加氫改質壓縮機氣閥故障原因分析及處理

馬文禮，張宗領，辛丁業(yè)，張啟卿，王 屹，王艷芝

（1.中石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆克拉瑪依 834003；2.中國石油大學（北京）過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室，北京 102249）

0 引言

氣閥作為加氫改質壓縮機組的重要配件之一，對其安全穩(wěn)定運行至關重要。與其他組件相比，氣閥較為敏感，其故障頻發(fā)是造成壓縮機組非計劃停車的主要原因[1]。某石化公司加氫改質裝置聯(lián)合壓縮機組K3101+3301C/D（一用一備）于2018 年10 月初完成試機工作并投入使用。在運行4 個月內該機組出現(xiàn)氣閥泄漏故障7 次，導致非計劃停機檢修16 次，造成經(jīng)濟損失上千萬元，嚴重影響加氫裝置的穩(wěn)定運行和安全生產。為此，分析該類壓縮機氣閥故障頻發(fā)原因，并給出相應解決措施，為國內石化設備工作人員提供借鑒和參考。

1 壓縮機組技術參數(shù)

加氫改質裝置壓縮機為對稱平衡4 列聯(lián)合往復式活塞壓縮機，其中新氫氣缸3 列3 級壓縮，航煤新氫氣缸1 列一級壓縮，兩者互不影響。氣閥故障問題主要出現(xiàn)在新氫缸的進氣閥和排氣閥上。該壓縮機組相關技術參數(shù)：機型，MW-31.3/（19-132）-19.4/（13-22.2）-X；介質，H2（90%～99%）；排氣量，31.3 m3/min；行程，355.6 mm；曲軸轉速，300 r/min。

2 氣閥故障的表現(xiàn)形式

2018 年10 月2 日，加氫改質壓縮機K3101+3301C 首次出現(xiàn)排氣量降低、新氫一級排氣閥溫度超標等異常現(xiàn)象。經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)一個新氫一級進氣閥的彈簧斷裂，且密封面間進入輕微雜質，如圖1 所示。10 月30 日，壓縮機D出現(xiàn)一級氣缸排氣溫度過高而致聯(lián)鎖停機，同時啟用C 機，經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)一級排氣閥的閥片出現(xiàn)嚴重損壞，且密封面間雜質較多，如圖2 所示。C 機在運行一周之內再次出現(xiàn)一級排氣溫度上升，二、三級負荷下降，軸蓋兩側溫差較大，同時三級軸側排氣閥伴有輕微碰撞聲音，拆檢發(fā)現(xiàn)新氫4 個一級排氣閥，一個一級進氣閥閥片均有不同程度的損壞，彈簧座也有部分斷裂。之后兩個月內C 機和D機反復交替出現(xiàn)新氫各級進、排氣閥故障現(xiàn)象。

總體而言，由于氣閥故障造成的壓縮機運行工藝參數(shù)異常的現(xiàn)象包括排氣量不足，排氣溫度過高，負荷量降低，軸蓋兩側溫差過大等。氣閥故障的表現(xiàn)形式有彈簧斷裂，密封面進入雜質，閥片斷裂，彈簧座斷裂，閥內有異常聲響等，其中閥片斷裂成為該壓縮機組氣閥故障頻發(fā)的主要因素。

圖1 進氣閥彈簧斷裂

圖2 排氣閥閥片損壞

3 氣閥故障原因分析

根據(jù)上述氣閥故障的表現(xiàn)形式，剖析其損壞原因，主要包括4 點。

（1）工藝氣體含雜質嚴重。雜質的存在使氣閥的閥片和閥座不能正常貼合，從而造成運行過程中氣體對閥片沖擊比較大，進而造成閥片斷裂。一般在試機初期，壓縮機過開機吹掃的氣體含雜質量較多。此外，由于閥片外緣速度最大，所承受沖擊力最大，故很容易導致閥片的外緣優(yōu)先斷裂。另外，對于多級壓縮，進氣管線里的雜質容易聚集在一級氣缸及其出口緩沖罐內，也是造成一級排氣閥故障率較高的原因之一。

（2）彈簧失效。通過分析斷裂的彈簧帽設計圖紙，發(fā)現(xiàn)彈簧帽的底端和桿之間變徑處缺少圓角過渡，一旦彈簧與連桿在氣閥運行過程中產生干涉，如有損破問題就容易出現(xiàn)應力集中，很容易導致彈簧帽斷裂。彈簧的失效會使閥片受力分布不均勻，運動規(guī)律發(fā)生變化，從而導致閥片在上下運動中的側傾撞擊加劇，最終造成閥片斷裂[2]。

（3）閥片材料缺陷。氣閥的質量對于壓縮機的安全穩(wěn)定運行至關重要[3]。該壓縮機的氣閥閥片材料為PTFE，這種閥片的耐沖擊性較差。一旦實際運行工藝參數(shù)稍有變化，極易導致閥片瞬間沖擊速度超過規(guī)定值而引起閥片失效。

（4）閥蓋設計（限制器）不合理。閥蓋設計和壓縮機實際運行工況有差異，致使其外圈受沖擊較大，從而造成閥片受側向撞擊較大，造成閥片斷裂。

此外，壓縮機的頻繁啟停、工況改變等因素也會造成氣閥的失效[2]。

4 處理措施

從2018 年11 月起，對該壓縮機組的氣閥先后進行兩次改造，改造后的氣閥從2019 年2 月運行至今，沒有出現(xiàn)任何氣閥故障問題，有效解決了壓縮機組氣閥故障頻發(fā)的問題。具體的氣閥改造措施如下。

（1）優(yōu)化氣閥升程和閥片厚度。將一級氣閥升程由原來的1.6 mm 調整到1.2 mm，大幅降低閥片的撞擊速度，以便改善閥片的受力狀態(tài)，同時將閥片厚度由6 mm 增加到8 mm，以增加閥片的抗沖擊強度，適應工藝氣體含雜質較多的情況。同時，二、三級氣閥也做相似改造。此外，在彈簧與閥片之間增加了彈簧帽（圖3），消除了彈簧端部可能會對閥片表面產生的破壞，提高閥的壽命。

圖3 彈簧帽

（2）對閥片的材料進行升級。由原來的PTFE（聚四氟乙烯）改為更耐沖擊的威格斯原裝進口450CA20 代號PEEK（聚醚醚酮）材料，增加閥片材料的強度。

（3）改進彈簧帽的結構。在（1）的基礎上對一級排氣閥的彈簧帽結構進行優(yōu)化設計，在不影響其功能的前提下，加大變徑處圓角，減小應力集中，同時將小端尺寸改小，將長度由原來的7 mm 縮短到3 mm，以免與彈簧內孔產生干涉，確保在使用過程中不會發(fā)生斷裂。

（4）對氣閥升程限制器結構進行改進。將一級、二級、三級的所有氣閥升程限制器重新優(yōu)化設計，將升程限制器下凹面的最外圈車下去0.5 mm，以改善閥片最外圈的受力狀態(tài)，降低閥片與限制器撞擊時的傾側撞擊力，并優(yōu)化升程限制器的彈簧布置，在閥片最外圈增加彈簧布置。閥蓋如圖4 所示。

5 結語

圖4 閥蓋

長期以來，壓縮機氣閥故障頻發(fā)一直是困擾著石油、化工等企業(yè)設備人員的難題，主要原因是壓縮機型眾多，實際工況復雜多變等。本文對煉油加氫改質裝置聯(lián)合壓縮機組新氫缸氣閥故障頻發(fā)的原因進行分析，并對故障氣閥實施相應改進，最終解決了新氫壓縮機氣閥頻壞的問題，節(jié)約了維修成本，延長了壓縮機的有效運行時間。