往复式压缩机气阀频繁故障原因分析

2021-06-10潘鑫安元华赵元林王淑国

中国设备工程 2021年10期

关键词：阀片往复式阀座

潘鑫，安元华，赵元林，王淑国

（1.渤海钻探工程有限公司油气合作开发分公司，天津 300280；2.渤海钻探工程技术研究院，天津 300357；3.渤海钻探钻井技术服务公司，天津 300280）

1 往复式压缩机概述

现如今压缩机广泛应用于石油能源行业、炼油厂以及化工厂重工业生产过程中，是一种将气体压缩用来提高气体压强的机械。随着科学研究的进步，压缩机也分为容积式和速度式两大类。往复式压缩机就属于容积式压缩机的一种。

1.1 往复式压缩机结构组成

曲柄连杆结构是往复式压缩机最为重要的运动机构，电机在电能的驱动下带动曲柄的一段进行旋转运动。并通过连杆运动由此带动活塞往复运动实现对空气的压缩。图1是往复式压缩机布置简图。

往复式压缩机主要由基本部分、气缸部分和辅助部分3部分组成，下面对这3部分进行详细介绍：（1）基本部分：主要由机身、曲轴、连杆等构成。这一部分主要起到传递动力的作用，主要构成了往复式压缩机的主体使得气缸与压缩机连接起来。（2）气缸部分：主要由气缸、活塞以及排气创智等部件构成，气缸部分的主要作用是提供压缩气体的环境和防止气体泄漏。（3）辅助部分：主要包括气液相冷却器、缓冲器、液气分离器以及安全阀等辅助装置。其目的是为了保证往复式压缩机长时间安全运行。

1.2 往复式压缩机的分类

往复式压缩机往往通过气缸中心线相对位置、压缩机用途和气缸内作用3种方式进行分类。按照气缸中心线相对位置分类往复式压缩机可分为立式压缩机、卧式压缩机、角度压缩机和对称压缩机。通过用途可以分为动力用、工艺用、气体分离用以及气体输送四种往复式压缩机类型。最后按照气缸内作用分为单作用、双作用以及级差式3种类型。

2 气阀结构及工作原理

气阀安装设计是否合理直接影响到压缩机在运行过程中的效率。一般来说安装设计良好的气阀在通过流体时阻力损失仅是压缩机轴功率的5%左右，而对于安装或设计出现问题的气阀阻力损失会达到15%～20%。因此气阀关系到压缩机运行过程中能否正常工作对压缩机的性能具备极大影响。

图1 往复式压缩机布置简图

在往复式压缩机的设计过程中，不同型号的压缩机使用各种气阀主要有环状气阀、网状气阀以及条状气阀等。在我过主要在压缩机上应用环装气阀，因为它具备生产成本低、制造简单、可靠性高和安全性好等优势，故本文以环状气阀为介绍对象进行说明。

2.1 气阀结构及组成

气阀主要由阀座、阀片、弹性元件和升程限制器四部分组成：（1）阀座：在阀门内作为阀门的最大流通直径，用于支撑阀芯全关位置并承受气缸内外压差。（2）阀片：它是开启与关闭进气通道一般被称为起闭原件。（3）弹性元件：材料是弹簧，该元件是气阀开启与关闭过程的核心作用部件之一，其最重要的缓冲效果避免了升程限制器的损坏。（4）升程限制器：在压缩机内用来控制阀片的变换高度的零件。

2.2 气阀工作原理

压缩机中气阀的进气与出气从计算方法和原理上看都是一样的，气阀的起闭都是由于气阀阀壁和气缸工作壁每时每刻的压差变化而导致的。在进气过程中，当压缩气体时由于气体推理大于弹簧力时气阀打开；在进气过程结束后，气流推力相对于弹簧的作用力较小时，阀门关闭阀片重新回到阀座。因此整个循环过程中阀片的运动方程为：

式中，m代表阀片与1/3弹簧的质量和；Fg、Fs为气体力和弹簧力。

3 气阀故障常见原因与失效形式

3.1 气阀常见故障原因

在往复式压缩机对气体进行循环往复的压缩过程中，构成气阀的阀座、阀片、弹性元件的3个主要部分中阀片在弹性元件和气流推力的作用下进行由静止到运动再到静止的状态。因此不可避免的气阀内部构件组成将产生机械碰撞，处于种高频率的碰撞下气阀内部产生机械损耗是必然的。同时阀片和弹簧作为气阀内结构构造最易受到损坏的部件，下面将对两部件的失效形式进行说明。

3.2 气阀失效形式

径向磨损和裂纹是阀片部件最常出现的两种损坏形式，这是由于阀片在往复式压缩机运行过程中不间断运动所导致的。阀片在运行过程中磨损以后会导致气阀有轻微的漏气现象，这是一种轻微故障的表现，它可能会导致气缸内压力所测得数值与正常工况产生微小差异。另一种故障状况是阀片表面由于机械碰撞产生裂纹，这种状况下会导致气阀严重漏气甚至会降低整体设备的刚度。因此一旦出现该故障就应立刻对设备进行检修以免造成人员伤亡和更大的和经济损失。这两种失效形式都体现在阀片上，一般来说只需要对阀片进行更换就可以解决。

弹簧断裂作为气阀另一种主要的失效形式，在往复式压缩机运行过程中弹簧起到对气流推动的阀片缓冲的作用。因此弹簧的断裂失效往往分为两个阶段性过程，首先是弹簧由于长时间疲劳工作受到损坏不能正常的达到对阀片进行缓冲的功能。同时这还会导致阀片由于失去部分弹簧缓冲而导致气阀的整体结构的损坏和阀片产生裂痕；其次当气阀中的弹簧完全断裂时就会出现气阀内各组分构件的机械碰撞逐渐增大这将很快导致阀片破裂以及气阀部分的整个损坏。

4 往复式压缩机气阀故障的改善措施

4.1 对阀片运动规律进行校核

针对于往复式压缩机正常工作过程中其活塞的运动规律应正好对应气阀的开启和关闭规律。倘若气阀的开启和关闭不与活塞的运动相互匹配，工作人员应通过对弹性元件、气阀厚度以及压缩机轴功率等对阀片进行调整。

4.2 调整弹簧力

合理的提高弹簧力可以有效增加弹簧的使用寿命，因此对于弹簧元件一般应选用刚性弹簧。这样有利于提高弹簧对阀片的缓冲力，同时对于大功率压缩机应选用尽量粗的刚性弹簧。并应减少弹簧的形变长度，这样可以有效提高弹簧的耐疲劳强度提高弹簧寿命。

4.3 改变气阀结构

对于转速较高的压缩机，为了提高气阀耐用期，需采用较小的阀片开启高度，这样可以减小阀片的撞击速度，确保气阀及时关闭，改善气阀的运动频率特性。阀片开启高度降低后，气阀的流通缝隙面积将减小，气流阻力增大，补偿的方法是增加阀座的通道数、采用多环窄通道气阀。这样既可增大气流在阀隙中流通的面积，又可改善阀片的受力状态。