，轴侧排气阀阀盖温度85℃，二者温差达到10℃，紧急停机后拆检发现盖侧排气阀阀片圆周边缘断裂一块，如图4所示。对气阀进行了更换，23日开机后发现三级缸排气温度为97℃，仍然偏高，此时一级缸排气温度81℃，二级缸排气温度为88℃，并且现场实测K-3101/A三级缸盖侧排气阀阀盖温度90℃，轴侧排气阀阀盖温度80℃，说明此阀仍然存在泄漏，31日停机后拆检发现盖侧排气阀阀片圆周边缘断裂2处，如图5所示。

图4 K-3101/A机12月22日排气阀阀片断裂部位

图5 K-3101/A机12月31日排气阀阀片断裂部位

综上所述，K-3101/AB机组运行一年时间内，排气阀阀片先后发生了7次断裂，断裂位置均位于阀片边缘，说明阀片断裂问题绝非偶然现象，需要深入分析原因。

二、原因分析

1.阀片断裂表征现象原因分析

针对K-3101/B机，由于二级盖侧排气阀阀片断裂后被压缩后的高温气体不能被完全排出，通过气阀内漏回流的方式又返回到气缸内，造成盖侧排气阀阀盖温度偏高。由于二级气阀泄漏后排气效率降低，造成一级出口压力憋压偏高，一级压缩比增大，一级缸排气温度上升。一级出口压力增大导致二级入口压力随之增大，二级压缩比减小，所以二级排气温度会略有下降。

针对K-3101/A机,用上述同样的方法可以分析出三级盖侧排气阀阀片断裂后排气温度和盖侧排气阀阀盖温度偏高原因。不同之处在于K-3101/A机组采用HydroCOM无级气量调节，各级出口压力要维持设定值不变时只能通过三级负荷手操器自动加载负荷来实现。

以上很好地解释了K-3101/AB机气阀阀片断裂时出现的各种表征现象的原因，为压缩机气阀阀片断裂判断积累了宝贵经验。

2.阀片断裂原因分析

该机组每个气缸均设置上、下两个注油点，各点注油量如下（滴/min）：一级上20、下12；二级上11、下15；三级上4、下17～18。拆检的故障气阀内外表面油膜分布正常，根据注油量和气阀拆检情况来看，二级气缸注油量是正常的。查看压缩机温度、压力等运行参数稳定，因此排除压缩机操作因素造成气阀阀片断裂。

从阀片断裂总是固定发生于二级盖侧排气阀来看，问题可能由于系统因素，而不是某些偶然因素造成，因此可以排除气阀批次质量等偶然因素造成气阀故障。

重新审核二级气阀原始设计数据，排气阀主要参数，如阀片开启关闭时的撞击速度、弹簧力、阀片关闭角等均在正常范围。阀片正、反面与阀座、阀盖的撞击痕迹均比较轻微（见图6和7），表明气阀工作时，无论是开启还是关闭，撞击速度均正常，阀片断裂不是设计因素造成。

图6 阀片开启撞击痕迹（与阀盖）

图7 阀片关闭撞击痕迹（与阀座）

压缩机介质H2是由制氢装置生产的高纯度氢和一部分重整装置生产的重整氢混合而成，实际H2含量在一定范围内变化。从故障前后压缩机介质组份的分析结果可知，介质氢含量在92.456%～98.477%之间变化，如图8中的氢气组分变化所示，根据车间工艺卡片要求，装置新氢H2含量只需大于92%就满足工艺要求，对比气阀原始设计工况和实际运行工况，压缩机实际运行参数接近原始设计参数，唯一变化明显的是介质气体的摩尔分子量，设计介质组份为：H2：98.92%、CH4：1.039%、C6H14：0.041%，摩尔分子量为2.19g/mol，而2014年8月12日的介质组份，摩尔分子量达到5.55g/ mol，变化超过一倍。

图8 8月氢气组分变化图

分别用H2含量98.48%、95.36%、92.46%的介质组份校核各级气阀主要的设计参数，发现二级盖侧排气阀片撞击速度分别为最大允许撞击速度的92.7%、93.5%、95.4%，阀片关闭时的撞击速度，随摩尔分子量的增加而逐渐增大；同时，关闭弹簧力则随摩尔分子量增加而变得越来越弱；更严重的是当介质气体中H2含量从98.48%向92.46%变化时，二级盖侧排气阀模拟运行时的关闭角越来越大，并有二次关闭的情况，二次关闭的关闭角均超过180°，气阀实际延迟关闭；二级轴侧排气阀上述参数则正常（轴、盖侧排气阀的差异，主要由于轴侧气缸有活塞杆的影响）。

综上所述分析认为，造成二级盖侧排气阀阀片连续断裂的主要原因是介质组份中H2含量的变化，由于H2分子量小，H2含量的少许变化，造成介质气体摩尔分子量成倍变化，该变化使气阀运行时，阀片的运动参数偏离原始设计，气阀有延迟关闭的倾向，进而造成阀片关闭时撞击过速在阀片最薄弱的边缘位置发生断裂。

三、处理建议及改进措施

为了尽可能的利用原阀，方便现场工作和实施，试图通过改变弹簧力的方式调整气阀，以适应现场实际工况，但由于选择合适的弹簧与之匹配较为困难，因此只能通过改变弹簧数量来微调，但改变弹簧数量，实际上已不能利用原阀，因此建议采用改变阀型的措施，以适应现场实际工况（图9）。

查阅相关气阀设计技术资料，认为采用CS型非金属网状阀替换原阀可以实现。CS型气阀是一款成熟阀型，在石化、炼油、天然气、空分等众多领域广泛应用，并有良好的应用效果记录。其特点如下：

（1）选用PEEK材料阀片（与原阀片材料一致），抗冲击性能强；（2）该阀型槽道宽、通流性好，阀损低；（3）相对于同尺寸的其它阀型，CS气阀弹簧数量多，布置均匀，保证阀片平稳开启和关闭；（4）利用计算机模拟气阀的运动，可精确设置合理的弹簧力，尤其对介质组分变化有更宽的适应范围。

图9 CS非金属网状阀的结构简图

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1671-0711（2016）06-0080-03