盧 永，劉建新，劉 亮

(中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101)

某20萬t/a聚丙烯裝置循環(huán)丙烯壓縮機為瑞士布克哈德公司生產的三缸兩級往復式壓縮機，型號為3K160-2D-1。該壓縮機的主要作用是將經閃蒸罐中分離出的夾帶聚丙烯粉末及三乙基鋁助劑的氣相丙烯進行回收，并經白油洗滌過濾后進入壓縮機入口，通過兩級升壓后返回丙烯循環(huán)系統(tǒng)。

自裝置投產以來，該壓縮機氣閥使用壽命最長不超過12個月，最短不足6個月。由于沒有備機，氣閥故障后需要停機將回收丙烯排放掉才能進行更換，處理時間超過8 h，不僅嚴重影響裝置的長周期運行，還會造成一定的經濟損失。為此，對該壓縮機氣閥頻繁故障原因進行分析，并采取措施加以改進，以期為同類裝置出現的類似問題提供參考。

聚丙烯裝置循環(huán)丙烯壓縮機主要運行參數見表1。

表1 循環(huán)丙烯壓縮機主要運行參數

1 故障現象及拆檢情況

1.1 氣閥

往復壓縮機氣閥主要負責氣體的吸入和排出，由閥座、閥片、彈簧、升程限制器、定位螺栓等主要部分組成。氣閥作為往復活塞式壓縮機中的重要部件也是易損壞的部件之一，它的好壞直接影響壓縮機的排氣量、功率消耗及運轉的可靠性。目前往復式壓縮機正向高轉速方向發(fā)展，而限制轉速提高的關鍵問題之一就是氣閥。

往復式壓縮機一般都采用“自動閥”，就是氣閥的開啟與關閉是依靠閥片兩邊的壓力差實現的，沒有其他的驅動機構。如圖1所示，氣閥主要由閥座、閥片、彈簧、升程限制器和將它們組為一體的螺栓、螺母等組成。排氣閥的結構與吸氣閥基本相同，兩者僅是閥座與升程限制器的位置互換，吸氣閥升程限制器靠近氣缸里側，排氣閥則是閥座靠近氣缸里側。

圖1 氣閥結構示意

1.2 故障現象

該往復壓縮機自投產以來，每運行一段時間就會發(fā)現一級排氣閥中的1號、2號瓦魯溫度逐步升高，機組壓縮能力下降。且隨著瓦魯溫度持續(xù)升高，機組壓縮能力持續(xù)下降，直至無法達到正常運行要求。壓縮機氣閥從安裝至失效過程出口壓力與瓦魯溫度數據見表2。

表2 壓縮機氣閥從安裝至失效過程出口壓力與瓦魯溫度數據

1.3 拆檢情況

氣閥閥座與升程限制器上都有環(huán)形或孔形通道，工作時供氣體通過。閥片與閥座上的密封口貼合形成密封。升程限制器上有導向凸臺，對閥片升降起導向作用。結合表2數據，二級出口壓力伴隨一級出口壓力下降而降低，且一級與二級瓦魯溫度同步上升，初步判斷為一級排氣閥出現故障。對氣閥進行拆檢，氣閥故障部位如圖2所示。

圖2 故障氣閥

由圖2可以觀察到：

1) 一級排氣閥的閥環(huán)破損，有3 cm左右的缺口，且閥片上布滿很深的彈簧撞擊凹槽。

2) 排氣閥閥座存在少量積碳。

2 氣閥失效原因分析

2.1 氣閥失效的原因分析

根據表2，將壓縮機氣閥從安裝至失效過程出口壓力與瓦魯溫度數據作對比分析，如圖3所示。

圖3 壓縮機氣閥從安裝至失效過程出口壓力與瓦魯溫度趨勢

由圖3可以觀察出：

1) 壓縮機運行初期，一、二級出口瓦魯溫度比較穩(wěn)定，壓縮機運行一段時間之后，一、二級出口瓦魯溫度逐漸升高。

2) 隨著瓦魯溫度升高，一、二級出口排氣壓力逐漸減小，直至氣閥失效。

通過對該壓縮機氣閥拆檢結果及運行數據的研究，發(fā)現導致其氣閥失效加快的因素可能有以下3種：

1) 氣閥閥片安裝不規(guī)范；

2) 進氣介質較臟，污染氣閥；

3) 氣閥選型不當。

若氣閥閥片安裝不規(guī)范，在運行初期就會產生閥窩振動加強、氣閥泄漏、排氣溫度增大等現象，無法運行較長時間，所以不在本次分析討論范圍內。下面針對其他2種因素逐一進行分析討論。

2.2 氣閥失效的因素分析計算

2.2.1 進氣介質因素分析

如圖4所示，該壓縮機循環(huán)回收丙烯的主要工藝流程為：來自前工段的聚丙烯漿料(主要包含聚丙烯粉料、丙烯、三乙基鋁、烴油)經閃蒸罐D301分離出大量高壓丙烯，剩余含有少量丙烯單體的聚合物進入袋式過濾器F301； 在F301中聚合物和單體進一步分離，聚合物在料位控制下，從F301進入后續(xù)系統(tǒng)，而丙烯氣體從F301頂部排出，經安全過濾器F302進入低壓丙烯洗滌塔T302洗滌； 洗滌后的丙烯氣經T302頂部冷卻器E304冷卻到40～50 ℃后進入霧沫分離器D304； 在D304中丙烯氣與油分離，丙烯氣再經壓縮機入口過濾器F303進入丙烯氣循環(huán)壓縮機PK301，經PK301壓縮至1.6 MPa以上回收再利用。

圖4 壓縮機丙烯氣循環(huán)工藝流程

T302為折流板式塔，洗滌介質為白油和Atmer163混合液體(體積比為2∶1)，洗滌液從塔上部沿塔板流下，丙烯氣從下部進入向上流動與洗滌液逆向接觸，通過T302循環(huán)泵P304不斷循環(huán)洗滌，除去氣體中夾帶的聚丙烯細粉及剩余的三乙基鋁；Atmer163與三乙基鋁反應，生成穩(wěn)定的液態(tài)油溶性絡合物。根據設備操作手冊要求，往復壓縮機每連續(xù)運行兩個月或當白油中的鋁含量(三乙基鋁含量的標注量)超過5%(質量百分數)時更換新的白油。表3所示為壓縮機運行過程中對T302白油中鋁含量進行定期分析的數據。

表3 壓縮機運行過程中對T302白油中鋁含量定期分析數據

根據上述工藝流程，該丙烯氣壓縮工藝流程有3道過濾流程(F301、F302、F303)，2道分液流程(E304、D304)，通過對進入壓縮機入口丙烯夾帶雜質進行分離，實際上進入壓縮機中的雜質已經相當微量；且根據表3分析數據并配合氣閥拆檢結果，在氣閥座以及氣缸壁上并沒有發(fā)現大量的積碳現象，也沒有發(fā)現壓縮機帶液的問題。綜上所述，往復壓縮機PK301在氣閥從安裝到運行周期內，并沒有明顯的帶液或者雜質積碳現象，所以本次氣閥失效原因基本排除進氣介質較臟這個因素。

2.2.2 氣閥選型因素分析

聚丙烯裝置循環(huán)丙烯壓縮機原一級進氣閥/排氣閥、二級進氣閥/排氣閥閥型均為165CGE 環(huán)狀閥，閥片材質為PC(復合聚碳酸酯)。其閥片耐沖擊速度最大約為4 m/s，關閉彈簧線圈直徑為6.25 mm。其實物結構如圖2所示，設計參數如表4所示。

表4 往復壓縮機原裝氣閥165CGE環(huán)狀閥設計參數

從圖2中可以看出，該種氣閥閥片為間隔環(huán)形結構，每組環(huán)形閥片下都裝有關閉彈簧，靠近中心的2組閥片每組安裝有4件彈簧，遠離中心2組各為6件彈簧。在使用過程中，每組閥片單獨作用，當閥片內、外壓力差超過彈簧壓力時，閥片開啟，氣體吸入或排出壓縮機氣缸；當閥片內、外壓力差低于彈簧壓力時，閥片關閉，進入下一個壓縮階段。

對圖2氣閥閥片斷面進行微觀分析觀察，如圖5所示。

圖5 聚丙烯裝置原裝165CGE環(huán)裝閥閥片斷面微觀圖像

由圖5觀察可知，氣閥閥片破損的主要原因為疲勞斷裂，說明閥片在啟閉過程中，受到較大的沖擊載荷，而現有氣閥結構無法長時間承擔該載荷沖擊，最終導致閥片斷裂，這是導致聚丙烯裝置氣閥失效的主要原因。

通過對氣閥結構及原理的分析可以發(fā)現，該種氣閥存在如下兩方面缺陷：

1) 無相對有效的緩沖機構。當閥片升程較大時，彈簧在輔助閥片關閉時，閥片貼合閥座的過程中會獲得較大的動能，撞擊閥座，運行一段時間后，閥片會面臨疲勞斷裂的風險。

2) 彈簧回座力不對稱。上文提到，每組閥片都裝有對稱的回座彈簧，但由于彈簧材質、彎曲度不可能做到絕對相同，彈簧在運行一段時間后，可能面臨彈簧回座力傾斜的問題，導致閥片在與閥座貼合時產生交變載荷，造成閥片過早損壞。

下面針對上述兩方面缺陷對氣閥進行優(yōu)化改造。

3 氣閥的優(yōu)化改造

3.1 氣閥優(yōu)化改造

優(yōu)化改造后的氣閥如圖6所示。

圖6 聚丙烯裝置優(yōu)化改造后的氣閥結構

如圖6所示，將原來的型號為165CGE 環(huán)狀閥更改為了帶緩沖機構的165CP閥門。

165CP閥門結合了環(huán)狀閥與網狀閥的特點，其優(yōu)點如下：

1) 優(yōu)化的氣體流道設計，使氣閥效率更高，閥損比常規(guī)環(huán)狀閥減少30%～40%，有利于壓縮機運行工況下的節(jié)能降耗。

2) 閥片材質更換為HP非金屬復合材質(PEEK+ 碳纖維)，允許撞擊速度更高、使用壽命更長。HP材料為含有長碳纖維增強的含氟高分子聚合物，具有優(yōu)良的抗化學性能，很低的熱膨脹和吸濕性，耐溫范圍廣(-150～220 ℃)，抗疲勞開裂性能優(yōu)異。

3) 采用大載荷的粗壯彈簧，提高彈簧的疲勞強度，更能抵抗動態(tài)交變載荷。

4) 增加雙緩沖彈簧結構設計，在閥片啟閉過程中，使閥片回座速度大幅度降低，減小閥座對閥片的沖擊載荷。CP氣閥升程與彈簧載荷曲線如圖7所示。CP氣閥升程與閥片沖擊速度示意如圖8所示。

圖7 CP氣閥升程與彈簧載荷曲線

在圖7和圖8中，氣閥總升程為h(h=h1+h2)，包含2個部分。其中h1為氣閥在關閉彈簧的作用下的升程，其運行終了時速度為V1；h2為氣閥在緩沖彈簧作用下的升程，其運行終了時速度為V2。假設閥片質量為m1，緩沖片總質量為m2，根據動量守恒定律得：

圖8 CP氣閥升程與閥片沖擊速度示意

m1×V1= (m1+m2)×V2

(1)

由式(1)可知，在運行允許的條件下，通過增加緩沖片，氣閥閥片在運行終了時的速度可得到一定程度的降低。此種方法可以有效減小氣閥的疲勞沖擊載荷。

3.2 氣閥優(yōu)化結果

氣閥優(yōu)化后參數如表5所示。

表5 優(yōu)化后壓縮機氣閥參數

由表4和表5觀察可知：

1) 氣閥的材質由原來的PC更改為HP。HP為非金屬復合材質，相較PC材質，其允許的撞擊速度更高、使用壽命更長，允許撞擊速度由原來的4 m/s提高至8 m/s。

2) 在氣閥流通面積基本不變的前提下(略有增加)，優(yōu)化后的氣閥升程相較于原氣閥下降了25.0%～33.3%，其撞擊系數同步降低了24.0%～32.6%。

3) 同時由于增加了彈簧的線圈直徑(由6.25 mm增加至8.25 mm)，其彈簧載荷系數增加了32%，氣閥抗交變載荷能力大幅度上升。

4) 由于優(yōu)化的氣閥對氣體流道進行了改進，其閥損進一步降低，相較原氣閥，優(yōu)化的氣閥閥損理論上可節(jié)省4.87 kW。

4 氣閥結構優(yōu)化效果

優(yōu)化后壓縮機氣閥運行過程中出口壓力與瓦魯溫度數據見表6。

由表6可知，經過優(yōu)化氣閥改造后的壓縮機，運行過程中，其二級出口排氣壓力始終在1.7 MPa以上，滿足現場使用條件。

表6 壓縮機氣閥優(yōu)化后運行過程中出口壓力與瓦魯溫度數據

氣閥經優(yōu)化后，運行出口壓力與瓦魯溫度趨勢如圖9所示。

從圖9中可以看出：氣閥優(yōu)化后，其一級出口瓦魯溫度在100 ℃左右波動，二級出口瓦魯溫度在90 ℃左右波動，一級出口壓力基本穩(wěn)定在0.53 MPa，二級出口溫度基本穩(wěn)定在1.73 MPa，說明氣閥經優(yōu)化后，現場壓縮機運行狀況相較之前有了明顯好轉。目前該壓縮機已穩(wěn)定運行超過15個月。

圖9 壓縮機氣閥優(yōu)化后運行出口壓力與瓦魯溫度趨勢

6 結語

針對往復式壓縮機運行過程中氣閥頻繁疲勞斷裂的問題，分析發(fā)現，良好的氣閥運行環(huán)境以及合適的氣閥結構對壓縮機安全、長久運行能起到至關重要的作用。對氣閥結構及閥片材質進行優(yōu)化后，上述問題得到明顯改善，體現在如下幾個方面：

1) 從裝置運行平穩(wěn)率來看，該壓縮機氣閥在正常安裝的前提下，優(yōu)化后已使用超過12個月，極大地延長了裝置穩(wěn)定運行時間。

2) 從節(jié)能效果上來看，可以有效減少經濟成本的額外投入以及壓縮機停工次數，降低能耗，增加裝置收益。

3) 從環(huán)保層面來看，杜絕了壓縮機停機后火炬的頻繁排放，真正實現了企業(yè)減負與節(jié)能減排的雙贏局面。

4) 從氣閥選型來說，根據運行參數及工況選擇合適的氣閥類型，可以有效保證往復壓縮機的長周期運行。