往復(fù)式壓縮機(jī)排氣閥片斷裂原因分析

（中國石油蘭州石化設(shè)備維修公司，甘肅 蘭州 730060）

往復(fù)式壓縮機(jī)排氣閥片斷裂原因分析

章曉劍，宋 彬，王星聯(lián)，郭曉軍，何林林

（中國石油蘭州石化設(shè)備維修公司，甘肅 蘭州 730060）

針對(duì)2HA/2往復(fù)式壓縮機(jī)一級(jí)排氣閥片斷裂事故，對(duì)閥片顯微硬度、斷口及其表面成分進(jìn)行了分析和測(cè)試。為應(yīng)用PEEK閥片提供了理論依據(jù)。

往復(fù)式壓縮機(jī)；閥片；材料失效；脆性沿晶斷裂

蘭州石化公司煉油廠40萬t/a航煤加氫裝置是在1995年建成投產(chǎn)的15萬t/a柴油加氫裝置基礎(chǔ)上于2000年改建而成的。裝置上新氫壓縮機(jī)采用意大利公司生產(chǎn)的2HA/2型雙列對(duì)動(dòng)式往復(fù)壓縮機(jī)。設(shè)計(jì)入口壓力為0．8MPa，出口壓力為8．4MPa，流量為50m3/min，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速740r/min、功率335kW。

一、故障概述

壓縮機(jī)自運(yùn)行以來，氣閥故障經(jīng)常發(fā)生，主要表現(xiàn)為排氣溫度升高，排氣量降低，壓縮機(jī)曲軸、連桿大頭瓦、十字頭銷磨損。

1．氣閥構(gòu)成

氣閥由閥座、啟閉元件、升程限制器和彈簧組成。2HA/2型往復(fù)式壓縮機(jī)閥座和升程限制器均采用2Cr13材料，其成分見表1。氣閥及其組成圖見圖1。

表1 2Cr13材料成分 wt%

圖1 氣閥及其組成圖

2．閥片

2HA/2往復(fù)式壓縮機(jī)從新建成柴油加氫裝置、改造成航煤加氫裝置以來，根據(jù)氣閥的運(yùn)行、開發(fā)和制造情況，先后采用過金屬環(huán)狀閥、金屬網(wǎng)狀閥、網(wǎng)狀塑料閥等。2006年改造時(shí)，采用的網(wǎng)狀閥片材質(zhì)為3Cr13，其材料成分見表2。閥片外徑為φ121mm，內(nèi)徑為φ27mm，厚度為2mm，內(nèi)外邊緣圓角半徑0．2mm。閥 片經(jīng)過精磨和去應(yīng)力處理。閥片設(shè)計(jì)壽命為4 500h。其型式結(jié)構(gòu)見圖2。

表2 3Cr13成分 wt%

圖2 2HA/2往復(fù)式壓縮機(jī)環(huán)狀閥片型式結(jié)構(gòu)

3．閥片工況

航煤加氫裝置2HA/2新氫往復(fù)式壓縮機(jī)工作介質(zhì)為重整氫氣，主要包括H2、烷烴、芳香烴等。主要成分見表3。

表3 重整氫氫氣組成 V%

閥片每分鐘各撞擊升程限制器和閥座740次，該壓縮機(jī)一級(jí)排氣溫度為100～130℃，可以說，閥片處于高頻撞擊應(yīng)力、高溫和磨損工況。

4．氣閥檢修改造情況

1990年加氫裝置新建之初，因壓縮機(jī)隨機(jī)氣閥設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際工藝參數(shù)不符而不能自動(dòng)開啟，當(dāng)時(shí)通過減小氣閥彈簧直徑改造順利開車，除了氣閥壽命較短外，裝置一直運(yùn)行比較平穩(wěn)。2000年改擴(kuò)建以來，氣閥使用壽命短的問題一直沒有解決。

2006年4月重新設(shè)計(jì)氣閥，閥片改為金屬網(wǎng)狀，壽命有所提高。但閥片斷裂事故仍不斷發(fā)生。所以于2010年3月開始將網(wǎng)狀閥片改為PEEK閥進(jìn)行試驗(yàn)。

二、閥片斷裂原因分析

閥片失效主要原因?yàn)槠趽p壞、閥片磨損、材料缺陷和介質(zhì)腐蝕。

1．閥片硬度測(cè)試

使用DHT-100便攜式硬度計(jì)，對(duì)使用前和使用后的閥片上下表面各9個(gè)不同位置點(diǎn)進(jìn)行HRC測(cè)試，測(cè)試結(jié)果平均值見表4。

表4 閥片硬度測(cè)試結(jié)果 HRC

從表4可以看出，使用后閥片彈簧側(cè)顯微硬度升高，閥座側(cè)降低。主要原因?yàn)殚y片彈簧側(cè)受到彈簧撞擊硬化作用，閥座側(cè)受到磨損，表面粗糙度增大，導(dǎo)致顯微硬度降低。測(cè)試結(jié)果表明，未經(jīng)投用閥片表面顯微硬度均勻。閥片表面制造質(zhì)量合格。

2．閥片斷口分析

(1)外觀

斷裂部位都處在閥片最外環(huán)加強(qiáng)筋之間。斷口表面為大部分的光亮層和少部分無金屬光澤的纖維狀斷口。斷口表面有細(xì)小麻點(diǎn)、沒有金屬光澤且有“積碳”層，斷口側(cè)面有明顯不規(guī)則的小塊脫落。

(2)斷口性質(zhì)

采用JSM-6700F掃描電子顯微鏡和Genesis XMZ型能譜儀對(duì)斷口進(jìn)行分析。試驗(yàn)前，將斷口放在酒精溶液中，采用KQ-100型超聲波清洗器清洗5min。

從微觀上看，斷口中部主要是平整的大塊和韌窩狀的纖維組織，斷口邊緣為大塊晶粒狀的纖維組織。斷口邊緣部位的組織表明，材料最后受剪切力作用斷裂，斷口上存在卷皮說明材料斷裂后受到擠壓產(chǎn)生塑性變形，卷皮下部就是斷口斷裂的初始狀態(tài)，是脆性沿晶斷裂。

斷口側(cè)面的小塊脫離和初始斷口為脆性沿晶斷裂，說明小塊脫落先于裂紋擴(kuò)展，并因?yàn)槭芰γ娣e減小引起應(yīng)力集中而成為裂紋源。隨后閥片在瞬間受到的應(yīng)力大于截面許用應(yīng)力時(shí)，閥片裂紋擴(kuò)展斷裂。小塊表面的不規(guī)則、細(xì)小麻點(diǎn)和“積碳”層，表明小塊脫落前，閥片受應(yīng)力和腐蝕的兩重作用；小塊脫離后，閥片受到應(yīng)力、腐蝕和積碳顆粒的摩擦磨損作用。

對(duì)閥片初始斷裂的晶粒部位、晶粒脫離部位、斷口高出部分產(chǎn)生塑性變形部位，裂紋擴(kuò)展后產(chǎn)生塑性變形部位，產(chǎn)生塑性變形邊緣進(jìn)行能譜分析。能譜測(cè)點(diǎn)成分見表5。

表5 能譜測(cè)點(diǎn)成分

從表5可知，晶間沒有Cr富集或貧瘠，斷口沒有發(fā)生晶間腐蝕而導(dǎo)致斷裂。經(jīng)過塑性變形區(qū)域和塑性變形邊緣初始斷裂部位，除了增加一些氧化物夾雜外組織成分沒有太大變化。另外測(cè)試點(diǎn)表明，斷口中存在氧化物、氯化物。其中，Cl元素可能正是重整加氫中所含的Cl離子。能譜分析還表明，閥片材料組織成分均勻，沒有明顯的冶金缺陷。

3．閥片運(yùn)動(dòng)及受力模型

閥片在開啟和關(guān)閉過程中，除了作向升程限制器或閥座平動(dòng)外，由于氣流的不均勻作用力還要做傾側(cè)運(yùn)動(dòng)。閥片向下平動(dòng)產(chǎn)生的撞擊力很小，并不足以使閥片產(chǎn)生破壞的應(yīng)力。閥片破壞的沖擊應(yīng)力主要取決于傾側(cè)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的撞擊力。

通過對(duì)閥片的傾側(cè)運(yùn)動(dòng)及受力的數(shù)學(xué)模型分析可知，閥片碰撞過程所受應(yīng)力與閥片的碰撞速度、傾側(cè)運(yùn)動(dòng)的幅度、閥片的結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素有關(guān)。閥片所受撞擊應(yīng)力隨碰撞速度及傾側(cè)運(yùn)動(dòng)幅度的增大而增大。通過撞擊應(yīng)力分析可知，閥片的撞擊應(yīng)力隨閥片的厚度的增大而迅速增大。這些結(jié)論為閥片的改造提供了理論依據(jù)。

閥片的另一面也受腐蝕性介質(zhì)和應(yīng)力作用，產(chǎn)生麻點(diǎn)和點(diǎn)坑（裂紋源），在隨后的撞擊瞬間發(fā)生脆性斷裂。斷裂后閥片殘片并不馬上與閥片脫離，而是與閥片斷口相互作用產(chǎn)生塑性變形。脫落的閥片碎片是閥片的加強(qiáng)筋和彈簧接觸部位，在斷裂之前其一側(cè)的碎片已經(jīng)斷裂，該加強(qiáng)筋部位由于受閥片側(cè)向下落應(yīng)力作用，閥片形狀突變部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致閥片脆性斷裂。換句話說，加強(qiáng)筋部位脫落的閥片碎片裂紋形成與典型的閥片裂紋形成過程有所不同。

脆性斷裂的特征是材料存在缺陷或者裂紋源，在一定應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生斷裂，這與延性斷裂（發(fā)生較大塑性變形后的斷裂）、疲勞斷裂（斷口有貝紋線）不同。對(duì)2HA/2往復(fù)式壓縮機(jī)故障工況下的熱力學(xué)計(jì)算表明，壓縮機(jī)彈簧剛度不夠造成排氣閥延遲關(guān)閉，緩沖罐內(nèi)高壓氣流回竄和彈簧力共同作用下，閥片沖向閥座?？梢酝茢?，正是由于高壓氣流和彈簧力的共同作用產(chǎn)生的巨大撞擊力使閥片斷裂。

三、閥片改造方案

根據(jù)以上分析，該壓縮機(jī)氣閥對(duì)閥片的要求為：閥片材料的強(qiáng)度應(yīng)能承受較大的撞擊應(yīng)力；能抗介質(zhì)的腐蝕性作用；能耐氣體介質(zhì)或者由于汽缸磨損的微小顆粒；耐一定的溫度。

目前正在得到廣泛應(yīng)用的PEEK材料閥片的彈性模量小，且密度低，較3Cr13金屬閥片更耐沖擊。PEEK材料幾乎不溶于任何有機(jī)溶劑，PEEK閥片更耐介質(zhì)腐蝕。PEEK閥片表面能夠使微小顆粒鑲嵌在內(nèi)，而減少了顆粒對(duì)閥片的磨損作用。采用較厚的PEEK閥片，在相對(duì)于金屬閥片沒有質(zhì)量增加的情況下，減少了升程，改善了閥片的受力狀態(tài)。PEEK閥片耐溫不超過250℃。PEEK閥片對(duì)裂紋不敏感，裂紋擴(kuò)展速度較慢，一旦閥片斷裂掉入汽缸也不會(huì)造成汽缸的損壞。

正是基于以上特點(diǎn)，公司與氣閥制造廠聯(lián)系改用PEEK材料閥片，并根據(jù)實(shí)際工況重新設(shè)計(jì)氣閥，改善氣閥延遲關(guān)閉的狀況，從2010年3月以來，氣閥一直運(yùn)行良好也佐證了改造思路的正確。

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