制加氢压缩机气阀寿命短的原因分析及改进

马文礼，张 剑，温万春，高庆明，姜文波

(中石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆克拉玛依 834003)

1 引言

气阀被誉为往复压缩机的心脏[1]，其性能的好坏直接影响着压缩机的使用效率。研究表明，30%以上的非正常停机都是由于气阀的失效或者非正常工作而引起的。某炼油厂制加氢装置压缩机于2018年5月按计划进行气阀改造工作，将气阀由蘑菇阀片结构改为网状阀片结构。改造配件共2台套气阀，按计划先改一台机子观察使用效果。从改造后一年使用情况看，气阀使用寿命不满足8000 h改造要求。其中新氢一级缸排气阀寿命仅有2000～3000 h，气阀使用寿命严重不足。基于此，笔者对该压缩机气阀寿命短的原因进行了分析，并给出了相应的改进措施，为国内相关石化设备工作人员提供借鉴和参考。

2 压缩机参数

制加氢装置新氢-循环氢联合压缩机K-1101+1102/B，型号：13-4HHE-VG-2.1，由上海德莱赛兰压缩机公司制造，结构为四列缸对置式。左侧分别是新氢一、二级缸，右侧两列为循环氢缸，进排气压力：新氢一级2.0/4.2 MPa、新氢二级4.2/9.4 MPa；循环氢7.6/9.2 MPa。该压缩机的相关技术参数如表1所示。

3 气阀故障案例

2019年7月3日，90万柴油加氢装置压缩机K-1101+1102/B使用中出现新氢一级出口压力不足问题，正常工况下一级出口压力为4.15MPa左右，实际只有3.90MPa。初步判断可能因为气阀故障导致一级出口压力下降。7月4日按计划切换机组，停机对K-1101+1102/B新氢一级缸盖侧2只排气阀拆检。拆检情况：阀片一只断裂、局部缺损，另一只阀片有裂纹缺陷，2只阀片弹簧以及弹簧座存在部分断裂情况，阀盖油泥较多，注油量较大，如图1所示。此次新氢一级缸排气阀出现故障时仅仅使用约2031 h，气阀使用寿命严重不足。2019年8月2日，为配合K-1101+1102/A机大修工作，某制加氢装置将联合压缩机切换至K1101+1102/B运行。运行一天后，新氢缸一级出口压力突然上升（4.08 MPa升至4.24 MPa）。用点温仪现场对新氢缸气阀进行温度检查，发现新氢二级盖侧排气阀96℃，正常值为75℃左右，判断二级缸盖侧排气阀泄漏。切换停用机组后，联系拆检更换新氢二级缸2只排气阀。拆检情况：盖侧排气阀外圈局部断裂2处，阀片弹簧帽大部分断裂，阀盖油泥较多，如图2所示。这只气阀自2019年4月大修后更换气阀使用时间约2700h，气阀寿命严重不足。

总体而言，由于气阀故障而造成的压缩机运行工艺参数异常的现象包括排气量不足，排气温度过高，负荷量降低，轴盖两侧气阀温差过大等。对于气阀，其故障的表现形式有弹簧断裂，阀片断裂，弹簧座断裂，气阀出现异常声响等，其中阀片和弹簧帽断裂成为了该压缩机组气阀使用寿命短的主要因素。

4 气阀寿命短的原因分析

根据上述气阀表现出来的故障形式，剖析其损坏的原因，主要包括以下几点：

（1） 工艺气带液。压缩机入口介质比较脏，介质中带液使介质的比重增大，在工作过程会对气阀造成液击阀片受到的压强增大。液击是指介质中的液体具有不可压缩性，在高压气体的作用下，对气阀的各个零部件造成较大的冲击，损坏阀片[2]。

（2） 压缩机注油量过大。压缩机在运行时如果注油量过大则会导致缸内润滑油不能及时消耗，阀内积油[3]，通过压缩后残留在气阀表面，最后导致油泥较多，阀片在开启和关闭过程中产生油黏滞力。在阀片起闭过程中会产生较大的冲击力，在承受较大冲击的过程中阀片会提前产生疲劳断裂[4]。

（3） 弹簧失效。通过断裂的弹簧帽设计图纸进行分析，发现弹簧帽的底端和杆之间变径处缺少圆角过渡，一旦出现弹簧与连杆在气阀运行过程中产生干涉，如有破损问题就容易出现应力集中，很容易导致弹簧帽断裂。弹簧的失效会使阀片受力分布不均匀，运动规律发生变化，从而导致阀片在上下运动中的侧倾撞击加剧，最终造成阀片断裂[2]。

表1 压缩机组相关技术参数

图1 新氢一级排气阀阀片弹簧帽断裂

（4） 阀片材质缺陷。气阀的质量对于压缩机的安全稳定运行至关重要[5]。该压缩机的气阀阀片材质为PTFE，这种阀片的耐冲击性较差，当一旦实际运行工艺参数稍有变化，极易导致阀片瞬间冲击速度超过规定值而引起阀片失效。

此外，压缩机的频繁启停、工况改变等因素也会造成气阀的失效[6]。

5 改进措施

基于对气阀使用寿命短的原因分析，从2019年8月中旬起我们对该压缩机组的气阀先后进行2次改造，改造后的气阀从2019年9月运行至今内没有出现任何气阀故障问题，有效解决了压缩机组气阀故障频发的问题。具体的气阀改造措施如下：

（1） 提高工艺气纯度，减少带液。

图2 新氢二级排气阀阀片弹簧帽断裂

图3 弹簧帽结构图

（2） 降低压缩机注油量。针对目前注油量过高15滴/min的情况逐步降低注油量，将压缩机缸体注油量控制在（5～6） 滴/min，改善阀窝大量积液情况。

（3） 对阀片的材料进行升级。将材质由原来的PTFE（聚四氟乙烯） 改为更耐冲击PEEK（聚醚醚酮） 材料，以增加阀片材料的强度、韧性和抗冲击能力[2]。

（4） 对弹簧帽材质进行升级，由原来的PTFE（聚四氟乙烯） 改为更耐冲击PEEK（聚醚醚酮）材料；对其结构进行改进，加大变径处圆角，减小应力集中，同时将小端尺寸改小，将长度由原来的7 mm缩短到3 mm，以免与弹簧内孔产生干涉，确保在使用过程中不会发生断裂。改进前后的弹簧帽结构，如图3所示。

6 结语

长久以来，压缩机气阀使用寿命短一直是困扰着石油、化工等企业相关设备工作人员的难题，主要原因为压缩机型众多，实际工况复杂多变等。本文对某炼油厂制加氢压缩机组气阀使用寿命短的原因进行了分析，并对故障气阀实施了相应的改进，最终解决了压缩机气阀寿命短的问题，不仅节约了维修成本，而且延长了压缩机的有效运行时间，为国内处理类似气阀寿命短的问题提供了借鉴和参照。