潘 強(qiáng) 馬曉偉 胡建忠 劉 福

（中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依市 834000）

壓縮機(jī)氣閥閥片斷裂原因分析及改進(jìn)

潘 強(qiáng) 馬曉偉 胡建忠 劉 福

（中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依市 834000）

針對(duì)克拉瑪依石化公司某加氫改質(zhì)裝置新氫壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的多起氣閥閥片斷裂問(wèn)題進(jìn)行了原因分析，通過(guò)對(duì)閥片斷裂過(guò)程、表征現(xiàn)象及機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、工藝參數(shù)等進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)造成閥片關(guān)閉時(shí)撞擊過(guò)速進(jìn)而在閥片最薄弱的邊緣位置發(fā)生斷裂。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行閥片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，有效地解決了氣閥閥片頻繁斷裂問(wèn)題。最后總結(jié)出了氣閥閥片斷裂時(shí)的5個(gè)表征現(xiàn)象，為今后同類(lèi)裝置處理類(lèi)似問(wèn)題提供借鑒和參照。

新氫壓縮機(jī)；排氣閥；閥片斷裂；設(shè)計(jì)改進(jìn)

克拉瑪依石化公司某加氫改質(zhì)裝置設(shè)置2臺(tái)新氫壓縮機(jī)組K-3101/AB，是裝置生產(chǎn)運(yùn)行的核心設(shè)備，運(yùn)行條件一開(kāi)一備,采用三列三級(jí)壓縮，其作用是保證系統(tǒng)氫氣壓力，參與加氫反應(yīng)。該機(jī)組于2012年4月投入運(yùn)行，K-3101/A機(jī)采用HydroCOM無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)作為裝置運(yùn)行的主機(jī)組，K-3101/B機(jī)作為備用機(jī)運(yùn)行。2013年8～9月份，由于K-3101/A機(jī)一級(jí)缸嚴(yán)重異響，進(jìn)行多方原因排查未果后，K-3101/B機(jī)成為主力機(jī)運(yùn)行。K-3101/B機(jī)運(yùn)行后，近一年內(nèi)陸續(xù)發(fā)生5次排氣閥閥片斷裂，同時(shí)K-3101/A機(jī)也發(fā)生了2次排氣閥閥片斷裂問(wèn)題。

為此，對(duì)閥片斷裂過(guò)程、斷裂表征現(xiàn)象及當(dāng)時(shí)壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)、工藝參數(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過(guò)對(duì)比機(jī)組工藝運(yùn)行參數(shù)和氣閥原始設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)現(xiàn)氣閥原始設(shè)計(jì)工況和實(shí)際運(yùn)行工況介質(zhì)組分H2含量發(fā)生了變化，由于H2分子量小，H2含量的少許變化將造成介質(zhì)氣體摩爾分子量的成倍變化，使氣閥運(yùn)行時(shí)閥片的運(yùn)動(dòng)參數(shù)偏離原始設(shè)計(jì)，氣閥延遲關(guān)閉，造成閥片關(guān)閉時(shí)撞擊過(guò)速進(jìn)而導(dǎo)致閥片最薄弱的邊緣位置斷裂，在此基礎(chǔ)上對(duì)閥片結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，最后總結(jié)出了氣閥閥片斷裂時(shí)的5個(gè)表征現(xiàn)象，有效地指導(dǎo)各級(jí)管理、操作人員在第一時(shí)間內(nèi)判斷出閥片斷裂問(wèn)題，及時(shí)處理，為今后同類(lèi)裝置處理類(lèi)似問(wèn)題提供借鑒和參照。

一、故障概況

2014年8月23日K-3101/B機(jī)組運(yùn)行時(shí)DCS畫(huà)面趨勢(shì)顯示一級(jí)缸排氣壓力由3.85MPa上升到4.05MPa、排氣溫度由85℃上升到95℃，二級(jí)排氣溫度略有下降，其余各級(jí)排氣溫度、壓力正常，如圖1和2所示。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)二級(jí)蓋側(cè)排氣閥閥蓋溫度100℃，軸側(cè)排氣閥閥蓋溫度90℃，二者溫差達(dá)到10℃，機(jī)組緊急停機(jī)，拆檢蓋側(cè)排氣閥，發(fā)現(xiàn)閥片邊緣對(duì)稱(chēng)位置有2處斷裂。

圖1 各級(jí)進(jìn)排氣溫度趨勢(shì)圖

圖2 各級(jí)進(jìn)排氣壓力趨勢(shì)圖

同時(shí)查看2013年至2014年檢修記錄發(fā)現(xiàn)，自2013年11月K-3101/B機(jī)作為主力機(jī)運(yùn)行后陸續(xù)發(fā)生過(guò)5次排氣閥閥片斷裂故障，斷裂時(shí)間分別為2013年11月18日、2013年12月26日、2014年1月21日、2014年8月11日、2014年8月23日，氣閥平均使用壽命嚴(yán)重不足。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拆檢情況來(lái)看，這5次閥片斷裂的位置，均發(fā)生于二級(jí)缸蓋側(cè)排氣閥邊緣對(duì)稱(chēng)位置，如圖3所示。

圖3 K-3101/B機(jī)排氣閥閥片斷裂部位

2014年12月22日，K-3101/A機(jī)組運(yùn)行時(shí)DCS顯示三級(jí)缸排氣溫度突然由90℃跳升至98℃，HydroCOM無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)三級(jí)手操器負(fù)荷器從81%自動(dòng)增加至95%，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)蓋側(cè)排氣閥閥蓋溫度95℃，軸側(cè)排氣閥閥蓋溫度85℃，二者溫差達(dá)到10℃，緊急停機(jī)后拆檢發(fā)現(xiàn)蓋側(cè)排氣閥閥片圓周邊緣斷裂一塊，如圖4所示。對(duì)氣閥進(jìn)行了更換，23日開(kāi)機(jī)后發(fā)現(xiàn)三級(jí)缸排氣溫度為97℃，仍然偏高，此時(shí)一級(jí)缸排氣溫度81℃，二級(jí)缸排氣溫度為88℃，并且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)K-3101/A三級(jí)缸蓋側(cè)排氣閥閥蓋溫度90℃，軸側(cè)排氣閥閥蓋溫度80℃，說(shuō)明此閥仍然存在泄漏，31日停機(jī)后拆檢發(fā)現(xiàn)蓋側(cè)排氣閥閥片圓周邊緣斷裂2處，如圖5所示。

圖4 K-3101/A機(jī)12月22日排氣閥閥片斷裂部位

圖5 K-3101/A機(jī)12月31日排氣閥閥片斷裂部位

綜上所述，K-3101/AB機(jī)組運(yùn)行一年時(shí)間內(nèi)，排氣閥閥片先后發(fā)生了7次斷裂，斷裂位置均位于閥片邊緣，說(shuō)明閥片斷裂問(wèn)題絕非偶然現(xiàn)象，需要深入分析原因。

二、原因分析

1.閥片斷裂表征現(xiàn)象原因分析

針對(duì)K-3101/B機(jī)，由于二級(jí)蓋側(cè)排氣閥閥片斷裂后被壓縮后的高溫氣體不能被完全排出，通過(guò)氣閥內(nèi)漏回流的方式又返回到氣缸內(nèi)，造成蓋側(cè)排氣閥閥蓋溫度偏高。由于二級(jí)氣閥泄漏后排氣效率降低，造成一級(jí)出口壓力憋壓偏高，一級(jí)壓縮比增大，一級(jí)缸排氣溫度上升。一級(jí)出口壓力增大導(dǎo)致二級(jí)入口壓力隨之增大，二級(jí)壓縮比減小，所以二級(jí)排氣溫度會(huì)略有下降。

針對(duì)K-3101/A機(jī),用上述同樣的方法可以分析出三級(jí)蓋側(cè)排氣閥閥片斷裂后排氣溫度和蓋側(cè)排氣閥閥蓋溫度偏高原因。不同之處在于K-3101/A機(jī)組采用HydroCOM無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)，各級(jí)出口壓力要維持設(shè)定值不變時(shí)只能通過(guò)三級(jí)負(fù)荷手操器自動(dòng)加載負(fù)荷來(lái)實(shí)現(xiàn)。

以上很好地解釋了K-3101/AB機(jī)氣閥閥片斷裂時(shí)出現(xiàn)的各種表征現(xiàn)象的原因，為壓縮機(jī)氣閥閥片斷裂判斷積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2.閥片斷裂原因分析

該機(jī)組每個(gè)氣缸均設(shè)置上、下兩個(gè)注油點(diǎn)，各點(diǎn)注油量如下（滴/min）：一級(jí)上20、下12；二級(jí)上11、下15；三級(jí)上4、下17～18。拆檢的故障氣閥內(nèi)外表面油膜分布正常，根據(jù)注油量和氣閥拆檢情況來(lái)看，二級(jí)氣缸注油量是正常的。查看壓縮機(jī)溫度、壓力等運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，因此排除壓縮機(jī)操作因素造成氣閥閥片斷裂。

從閥片斷裂總是固定發(fā)生于二級(jí)蓋側(cè)排氣閥來(lái)看，問(wèn)題可能由于系統(tǒng)因素，而不是某些偶然因素造成，因此可以排除氣閥批次質(zhì)量等偶然因素造成氣閥故障。

重新審核二級(jí)氣閥原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，排氣閥主要參數(shù)，如閥片開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)的撞擊速度、彈簧力、閥片關(guān)閉角等均在正常范圍。閥片正、反面與閥座、閥蓋的撞擊痕跡均比較輕微（見(jiàn)圖6和7），表明氣閥工作時(shí)，無(wú)論是開(kāi)啟還是關(guān)閉，撞擊速度均正常，閥片斷裂不是設(shè)計(jì)因素造成。

圖6 閥片開(kāi)啟撞擊痕跡（與閥蓋）

圖7 閥片關(guān)閉撞擊痕跡（與閥座）

壓縮機(jī)介質(zhì)H2是由制氫裝置生產(chǎn)的高純度氫和一部分重整裝置生產(chǎn)的重整氫混合而成，實(shí)際H2含量在一定范圍內(nèi)變化。從故障前后壓縮機(jī)介質(zhì)組份的分析結(jié)果可知，介質(zhì)氫含量在92.456%～98.477%之間變化，如圖8中的氫氣組分變化所示，根據(jù)車(chē)間工藝卡片要求，裝置新氫H2含量只需大于92%就滿足工藝要求，對(duì)比氣閥原始設(shè)計(jì)工況和實(shí)際運(yùn)行工況，壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)接近原始設(shè)計(jì)參數(shù)，唯一變化明顯的是介質(zhì)氣體的摩爾分子量，設(shè)計(jì)介質(zhì)組份為：H2：98.92%、CH4：1.039%、C6H14：0.041%，摩爾分子量為2.19g/mol，而2014年8月12日的介質(zhì)組份，摩爾分子量達(dá)到5.55g/ mol，變化超過(guò)一倍。

圖8 8月氫氣組分變化圖

分別用H2含量98.48%、95.36%、92.46%的介質(zhì)組份校核各級(jí)氣閥主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)二級(jí)蓋側(cè)排氣閥片撞擊速度分別為最大允許撞擊速度的92.7%、93.5%、95.4%，閥片關(guān)閉時(shí)的撞擊速度，隨摩爾分子量的增加而逐漸增大；同時(shí)，關(guān)閉彈簧力則隨摩爾分子量增加而變得越來(lái)越弱；更嚴(yán)重的是當(dāng)介質(zhì)氣體中H2含量從98.48%向92.46%變化時(shí)，二級(jí)蓋側(cè)排氣閥模擬運(yùn)行時(shí)的關(guān)閉角越來(lái)越大，并有二次關(guān)閉的情況，二次關(guān)閉的關(guān)閉角均超過(guò)180°，氣閥實(shí)際延遲關(guān)閉；二級(jí)軸側(cè)排氣閥上述參數(shù)則正常（軸、蓋側(cè)排氣閥的差異，主要由于軸側(cè)氣缸有活塞桿的影響）。

綜上所述分析認(rèn)為，造成二級(jí)蓋側(cè)排氣閥閥片連續(xù)斷裂的主要原因是介質(zhì)組份中H2含量的變化，由于H2分子量小，H2含量的少許變化，造成介質(zhì)氣體摩爾分子量成倍變化，該變化使氣閥運(yùn)行時(shí)，閥片的運(yùn)動(dòng)參數(shù)偏離原始設(shè)計(jì)，氣閥有延遲關(guān)閉的傾向，進(jìn)而造成閥片關(guān)閉時(shí)撞擊過(guò)速在閥片最薄弱的邊緣位置發(fā)生斷裂。

三、處理建議及改進(jìn)措施

為了盡可能的利用原閥，方便現(xiàn)場(chǎng)工作和實(shí)施，試圖通過(guò)改變彈簧力的方式調(diào)整氣閥，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，但由于選擇合適的彈簧與之匹配較為困難，因此只能通過(guò)改變彈簧數(shù)量來(lái)微調(diào)，但改變彈簧數(shù)量，實(shí)際上已不能利用原閥，因此建議采用改變閥型的措施，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況（圖9）。

查閱相關(guān)氣閥設(shè)計(jì)技術(shù)資料，認(rèn)為采用CS型非金屬網(wǎng)狀閥替換原閥可以實(shí)現(xiàn)。CS型氣閥是一款成熟閥型，在石化、煉油、天然氣、空分等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并有良好的應(yīng)用效果記錄。其特點(diǎn)如下：

（1）選用PEEK材料閥片（與原閥片材料一致），抗沖擊性能強(qiáng)；（2）該閥型槽道寬、通流性好，閥損低；（3）相對(duì)于同尺寸的其它閥型，CS氣閥彈簧數(shù)量多，布置均勻，保證閥片平穩(wěn)開(kāi)啟和關(guān)閉；（4）利用計(jì)算機(jī)模擬氣閥的運(yùn)動(dòng)，可精確設(shè)置合理的彈簧力，尤其對(duì)介質(zhì)組分變化有更寬的適應(yīng)范圍。

圖9 CS非金屬網(wǎng)狀閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

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