往复式压缩机气阀故障分析及解决措施

韩红亮

陕西延长石油（集团）有限责任公司延安石油化工厂 陕西 延安 727406

在化工装置生产工序中，增压回收作为较为关键的环节，是化工装置连续平稳运行的重要条件。对压缩机进行有效的运维管理，有效减少压缩机发生故障问题，增加压缩设备的运行周期，使其处于安全、高性能、强稳定的工况状态，成为设备管理的侧重方向。在压缩机中功能较为集中的零部件是气阀，同样是故障问题高频出现的零部件，对其进行故障分析与性能维护，具有较高的研究价值。

1 往复式压缩机的气阀的结构和故障原理

1.1 气阀的主要结构

往复式压缩机气阀最常见的结构为环形阀。在各种气阀中，环形阀具有较大的优点，这是环形阀被广泛使用的主要原因之一。据相关调查能够得知，国内许多化工企业往复式压缩机采用环形阀有两个主要原因。一是环形阀结构比较简单，应用后能够相应的简化后续维护维修工作；二是环形阀稳定性较高，可以较好的满足往复式压缩机运行需求。

1.2 气阀故障原理

往复式压缩机的工作原理是通过改变气缸体积变化来控制阀门。完整的工作周期包括四个基本过程：扩展、接纳、压缩和疏散。

（1）充气时，气缸体积随活塞运动而增大，气缸内压力减小，气缸内外压力差增大。

（2）当缸内外压力差足以克服弹簧强度时，进气阀阀片离开阀座，直至阀片接触升限时，进气阀完全打开，缸开始吸收空气。

（3）活塞接近死点位置时，气流推力降低，进气阀阀阀片从升降限降到阀座。活塞开始向后移动，圆柱体中的压力增大，压缩过程开始。

（4）当排气阀筒与腔压力差超过弹簧强度时，排气阀阀片离开阀座，直至阀片接触升降极限时，阀完全打开，缸开始排出空气。压缩机运行时，气阀板将与气阀座和升降限制器碰撞，高压缸内的阀将被高温气体腐蚀。在阀片长期冲击、气体腐蚀和高温的影响下，气阀容易发生泄漏或疲劳断裂等问题。

2 往复式压缩机气阀故障成因分析

2.1 介质因素

长输管线表面含有多种类型的杂质，比如焊渣、颗粒等如图1所示。与此同时，长输管线在长时间运行情况下，由于输气管线产生的腐蚀作用，引起管输介质生成多种类型的杂质。气体在输入气阀时，分离器给出的分离效果不理想，无法有效分割各类杂质。多种类型的杂质输入压缩设备，对气阀阀片形成了冲击作用，引起阀片发生坑蚀现象，甚至发生阀片结构断裂问题，增加了气阀表面的磨损程度，形成气阀质量损坏问题。

图1 管线表面杂质

2.2 人为因素

（1）气阀组装操作时，对螺栓进行拧紧处理，存在力矩不规范问题。如果拧紧力矩较小，将会引发气阀发生泄漏事件。如果拧紧力矩较大，会发生力矩大于螺栓允许应力的情况，造成螺栓发生形变、断裂等问题，降低了气阀的寿命周期。

（2）气阀装设位置不合理。在气阀装设时，保持气压阀罩、气阀两者处于紧密状态。阀盖拧紧后，依据力矩规范进行螺柱与螺母的紧固处理，确保阀盖处于压紧状态。拧紧力不足时，会引起气阀压紧效果不佳，此时气阀会在阀窝空间内发生窜动现象，造成漏气、阀盖紧固性不足等问题，甚至会引起阀盖发生断裂问题。如果拧紧力较大，将会在较大载荷作用下，引起气阀、压圈等零部件发生质量损坏问题。

2.3 故障分析

2.3.1 阀片

阀片故障问题，是在压缩机启动期间，对阀片形成的磨损，同时存在设备自身性能不足因素。如果阀片发生性能损坏时，并未获得有效的更换处理，将会增加阀片腐蚀程度。

2.3.2 弹簧

在设计规划气阀结构时，需要加强弹簧磨损问题考量，选择更具耐磨性的材料，减少磨损问题如图2所示。在实践弹簧使用时，引起弹簧磨损的主要原因有：阀门作用，弹簧材质特点。

图2 气阀弹簧

2.3.3 漏气

漏气问题会形成压缩机运行成本，降低气体输送的有效性。漏气故障的主要成因是：在气阀阀座、压缩设备整体密封效果欠佳的情况下，阀片与弹簧质量受到了损坏，会增加压缩机漏气的发生次数。

3 往复式压缩机气阀故障解决对策

3.1 加强气阀介质处理

（1）对压缩机进行气阀结构设计时，需要合理掌握气阀运行工况特点、周边运行情况、参数校准方式，为后期性能检测给出依据，确保气阀结构设计合理、材质选择正确，有效复核气阀性能，使其符合现场参数要求，针对不合理问题给予有效修正处理，依据新资料给予有效设计。

（2）有效处理介质。介质在输入前期，需要保持介质的高度纯净、较稳定状态，以减少介质带来的性能干扰。比如维持供气压力的平稳性，减少介质波动问题；装设使用具有较强分离性的装置，分离器、过滤器等；阶段周期内依据介质差压情况，进行过滤器滤芯的清洁与更换处理，及时完成污秽排除，减少杂质，提升介质工作性能。

3.2 有效落实运维工作

在装配前期合理开展清洁工作，有效清洁阀座、阀盖等位置。在进行配件性能检测时，有效检查阀座密封性，查看阀片、缓冲片等性能情况。如果存在密封性欠佳问题，需要及时进行研磨处理，或者采取零部件更换措施。在更换阀片时，需要对缓冲片与弹簧进行协同更换处理。在装载弹簧、阀片等部件时，需要进行阀片试用，采取若干次按压方式，测定阀片使用的灵活性。在测定使用时，应排查运行卡组与位置偏差问题。在紧固气阀操作中，严格依据扭矩操作规范，加强阀座、阀盖紧固性，减少相对转动问题，合理防控阀片与缓冲片发生位置偏差问题。在组装完成后，开展气密性检测，测定气阀使用性能的达标性。

3.3 引入先进的气阀故障预测技术

（1）对气阀开展性能诊断时，主要是应用信号检测设备，测定压缩机的运行情况，判断其运行时形成的阀片冲击作用、漏气等现象，间接推断气阀可能存在的故障问题。

（2）在压缩机结构中加装故障检测设备，比如预警类、警报类等。借助预警装置，结合压缩机实际运行时气阀运转各项参数，比如热力值、气量、压力脉动的浮动情况，测定气阀故障问题。

3.4 阀片运行资料分析

现阶段国内石化企业在生产环节中使用的压缩机，极易发生阀片性能损坏问题如图3所示，引发气阀故障问题。对于阀片故障问题的预防方法是：阶段性进行阀片位置校核形式，以此回避气阀故障问题。压缩机在生产运行期间，主要是借助弹簧、阀片的实际运动，有效控制气体，阀片性能受损，对于整个压缩机运行的密闭性形成威胁。机械设备的运行时，是依据特定物理客观属性、运动特征等因素进行。

图3 阀片断裂

因此，在预防阀片性能损坏问题，需要在压缩机运行时，动态测定阀片工况，对其工况资料加以有效分析与测评，判断可能存在的故障问题。借助工况分析方式，以此合理减少气阀故障的发生次数，加强控制弹簧产生的前期压缩量。由图3可知，在气阀元件组成中，升级限制器的添加，用于控制阀片升程。弹簧是用于控制气体的关键元件。在阀片性能损坏时，对弹簧作用形成影响。因此，日常运维工作中，需要加强阀片位置核定，合理控制弹簧刚度、阀片升程各项参数。

3.5 提升气阀结构优化性

在设计气阀结构时，旨在全面保障压缩机运行状态的平稳性，确保结构设计合理性，有效防控气阀故障问题。在压缩机启动运作时，阀片、弹簧两个组件，会在运动作用下，形成气体流动效果，转化成冲击力。在压缩机运行时，阀片与弹簧会在气体冲击条件下发生性能损坏，损坏问题发生次数较高。因此，在气阀结构设计时，设计人员对于阀片、弹簧两个组件，需要加强参数与标准设定。一般情况下，气阀结构最优性的设计方法，是回避气阀故障问题的主要路径，能够合理控制阀片运行的高度。高度控制方式，能够减轻气体冲击作用，控制气体对弹簧与阀片的作用强度。

在防控阀片磨损问题时，能够适当增加压缩设备的使用周期。然而，在阀片运行高度控制时，可能会引起气流阻力增加问题，此时压缩机无法有效控制气流阻力。因此，在阀片高度优化控制时，需要增加阀座通道设计，添加缓冲片，以此确保阀片运行能力，减少故障问题发生。

3.6 其他措施

（1）提高设计能力。压缩机阀门的设计要在充分掌握阀门的使用条件、现场条件、参数要求和后续情况的前提下，合理安排阀门的结构和材料，及时纠正不合理的设计，并根据新数据进行重新设计。

（2）优化制造生产工艺，设定规范生产标准，确保压缩机运行性能。以气阀为起点，制定生产规范，使其性能达标。同时还需要加强各类元件原材料选用，减少腐蚀、松动、磨损等质量问题，从根本上防控气阀故障问题。

（3）保持介质进入前的纯度和稳定性，例如保持空气压力和减少波动；添加更好的分离器或过滤器，定期更换或清洁过滤器滤芯，或根据介质的差压负荷及时排放污水，去除液体和固体并发症，提高介质的纯度。

（4）定期预防性维护。设备在使用过程中必须严格按照维护规程进行维护。日常操作中，应仔细检查并详细记录压缩机参数。如果发现异常，则应及时报告和解决。

3.7 气阀高频故障实例分析

3.7.1 故障现象

某单位机组高频数发生不少于30次排气温度骤然升高的故障问题。以单次故障资料为例：控制单元排气位置的初始温度为100℃，在15min内骤然升高15℃，其余位置温度并无明显变化。设备运维人员在现场进行故障排查，经测定发现：有2组排气阀外观结构温度达到125℃，其余气阀温度无异常表现，并无活塞、运行部件损坏情况。

3.7.2 故障成因

此组故障气阀安装于2017年，安装后处于满负荷运行状态，排气故障发生次数较高。同时，在运行30天时发生活塞严重磨损问题。

（1）排气阀性能不足分析。在高温高压工况下，气流运输通道中发生结焦问题，结焦引起阀片启停操作受阻，加之边沿区存在严重撞击问题，形成气阀性能受阻，引起气温骤然升高的现象。

（2）工艺分析。氢气含量占比达到93%，在装置功能扩充后，油气分离效果欠佳，引起氢气混入压缩机内部，提升气阀排出位置的温度。

3.7.3 处理方法

（1）对压缩机入口位置进行性能修复处理，使其温度维持在30℃左右，减少输气管路发生凝液问题。此种处理方法，故障消除效果不理想。

（2）对机组缸头、缸座等位置进行结构优化，调整气缸间隙，合理控制机组运行时形成活塞压力的最大值，同时进行油路与管线设计，减少油路与氢气相混问题。此种处理方法，能够有效应对温度骤然升高故障问题。经实践发现：机组持续运行2个月，各项参数无异常表现，故障问题获得有效解决。

4 结束语

综上所述，往复式压缩机气阀出现故障时，对于压缩机整体运行形成了较大威胁。因此，在设备管理的日常工作中，工作人员需要从巡检、操作、运维、故障检测、故障消除等各环节中，加强工作部署与执行，确保压缩机处于平稳的运行工况，顺应安全生产需求，减少故障问题发生。经实践发现：规范性检修流程、标准的操作管理、阶段性的运维养护，能够有效延长气阀运行周期。