往复式压缩机气阀故障分析及改进措施

往复式压缩机气阀故障分析及改进措施

崔峰1、陶义2、马风龙3、李晶4 摆文龙4

 （中国石油独山子石化分公司设备检修公司，新疆独山子，833699）

摘要：某化工厂氢气压缩机，结构为六段四级、对称平衡式往复式压缩机。压缩机重要零部件之一的气阀更换周期为一年。本文通过对一次升级改造气阀，运行后产生的异常结果等方面进行分析，增加对环状阀与型面阀的了解与认知。

关键词：往复式；环状阀；型面阀；

引言：

某化工厂氢气压缩机，结构为六段四级、对称平衡式往复式压缩机。压缩机重要零部件之一的气阀更换周期为一年。在最近的一次检修中，供货厂家将气阀结构由原来的环状阀升级为型面阀，在检修完成运行过程中发现：随着压缩机运行一段时间后，一级的排气温度逐渐升高，约5-6个小时候，一级排气温度稳定在 130℃左右，同时二、三、四级的排气压力逐渐降低，并逼近报警压力，随即第二日早晨停机检修；停机后分析原因：确定为更换新的型面阀设计与工况不符。从而对环状阀与型面阀进行探讨与研究。

1.设备概况

次压缩机结构为六段四级、对称平衡式往复式压缩机。

图1氢气压缩机结构

主要技术参数见表1

表1氢气压缩机技术参数表

2、气阀的结构及零部件介绍

气阀是往复压缩机重要的组成部分之一，被称为往复压缩机的心脏。往复式压缩机的气阀分进气阀部件和排气阀部件两种，均为单向阀，由阀片、弹簧、阀座、升程限制器组成，带有气量调节系统的吸气阀部件则配有执行机构。气阀是实现气体压缩的关键。

2.1阀座：阀座用于支承阀片，上面开有由阀片控制开关的气流通道。阀座要承受阀片的冲击，故通常采用钢、铸铁、合金铸铁、稀土球器铸铁或青铜等耐冲击的材料制造。

2.2阀片：阀片是控制气流通道启闭的重要零件。工作中除了受气流推力、弹簧力和惯性力的作用而周期地与阀座和升程限制器冲击外，在阀关闭期间还承受压向阀座的空气压力，因而易于磨损和变形。为了保证气密性，要求其与阀座的配合面应光滑平整无伤痕。阀片也可用塑料和尼龙等非金属材料制造。这种阀片密封性好，耐冲击，使用寿命长，但强度较差，热变形大。
    2.3弹簧：弹簧的主要作用是使气阀关闭及时，缓和阀片与升程限制器的冲击。气阀工作时，弹簧周期地被压缩和伸长，故多用具有较高疲劳强度的高级弹簧钢丝制造。弹簧能否起到应有的作用，关键在于其弹力的选择是否怡当。气阀弹簧太硬，阀开启迟滞，阻力损失和阀片对阀座的冲击均大;太软，阀关闭不及时，空气回流，排气量降低。更为严重的是，由于阀片延迟落座，活塞已回程，此时气流作用力变成与弹簧力的作用方向一致，促使阀片以更大加速度落座，从而引起更大的冲击。应当指出，太软的弹簧对排气阀工作的影响尤甚。所以，一般排气阀的弹簧比吸气阀弹簧硬。
    2.4升程限制器
升程限制器用以限制阀片的升程，并兼作阀片运动的导向装置。阀片的升程对气阀的工作影响很大。升程过大，阀关闭时的冲击就大，且关闭延迟；升程过小，虽然阀片的冲击力减小了，但由于阀的流通面积减小，气流流经阀时的阻力损失将增大。

3、故障原因分析

该机组在检修完成运行过程中发现：随着压缩机运行一段时间后，一级的排气温度逐渐升高，约5-6个小时候，一级排气温度稳定在 130℃左右，同时二、三、四级的排气压力逐渐降低，并逼近报警压力。通过对设备和工艺进行分析发现工艺流程和设备流程均时按照正常操作，未发现异常，对比发现检修更换配件中气阀由结构由原有的环状阀更改为型面阀。通过对比环状阀和型面阀结构组成分析，结构如下：

网状阀因为结构设计简单，应用范围广而被广泛的使用。网状阀与环状阀相比，有三种明显优势：一是环状阀由于其结构特点，气阀工作时内部每一环的阀片动作不统一，造成气流不稳定；二是每一环阀片在气阀内部都有导向面，而且密封面多为斜面，阀片和密封面极易磨损，环状阀的更换频率增加；三是由于密封面加工复杂，要求精度较高，所以制作困难，成本高。但是网状阀刚好弥补了环状阀的所有缺陷，网状阀阀片是整体阀片，而且阀片动作不需要导向面，密封面为平面，其结构特点减少了阀片的磨损，以及阀片运动过程中对密封面的损伤，而且结构简单，容易加工。所以在节约成本和提高效率方面来说，气阀的形式应尽量采用网状阀。但随着近几年的技术进步，如采用PEEK材质等，网状阀的应用也越来越广泛。

对于原平面阀与型面阀的结构，以一级平面进气阀和一级型面进气阀为例，可以发现，型面阀的通流面积明显小于平面阀。

进一步分析通流面积变小后的深层次影响：即马赫数的变化。马赫数反映了流动阻力损失的大小，直接影响气流通过气阀的压降和流量，马赫数越大流动阻力损失越大，反之则越小。对比平面阀和型面阀的马赫数如下表所示：

表2平面阀与型面阀的马赫数对比

   对于氢气压缩机，一般的马赫数为 0.08-0.12 左右，确实此次型面阀的设计马赫数偏大。当马赫数偏大时，气流通过气阀的阻力损失增大。以一级为例（主要也是一级，它决定了整个压缩机的进气量）对于进气阀，则进入压缩腔的气体量变少，且压缩机吸气过程结束时， 压缩腔压力可能低于进气压力；对于排气阀，则压缩机没有足够的时间将压缩腔内的气体排出，可能排气过程结束时，排气压力仍然高于排气缓冲罐的压力，从而造成压缩机吸气量不足，内压比增大，导致压缩机的流量下降，一级排气温度升高。二、三、四级由于本身的压 比不大，且马赫数超差不是太大，所以温升并不明显。当压缩机运行一段时间后，发现排气压力越来越低，接近报警线，造成该现象的原因是，一级的排气温度越来越高，导致压缩机膨胀过程越来越长，吸气过程越来越短，即压缩机的吸气量越来越少。因此，气阀通流面积设计太小，导致马赫数偏大是导致此次型面阀使用出现气量下降、各级排气压力下降、一级排气温度升高的主要原因。

4. 改进措施效果及总结

型面阀改进：在现有型面阀的基础上，各级外圈都增加了两道环，增大了通流面积。改进后的马赫数如下表 3 所示：

表 3 改进后新版型面阀的马赫数

型面阀设计的通流面积较小是导致气量不足、压力下降、一级排气温度升高的主要原因。

气阀与往复压缩机的可靠性、容积流量、能耗等性能有着密切关系，在气阀设计、制造过程中，需统筹考虑气阀的可靠性与经济性，根据压缩机的转速、气缸尺寸、压力、级的压力比、温度、气体性质等参数选择合适的气阀结构型式，应用相关软件模拟气阀的工作过程，对气阀的气流通道、弹簧力、升程、可靠性等进行优化设计，获取气阀的各最优结构参数与 特性参数，并采取有效措施确保气阀制造质量达到设计要求，为提高压缩机的可靠性、经济性创造有利条件。

参考文献

[1]魏存祥，胥勋才，骆敏珠，冯丞科. 往复式天然气压缩机故障诊断方法[J]. 天然气技术. 2009（05）

[2]武亚静，史锋.往复活塞式压缩机设计软件[J1，计算机辅助工程，2009

[3] 任晓善 化工机械维修手册﹝中卷﹞ 北京  化学工业出版社  2004.5

第一作者简介：崔峰（1975年）男 大专  高级技师。  联系人：崔峰  高级技师，设备管理与维护，电话：15999481258