加氢装置往复压缩机气阀故障分析及解决措施

涂家华

（中国石化长岭分公司设备工程部，湖南岳阳 414012）

1 引言

随着经济社会快速发展，技术进步，炼化企业往往会对大型耗能设备进行节能改造，提高经济效益。往复压缩机是炼油化工行业不可或缺的重要设备，特别在加氢装置中，同时往复压缩机也是装置中的耗能大户，增加无级气量调节系统是目前比较成熟且有效的一种节能改造方式。但节能改造同时也伴随着风险，如气阀故障频繁，使用寿命短，既影响往复压缩机流量，又造成效率下降，能耗增加。同时，机组频繁停机维修，增加了检维修成本，也影响了设备安全运行。因此，准确判断气阀失效原因，采取有效措施解决故障问题，保障机组长周期平稳运行，才能达到节能改造最佳效果。

2 故障概况

某炼油厂100万t/a加氢裂化装置新氢压缩机组，沈阳鼓风机厂制造，型号4M125-48/24-117.5-Ⅰ-BX，两级四列对称平衡型，吸气压力2.4 MPa，排气压力为11.75 MPa，吸气温度40 ℃，排气温度121 ℃。2018年新氢压缩机组节能改造，增设无级气量调节系统，气阀为网状气阀，PEEK材质阀片。机组节能改造完成后开机运行3～7天，同一级的两列排气温差增大明显，机组打气量降低，气阀失效频繁，机组多次检修更换气阀。气阀故障现象：每次阀片边沿均有破损，偶尔气阀弹簧有断裂情况。

3 气阀工作原理及结构

3.1 气阀工作原理

以排气阀为例说明，机组活塞压缩气体过程中，当缸内气体力大于排气侧的气体力与气阀全闭时的弹簧力之和时，气阀开启，阀片离开阀座；随着排气过程结束，气阀全开时的弹簧力大于缸内压力与排气侧压力差产生的气体力时，阀片回到阀座，气阀关闭，一个排气过程完成。阀片的运动方程为

2m（dh2/dt2）=Fg-Fs

式中 m——阀片与1/3弹簧的质量和

Fg、Fs——气体力和弹簧力

3.2 气阀结构

气阀作为往复压缩机核心部件之一，工作强度大，工作环境恶劣，被称为“三大易损件”之首；同时，又因其重要的作用和地位，也被称为“压缩机的心脏”。往复压缩机的气阀主要由下列部件组成：

（1）阀座：拥有被启闭元件覆盖的气体通道，并承受工作腔内外的压力差。

（2）启闭元件：交替的开启和关闭阀座通道，控制气体进出工作腔，通常制成片状，故也叫阀片。

（3）升程限制器：也叫阀盖，控制阀片的开启高度，并通常作为弹性元件的支承座。

（4）弹性元件：在气阀关闭时，推动阀片落向阀座；并在开启时抑制阀片对升程限制器的撞击，通常为弹簧或弹簧片。

4 失效原因分析及处理

4.1 失效原因分析

根据气阀使用和解体情况推断，气阀失效原因主要有以下几种：

4.1.1 工艺介质较脏

介质中含有固体杂质和粉尘，堵塞槽道或进入阀片与阀座密封面，阀片在运动过程中侧倾，与阀座、阀盖不平行接触、冲撞，导致阀片受力不均，边沿局部受到较大应力损坏，气阀失效。

4.1.2 阀片质量问题

PEEK阀片在注塑成形时，存在疏松、气孔等质量问题，导致阀片应力集中，在高强度快速运动过程中阀片容易出现破损断裂，使用寿命较短。

4.1.3 气阀设计选型问题

在设计选型时，阀片和弹簧尺寸、厚度、数量等选择不合理，阀片在工作中，在弹簧力和介质气流冲击力下，相对于阀座和阀盖，以非水平状态做往复垂直运动，即阀片在运动中发生侧倾（图1），导致阀片受力不均，边沿受力超过许用应力，阀片外沿破裂失效。

4.2 气阀故障处理

压缩机组气阀失效后，进行多次解体检修。通过对气阀解体和气缸开盖检查，确定工艺介质干净，不含颗粒状杂质，阀片、阀座无腐蚀现象，可以排除工艺介质原因导致阀片损坏失效。

同时使用TA Q100 差示量热扫描仪、TA Q500热失重分析仪、基恩士VHX-5000数码显微镜等设备对故障阀片进行分析检测。

检测结果表明：阀片内部没有发现缩孔，玻璃纤维排布正常；密度测试结果1.54 g/cm3，高于450GL30的标准值；样品结晶度良好（31%）；从DSC曲线（图2） 来看，在气阀正常工作温度区间（105～130 ℃），热力学性能稳定，从而可以判定阀片本身不存在质量问题。

图1 气阀运动过程中阀片侧倾

综合上述，通过机组多次解体检修和气阀阀片质量检测情况可以确定：此次往复机组气阀失效排除工艺条件和阀片质量因素，主要失效原因为气阀设计选型不合理。气阀弹簧力选型设计合理时,阀片在介质压力和弹簧力作用下,气阀缓慢开启和闭合（如图3所示）。如若气阀弹簧力选型设计不合理,气阀运动过程中，在弹簧力和介质气流冲击力共同作用下，阀片两端的压力差无法使阀片保持一段时间的完全开启，阀片频繁做往复开、闭动作,导致受力不均，在气阀内部发生震颤（如图4所示）。同时阀片由于受力不均，在运动中产生侧倾，阀片边沿在阀座与升程限制器之间频繁撞击，最后导致气阀阀片外沿破损，碎片进入气阀致使个别弹簧断裂，气阀泄漏失效。

5 改进措施

5.1 提高阀片耐冲击性能

图2 阀片DSC升温曲线

图3 阀片理想运动时弹簧力

图4 阀片颤振运动时弹簧力

适当增加阀片厚度，提高阀片强度。同时，在保证气阀通流面积足够的前提下，适当降低升程距离，减小阀片与阀座及限制器之间的冲击速度，增加阀片耐冲击性能，提高阀片使用寿命。

5.2 调整阀片受力分布

气阀弹簧的作用是保证阀片有合理的运动规律，使阀片运动时快速开启和及时关闭，且能控制阀片与阀座和升程限制器的撞击速度不会过高。弹簧偏少和总弹簧力偏大会导致气阀颤振运动。重新核算，选择恰当气阀总弹簧力，同时适当增加弹簧数量，使弹簧力更加均匀分配到阀片上。选择单个较小弹簧力的弹簧，自身应力幅也相应降低，提高了弹簧安全系数。通过对阀片受力重新调整，使气阀阀片在运行中更加稳定，降低产生侧倾的可能，保障气阀正常运行。

通过从以上两方面对气阀结构进行有针对性的改造，气阀的使用寿命相比改造前有了明显提高，保障了机组长周期平稳运行。

6 结语

本文从生产工艺、产品质量和设计选型三方面综合分析气阀失效原因。根据阀片破损的故障现象，分析总结了气阀阀片厚度、弹簧数量、升程大小等因素对气阀阀片运动的影响，为压缩机气阀失效判断提供了一个分析方向，且对往复压缩机气阀的设计选型提供了较好的借鉴，有效地降的低了机组故障率，提高了运行稳定性。