往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥頻繁故障原因分析

潘鑫，安元華，趙元林，王淑國

（1.渤海鉆探工程有限公司油氣合作開發(fā)分公司，天津 300280；2.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300357；3.渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)公司，天津 300280）

1 往復(fù)式壓縮機(jī)概述

現(xiàn)如今壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于石油能源行業(yè)、煉油廠以及化工廠重工業(yè)生產(chǎn)過程中，是一種將氣體壓縮用來提高氣體壓強(qiáng)的機(jī)械。隨著科學(xué)研究的進(jìn)步，壓縮機(jī)也分為容積式和速度式兩大類。往復(fù)式壓縮機(jī)就屬于容積式壓縮機(jī)的一種。

1.1 往復(fù)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)組成

曲柄連桿結(jié)構(gòu)是往復(fù)式壓縮機(jī)最為重要的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，電機(jī)在電能的驅(qū)動下帶動曲柄的一段進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。并通過連桿運(yùn)動由此帶動活塞往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)對空氣的壓縮。圖1是往復(fù)式壓縮機(jī)布置簡圖。

往復(fù)式壓縮機(jī)主要由基本部分、氣缸部分和輔助部分3部分組成，下面對這3部分進(jìn)行詳細(xì)介紹：（1）基本部分：主要由機(jī)身、曲軸、連桿等構(gòu)成。這一部分主要起到傳遞動力的作用，主要構(gòu)成了往復(fù)式壓縮機(jī)的主體使得氣缸與壓縮機(jī)連接起來。（2）氣缸部分：主要由氣缸、活塞以及排氣創(chuàng)智等部件構(gòu)成，氣缸部分的主要作用是提供壓縮氣體的環(huán)境和防止氣體泄漏。（3）輔助部分：主要包括氣液相冷卻器、緩沖器、液氣分離器以及安全閥等輔助裝置。其目的是為了保證往復(fù)式壓縮機(jī)長時(shí)間安全運(yùn)行。

1.2 往復(fù)式壓縮機(jī)的分類

往復(fù)式壓縮機(jī)往往通過氣缸中心線相對位置、壓縮機(jī)用途和氣缸內(nèi)作用3種方式進(jìn)行分類。按照氣缸中心線相對位置分類往復(fù)式壓縮機(jī)可分為立式壓縮機(jī)、臥式壓縮機(jī)、角度壓縮機(jī)和對稱壓縮機(jī)。通過用途可以分為動力用、工藝用、氣體分離用以及氣體輸送四種往復(fù)式壓縮機(jī)類型。最后按照氣缸內(nèi)作用分為單作用、雙作用以及級差式3種類型。

2 氣閥結(jié)構(gòu)及工作原理

氣閥安裝設(shè)計(jì)是否合理直接影響到壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中的效率。一般來說安裝設(shè)計(jì)良好的氣閥在通過流體時(shí)阻力損失僅是壓縮機(jī)軸功率的5%左右，而對于安裝或設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題的氣閥阻力損失會達(dá)到15%～20%。因此氣閥關(guān)系到壓縮機(jī)運(yùn)行過程中能否正常工作對壓縮機(jī)的性能具備極大影響。

圖1 往復(fù)式壓縮機(jī)布置簡圖

在往復(fù)式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，不同型號的壓縮機(jī)使用各種氣閥主要有環(huán)狀氣閥、網(wǎng)狀氣閥以及條狀氣閥等。在我過主要在壓縮機(jī)上應(yīng)用環(huán)裝氣閥，因?yàn)樗邆渖a(chǎn)成本低、制造簡單、可靠性高和安全性好等優(yōu)勢，故本文以環(huán)狀氣閥為介紹對象進(jìn)行說明。

2.1 氣閥結(jié)構(gòu)及組成

氣閥主要由閥座、閥片、彈性元件和升程限制器四部分組成：（1）閥座：在閥門內(nèi)作為閥門的最大流通直徑，用于支撐閥芯全關(guān)位置并承受氣缸內(nèi)外壓差。（2）閥片：它是開啟與關(guān)閉進(jìn)氣通道一般被稱為起閉原件。（3）彈性元件：材料是彈簧，該元件是氣閥開啟與關(guān)閉過程的核心作用部件之一，其最重要的緩沖效果避免了升程限制器的損壞。（4）升程限制器：在壓縮機(jī)內(nèi)用來控制閥片的變換高度的零件。

2.2 氣閥工作原理

壓縮機(jī)中氣閥的進(jìn)氣與出氣從計(jì)算方法和原理上看都是一樣的，氣閥的起閉都是由于氣閥閥壁和氣缸工作壁每時(shí)每刻的壓差變化而導(dǎo)致的。在進(jìn)氣過程中，當(dāng)壓縮氣體時(shí)由于氣體推理大于彈簧力時(shí)氣閥打開；在進(jìn)氣過程結(jié)束后，氣流推力相對于彈簧的作用力較小時(shí)，閥門關(guān)閉閥片重新回到閥座。因此整個(gè)循環(huán)過程中閥片的運(yùn)動方程為：

式中，m代表閥片與1/3彈簧的質(zhì)量和；Fg、Fs為氣體力和彈簧力。

3 氣閥故障常見原因與失效形式

3.1 氣閥常見故障原因

在往復(fù)式壓縮機(jī)對氣體進(jìn)行循環(huán)往復(fù)的壓縮過程中，構(gòu)成氣閥的閥座、閥片、彈性元件的3個(gè)主要部分中閥片在彈性元件和氣流推力的作用下進(jìn)行由靜止到運(yùn)動再到靜止的狀態(tài)。因此不可避免的氣閥內(nèi)部構(gòu)件組成將產(chǎn)生機(jī)械碰撞，處于種高頻率的碰撞下氣閥內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械損耗是必然的。同時(shí)閥片和彈簧作為氣閥內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)造最易受到損壞的部件，下面將對兩部件的失效形式進(jìn)行說明。

3.2 氣閥失效形式

徑向磨損和裂紋是閥片部件最常出現(xiàn)的兩種損壞形式，這是由于閥片在往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行過程中不間斷運(yùn)動所導(dǎo)致的。閥片在運(yùn)行過程中磨損以后會導(dǎo)致氣閥有輕微的漏氣現(xiàn)象，這是一種輕微故障的表現(xiàn)，它可能會導(dǎo)致氣缸內(nèi)壓力所測得數(shù)值與正常工況產(chǎn)生微小差異。另一種故障狀況是閥片表面由于機(jī)械碰撞產(chǎn)生裂紋，這種狀況下會導(dǎo)致氣閥嚴(yán)重漏氣甚至?xí)档驼w設(shè)備的剛度。因此一旦出現(xiàn)該故障就應(yīng)立刻對設(shè)備進(jìn)行檢修以免造成人員傷亡和更大的和經(jīng)濟(jì)損失。這兩種失效形式都體現(xiàn)在閥片上，一般來說只需要對閥片進(jìn)行更換就可以解決。

彈簧斷裂作為氣閥另一種主要的失效形式，在往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行過程中彈簧起到對氣流推動的閥片緩沖的作用。因此彈簧的斷裂失效往往分為兩個(gè)階段性過程，首先是彈簧由于長時(shí)間疲勞工作受到損壞不能正常的達(dá)到對閥片進(jìn)行緩沖的功能。同時(shí)這還會導(dǎo)致閥片由于失去部分彈簧緩沖而導(dǎo)致氣閥的整體結(jié)構(gòu)的損壞和閥片產(chǎn)生裂痕；其次當(dāng)氣閥中的彈簧完全斷裂時(shí)就會出現(xiàn)氣閥內(nèi)各組分構(gòu)件的機(jī)械碰撞逐漸增大這將很快導(dǎo)致閥片破裂以及氣閥部分的整個(gè)損壞。

4 往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥故障的改善措施

4.1 對閥片運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行校核

針對于往復(fù)式壓縮機(jī)正常工作過程中其活塞的運(yùn)動規(guī)律應(yīng)正好對應(yīng)氣閥的開啟和關(guān)閉規(guī)律。倘若氣閥的開啟和關(guān)閉不與活塞的運(yùn)動相互匹配，工作人員應(yīng)通過對彈性元件、氣閥厚度以及壓縮機(jī)軸功率等對閥片進(jìn)行調(diào)整。

4.2 調(diào)整彈簧力

合理的提高彈簧力可以有效增加彈簧的使用壽命，因此對于彈簧元件一般應(yīng)選用剛性彈簧。這樣有利于提高彈簧對閥片的緩沖力，同時(shí)對于大功率壓縮機(jī)應(yīng)選用盡量粗的剛性彈簧。并應(yīng)減少彈簧的形變長度，這樣可以有效提高彈簧的耐疲勞強(qiáng)度提高彈簧壽命。

4.3 改變氣閥結(jié)構(gòu)

對于轉(zhuǎn)速較高的壓縮機(jī)，為了提高氣閥耐用期，需采用較小的閥片開啟高度，這樣可以減小閥片的撞擊速度，確保氣閥及時(shí)關(guān)閉，改善氣閥的運(yùn)動頻率特性。閥片開啟高度降低后，氣閥的流通縫隙面積將減小，氣流阻力增大，補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ窃黾娱y座的通道數(shù)、采用多環(huán)窄通道氣閥。這樣既可增大氣流在閥隙中流通的面積，又可改善閥片的受力狀態(tài)。

4.4 改善閥片的制造工藝。

經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)通過對閥片進(jìn)行細(xì)打磨并回火處理可以有效減少殘余應(yīng)力的存在提高閥片壽命。現(xiàn)如今閥片的邊緣一般采用倒圓角工藝技術(shù)是因?yàn)椴捎眠@樣的設(shè)計(jì)樣式可以很好的減少閥片邊緣產(chǎn)生裂縫的概率，消除了邊緣集中應(yīng)力的問題。

5 結(jié)語

通過對往復(fù)式壓縮機(jī)長時(shí)間的摸索和總結(jié)，其絕大部分故障都是由于氣閥部分出現(xiàn)問題而產(chǎn)生的。本文對氣閥失效產(chǎn)生故障的原因和失效形式以及氣閥多發(fā)故障的改進(jìn)措施進(jìn)行了總結(jié)，希望可以對今后往復(fù)式壓縮機(jī)的發(fā)展提供幫助。