基于現場工況的壓縮機氣閥國產化研究

張富強

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤西作業公司 天津300459)

0 引 言

壓縮機作為海洋石油平臺的關鍵設備之一，承擔為燃氣透平用天然氣增壓或平臺天然氣外輸等任務，因此壓縮機的運行質量直接影響平臺生產的連續性和平臺運營成本。近年來，隨著海洋石油的開發，壓縮機數量迅猛增長，僅中海石油(中國)有限公司天津分公司就擁有95臺壓縮機，主要為美國 Ariel和Cooper兩大公司的機型，國產壓縮機占比很少。為保證壓縮機的平穩運行，平臺一直采用廠家推薦的預防性維修策略，每運轉 8,000,h做一次年檢，壓縮機所有配件均從原廠采購，壓縮機進排氣閥也一直采用進口氣閥(賀爾碧格公司提供)，進排氣閥在 8,000,h年檢時進行更換，日常運行發現氣閥有漏氣等異常問題時，及時更換氣閥，返回賀爾碧格公司進行維修。

雖然壓縮機進排氣閥采用的是進口產品，但是綜合考察進口氣閥的使用情況發現，氣閥的壽命很少能達到 8,000,h，一般在運行過程中均因漏氣或彈簧斷裂問題而被提前更換，可見壓縮機使用進口氣閥并沒有實現可靠運行的目的，而且氣閥采辦及維修費用是壓縮機維護費用的主要部分，因此有必要實施國產化。

壓縮機氣閥國產化在陸地石化廠實施已經成熟，但是在海洋石油平臺尚未嘗試。它不同于柴油機、泵類進口配件的國產化，如果一味按照進口配件的材質、硬度、尺寸等指標進行國產化，就無法體現出國產化的優勢。

1 氣閥工作原理及設計要求

1.1 壓縮機氣閥工作原理

氣閥是壓縮機氣缸上的重要組件，負責氣體的吸入和排出。傳統的氣閥由閥座、閥片、彈簧、升程限位器、螺栓等組成，如圖1所示。

圖1 進氣閥Fig.1 Inlet valve

1.2 工作要求

從氣閥工作原理來看，氣閥工作性能將直接影響壓縮機氣缸的工作，因此對氣閥有如下要求：

1.2.1 阻力損失小

氣閥阻力損失大小與氣流的閥隙速度及彈簧力大小有關。氣速越高，能量損失越大；彈簧力過大，阻力損失也大，其大小按氣閥運動規律的合理性準則設計確定。

1.2.2 氣閥關閉及時、迅速

關閉時不漏氣，以提高機器的效率，延長使用期。

1.2.3 壽命長、工作可靠

限制氣閥壽命的主要因素是閥片及彈簧質量，一般對長期連續運轉的壓縮機，期望壽命達 8,000,h以上；對移動式、短期或間歇運轉的壓縮機要求稍低。

此外，形成的余隙容積要小；噪聲小；氣閥裝配、安裝、維修方便，加工容易等。

2 進口氣閥常見故障現象及原因

2.1 進口氣閥故障現象

2.1.1 氣閥漏氣

氣閥漏氣，很明顯的現象是氣閥溫度升高，這是氣體被重復壓縮造成的，現場用溫度計可以測量。

2.1.2 閥片斷裂

閥片斷裂后會有異響，同時會造成氣閥漏氣和壓縮機出口壓力不足。

2.1.3 彈簧斷裂

彈簧斷裂導致閥片不能復位，氣流自由通過，此時氣缸出口壓力明顯不足，同時伴有“劈啪”響聲，氣缸溫度上升。

2.2 故障原因

2.2.1 天然氣含液

由于天然氣含有液體，改變了氣閥的工作環境，從而導致閥片、彈簧等部件故障。例如，一些平臺的天然氣脫水不徹底，天然氣經分離器分離后，進入海水冷卻器，將天然氣降溫至露點溫度以下后，有凝析油和水析出，此時再將天然氣送至壓縮機入口洗滌器，進行氣液分離。在洗滌器中，天然氣從切向進入，通過旋分的方式將液體集聚在洗滌器底部，氣體上升，經絲網除霧器頂部從頂部排出送至壓縮機，此時的天然氣應不含液體。但由于海水冷卻器換熱效果的下降以及洗滌器分離不徹底等原因，或者由于洗滌器至壓縮機入口之間管段沒有保溫，造成天然氣溫度進一步下降，導致凝析液再次析出，造成天然氣進氣含液。這樣環境下工作的氣閥一般不超過4,000,h。

壓縮機進氣含液的問題比較普遍，嚴重的甚至造成氣缸水擊，導致活塞桿過載斷裂。平臺普遍采取在入口洗滌罐下自動排放和定時人工排放的方式，使活塞桿斷裂的問題得到了緩解，但是天然氣徹底脫水的問題還是未能解決。

2.2.2 氣閥設計與實際工況偏差較大

壓縮機的設計轉速與實際工作轉速偏差較大，平臺的壓縮機設計轉速高達 1,500,rpm(壓縮機的最大轉速)，而實際轉速多數為900～1,000,rpm，二者存在近500,rpm的差值，而轉速直接影響氣閥設計指標中的閥隙速度，最終導致彈簧力的設計值偏高，過高彈簧力導致閥片在回位時對閥座的沖擊力過大，直接影響氣閥的使用壽命；同樣彈簧力的增大，也導致壓縮機的能耗增大。

3 進口氣閥國產化的必要性

①根據機組的實際運行工況，重新計算氣閥彈簧力值，優化氣閥彈簧力值降低氣閥能耗，改進氣閥內部結構延長氣閥壽命，而不是簡單地復制原裝配件；②由于平臺工藝流程的原因，天然氣中含有雜質和液體的現狀難以改變，所以應著力提升氣閥的適應性；③氣閥壽命的延長，能夠降低壓縮機停機次數，減少啟停機風險；④進口氣閥存在費用較高、供貨周期不穩定、到貨時間難以控制等不利因素；⑤進口氣閥在采辦和維修方面一直受廠家壟斷，采辦和維修費用一直居高不下。

4 進口氣閥國產化實施

經過與平臺協商，選定一臺壓縮機作為氣閥國產化目標機型，開展氣閥國產化研究工作，主要工作如下：

4.1 基礎數據準備

4.1.1 天然氣組分

由平臺提供壓縮機介質的成分組成，以此作為氣體值K值和R值的計算基礎。

4.1.2 機組運行參數

機組的行程、轉速；機組各級的進排氣溫度、進排氣壓力。

4.1.3 氣閥的安裝尺寸

檢測氣閥的安裝尺寸，確保國產化氣閥能夠滿足機體空間位置。

4.2 氣閥設計

4.2.1 根據機組實際的氣體工況計算氣體絕熱指數K值和氣體常數R值

式中：K1、K2…表示各成分氣體絕熱指數；X1%,、X2%,…表示各成分氣體占的百分比。

式中：M1、M2…表示各成分氣體分子量。

4.2.2 根據機組氣閥安裝尺寸設定合理的閥隙通流面積S

式中：￠1、￠2、￠3…表示閥片密封中心線直徑，h表示氣閥升程。

4.2.3 根據氣缸直徑￠、轉速n、閥隙面積s算出閥隙速度V

式中：z為同時作用氣閥個數；a為流量系數。

4.2.4 根據機組實際的運行數據，重新校核氣閥彈簧力值

由于閥片全開時的彈簧力，必須根據閥片所受的氣體推力值大小、壓縮機的轉速高低、氣體壓力大小等因素決定，因此對機組的實際運行工況全面掌握。

式中：k為氣體等熵指數；β為推力系數；As為閥座出口面積；Ap為活塞面積；Vm為活塞平均速度；B為氣體絕熱指數；R為氣體常數；E為氣體修正系數；Z為同名氣閥個數；Av為氣閥有效通流面積。其中，式中p和T代表的是機組的運行壓力和溫度，而往往機組的實際壓力、溫度和設計取值都有一定的偏差，所以校核氣閥的彈簧力很有必要。

4.2.5 根據閥隙速度、氣閥工作溫度、工作壓力等參數，計算出氣閥的馬赫數

機組JGE/2設計計算數據見表1。

4.3 氣閥選材

4.3.1 閥片

根據油田機組氣質中含液體和顆粒物多的狀況，此次選用和進口PEEK同等質量的非金屬材質閥片，同時在閥片厚度方面進行改進，由進口閥片厚度 2～4,mm增至 6～8,mm，增強閥片的抗壓和抗液性能。

表1 機組JGE/2設計計算數據Tab.1 Designed calculation data of unit JGE/2

4.3.2 彈簧

根據馬赫數和之前設計的閥座通流面積配置彈簧力，此次選用 17-7PH不銹鋼彈簧鋼絲，而進口氣閥往往選用65Mn鋼絲。

對彈簧材質進行改進，是基于 17-7PH不銹鋼本身具有很強的剪切模量，而65Mn是通過熱處理才能達到 17-7PH的同等剪切模量。在現場使用過程中往往由于環境因素影響，造成65Mn鋼絲表面發黑層破壞，導致彈簧鋼絲失效，這也是進口氣閥故障率高的原因之一。

4.3.3 閥座

閥體材料全部選用 3Cr13鋼材，解決防銹、防腐問題。

4.4 氣閥加工

氣閥加工需要委托專業廠家完成，氣閥加工完畢，按標準進行氣密試驗。

4.5 裝機試驗

為了與進口氣閥形成鮮明對比，裝機試驗中在機組的曲軸側安裝進口進氣閥和排氣閥，在氣缸側安裝國產化的進氣閥和排氣閥，共安裝 6個國產氣閥，自2015年 4月份開始運行，機組出口壓力、溫度、流量均符合設計要求。

經過累計 8,000,h運行試驗，現場沒有發生國產化氣閥漏氣和異響等故障，而機組上兩個進口氣閥在運行6,000,h以后有高溫現象而被更換。

4.6 后評價

對運行8,000,h氣閥進行解體檢查，圖2為分解后圖片。

經檢查，主要的易磨損部位，即閥座、閥片和彈簧均無磨損和損壞的現象。

將閥座、閥片、彈簧送至上海微譜分析測試中心，分別進行無損探傷、抗壓測試、彈性性能 3項檢查，結論為“均未發現異常”。

綜上所述，國產化氣閥完全能夠滿足海洋環境下8,000,h運轉要求。

圖2 氣閥分解后圖Fig.2 Pictures of disassembled valves

5 進口氣閥國產化的優勢和經濟效益

國產化氣閥的造價僅為進口氣閥的 50%,，能夠為壓縮機配件費用帶來較大降幅空間；國產化氣閥供貨周期為4～5周，而進口氣閥供貨周期至少要6個月；國產化氣閥的后期維修費用同樣降低近 50%,，國內廠家提供由閥片和彈簧組成的維修包。

6 結 語

此次通過壓縮機氣閥國產化的實施，成功實現了進口氣閥的替代，打破了進口氣閥壟斷格局。事實證明，這種基于現場工況的國產化氣閥設計、制造具有明顯優勢，在保障壓縮機生產正常進行的同時，達到壓縮機運維降本增效的目的，因此具有推廣價值。

在壓縮機氣閥國產化的基礎上，準備進一步開展基于現場工況的壓縮機活塞環、支撐環、填料環的國產化，從而實現壓縮機易損件100%,國產化，深化降本增效，實現壓縮機維修和配件供給一體化服務。

［1］ 王建軍. 壓縮機氣閥故障分析及機改造[J]. 壓縮機技術，2008(3)：44-45.

［2］ 張可紅. 淺談進口壓縮機氣閥國產化[J]. 壓縮機技術，2006(1)：29-30.

［3］ 往復活塞壓縮機用網狀閥片[S]. JB/T7239—1994.

［4］ API618 2007石油化工和天然氣工業用往復式壓縮機(5th中文版)[Z].