加氢装置往复压缩机气阀损坏案例分析

梁凤喜

（中海油气（泰州）石化有限公司，江苏泰州225300）

1 引言

据贺尔碧格统计，气阀、活塞杆填料、活塞环是往复压缩机3大易损件，同时，因气阀工作环境恶劣，强度大，它又是3大易损件中最容易损坏的零部件[1]，因气阀损坏而引起的停车占非计划停车的40%以上。而气阀的结构和性能直接决定往复式压缩机能否长周期安全稳定运行，因此，气阀被称为往复压缩机的心脏。

往复压缩机常用的气阀有环状阀、网状阀、菌状阀、气垫阀、活塞阀等[2]。到目前为止，绝大数往复压缩机都采用环状阀和网状阀，但不论哪种气阀，基本都是由阀座、弹簧、阀片以及阀盖组成，其中阀片和弹簧的质量是气阀寿命的主要影响因素，一般对长周期连续运转的压缩机，气阀的寿命要求达8000 h以上[3]。

2 往复压缩机各类气阀特点

环状阀和网状阀的优点是：气流阻力小，气阀弹簧力小，还可设置缓冲片来提高气阀的稳定可靠性。其缺点是：每个弹簧可能受力不均匀，导致阀片对阀体的撞击力加大，致使阀片断裂、阀片有豁口，弹簧失效。

菌状阀的优点是：小升程，噪声低，单一阀头，阀头不是同时损坏，对装置影响较小，不会造成设备的突然停车。其缺点是：直径较大，重量较大，阀头及弹簧易损。

气垫阀的优点是：每个阀片均设有一个气垫腔[4]，减缓阀片与阀座的撞击及弹簧的损坏。其缺点是：因气垫腔的存在导致气阀的流通面积较小，气阀阻力损失大，进而导致能耗大。

活塞阀是一种安装在活塞上的新型气阀，用排气阀组和活塞相结合的活塞阀替代传统的活塞，与传统外置型相比，不再需要阀盖的密封，消除了气体泄漏的隐患，目前国内应用较少。

3 案例分析

环烷基润滑油加氢装置压缩机从美国Dresser-Rand公司进口，新氢压缩机与循环氢压缩机组成联合压缩机组氢压缩机为3级压缩机，循环氢压缩机为一级压缩机，联合压缩机组为双层布置，采用4列4缸对称平衡型往复式压缩机，气缸为卧式双作用，采用上进气下排气连接方式，气阀形式为菌状气阀，不锈钢阀座及阀笼，Elgiloy弹簧，采用PEEK材料的阀门元件。气缸两侧进气阀均使用气动控制的叉式卸荷器，顶开阀片卸荷。电机为无刷励磁增安型三相异步电动机，功率：1450 kW，转速：333 r/min，电压：10 kV。

该压缩机循环氢端进气阀自开工以来多次发生损坏，平均寿命为2个月，其余各级气阀均正常。气阀解体后，发现阀头密封面处磨损成阶梯状，部分阀头已经破碎。气阀弹簧若干只断裂、缺失或节距改变，有的碎裂成小段，如图1所示。依照损坏程度依次为：弹簧失效或断裂、阀头破损，卸荷器指针断裂，如图2所示。

经过分析气阀损坏的原因主要归结为以下5点：

（1）装置正常生产循环氢中H2S含量要求低于25 ppm，实际低于1 ppm，但如果循环氢脱硫塔出现波动，循环氢氢中H2S的含量会高达100 ppm，同时装置检修后开工需要进行预硫化，硫化过程中循环氢中H2S含量高达900 ppm。气阀实际会接触高设计工况外的H2S环境，H2S是一种腐蚀性较强的有害物质，它可以造成气阀弹簧变硬变脆发生氢脆断裂。这样在气阀启闭的交变应力作用下较快断裂失效；可以考虑选用可以抵抗H2S腐蚀的弹簧来提高气阀弹簧寿命。

（2）拆卸气阀时发现工艺气体湿度较大，容易产生凝液；粘稠的凝液会造成阀头启闭迟滞，进而造成过大的冲击及阀芯振动，这也会造成阀头及其弹簧过早失效。

（3）顶开气阀调节压缩机负荷，如果阀杆顶端顶端与进气阀间隙较小，可能在压缩机运行时气阀会始终被卸荷器指针顶开，致使压缩机气阀处于故障状态下运行。卸荷器顶杆和进气阀导向杆间隙过小也会造成的阀芯的损坏，现场测绘卸荷器顶杆和进气阀导向杆间隙值为0.1~0.2 mm，低于建议值2 mm。

图1 弹簧失效或断裂、阀头破损

图2 卸荷器指针断裂

（4） 关于气阀阀芯破碎和磨损的原因，认为是由于阀芯弹簧弹力改变、弹簧碎裂以及工艺气含液量大等诸多因素造成的，同时卸荷器顶杆和进气阀导向杆间隙过小也会造成阀头破损。

（5） 关于卸荷指指针断裂原因：从卸荷指断裂位置及断面形状来看，断裂位置位于卸荷指末端螺纹根部，毫无疑问此处是应力最为集中的地方，而断面形状也指出应该是明显的疲劳断裂。初步判断，卸荷指断裂是由于气阀阀头磨损突出后快速频繁冲击卸荷指，造成弯曲和断裂。

因该气阀为美国进口，采购周期较长，关键机组必须要求完整备用，随联系国内厂家，温州市建庆实业公司对该气阀进行维修，维修后阀芯采用的弹簧材质为：17-7PH，该材料具有很强的抗剪切性及耐腐蚀性。阀头材质仍为PEEK，DR厂家建议切削导向杆，保证两个杆的间隙在1~2 mm之间，如图3所示。

该压缩机循环氢端进气阀更换为维修后的气阀，平稳运行周期仍是2个月之余，之后循环氢量逐渐降低，直至影响工艺生产，气阀解体发现，弹簧失效、阀头破损的现象并无改善。

关键机组的频繁切换和维修，不仅增加了操作人员和维保人员的劳动轻度，而且还对装置平稳生产带来安全隐患，公司领导决定更换贺尔碧格环状气阀。

贺尔碧格气阀更换后该压缩机平稳运行1年之久，但1年后一级排气阀发生一次阀片断裂故障。拆解发现：阀片外圈发生断裂，弹簧无断裂或变形，阀片和阀座密封面撞击痕迹正常，如图4所示。阀片、阀座和阀盖部分位置有润滑油堆积，阀片正面外圈有一个较大的缺口，疑似受杂质或液击所致；但阀体中未发现断裂的碎片或杂质，如图5所示。

通过对以上现象进行分析，造成此次一级排气阀阀片断裂可能与杂质或液击有关，如现场注油量大，油滴在气流推动下对气阀运动部件有液击可能。气缸操作为微油润滑，但气缸注油量过大，会使油气过多的聚集到气阀上。液体粘滞对气阀的损坏主要体现在：冲击力增大、阀片倾斜受力不均以及气阀延迟关闭。根据贺尔碧格建议及时调整注油量，将气缸注油量调整至最低需求量，目前该气阀平稳运行超8000 h未出现异常故障。

图3 切削后间隙达到1.7 mm

图4 弹簧无断裂、变形现象

图5 阀片外圆断裂

4 结论

经过原先的菌状气阀以及更换后的环状气阀发生的几次案例分析，应该从以下几个方面来提高气阀的寿命：

（1） 稳定工艺操作，特别是循环氢脱硫塔的平稳，将循环氢气体中的H2S含量维持在设计工况范围内，避免高浓度的H2S对气阀弹簧的腐蚀；

（2） 严格控制循环氢入口缓冲罐的液位，严格控制级间冷却器的温度以及级间分液罐的液位，及时脱液，减少工艺气体中的液态成分；

（3） 定期清理入口过滤器，避免工艺气体将催化剂粉尘等固体杂志带入气阀中；

（4） 调整注油器注往气缸的注油量，减缓或避免液体粘滞对气阀的损坏；

（5） 针对开工预硫化时，循环氢中H2S浓度过高的现象，采用专用阀门[5]，预硫化结束后切机再更换正常阀门，延迟阀门的寿命。

本文通过高压加氢装置采用的两种气阀形式出现的各类问题进行分析，找出了气阀损坏的原因，并比对各种气阀的特点，最终采用环状非金属气阀，稳定工艺操作，降低注油量，延迟了气阀的使用寿命，取得了明显的使用效果，为国内类似机组处理问题提供参考。