原料罐区氢气压缩机进气阀卸荷器固定卡簧断裂原因分析及改造

黄荣波

（天津津滨石化设备有限公司中沙检维修分公司检修车间，天津300270）

摘要：本文介绍了原料罐区氢气压缩机结构形式，介绍了进气气阀结构及工作原理，卸荷器结构及工作原理。阐明了进气气阀卸荷器定位卡簧断裂情况，分析了产生断裂的原因，并提出了改造方案。

关键词： 氢气压缩机    气阀      卸荷器      卡簧      断裂

1.项目概况

中沙（天津）石化有限公司原料罐区氢气压缩机为对称平衡式压缩机，气缸为无油润滑、水冷式双作用，两列一级压缩，是由沈阳远大压缩机制造有限公司设计制造的。该机组是为中沙的三聚装置（高密度聚乙烯装置、低密度聚乙烯装置、聚丙烯装置）输送原料（氢气）的中转站，由乙烯装置及小乙烯装置两路输送而来的氢气经该机组压缩升压后输送到下游的三聚装置。罐区氢气压缩机作为给下游三聚装置提供足够压力原料的重要机组，一旦该压缩机机组出现故障而停车，则直接影响着三聚装置的原料供应，从而直接影响着三聚装置的工艺生产。

在2009年该机组开车试车过程中，两列汽缸上的进气阀卸荷器的固定卡簧多次出现断裂现象，机组压缩介质为氢气，试车过程中采用氮气作为试车介质，重新更换卡簧后仍出现多次断裂现象。

2.技术参数

2.1.压缩机

排气量(吸入状态)           1.3m3/min

吸入压力(G)                 2.1～3.0MPa

排气压力(G)                 5.0MPa

吸入温度                    -19.4/41.2℃

排气温度                    22.22/129℃

循环水进水温度              32℃

循环水排水温度             ≤42℃

进水压力（G）                0.4Mpa

排水压力（G）               ≥0.25 Mpa

润滑油压力（G）            0.35～0.4MPa

压缩机转速                 485r/min

轴功率                     66  Kw

活塞行程                   180mm

气缸直径                   95mm

噪声（声功率级）           ≤85dB(A)

主机重量                   4373 Kg

最大起吊件重量(电机)       2500 Kg

传动方式                   异步电机直联传动

主机外形尺寸(长、宽、高)   5010X2300X1763mm

介质：                     氢气

2.2.  电动机

型号                        YB2-355M1-12

型式                        隔爆型三相异步电动机

防爆等级                    dⅡCT4

额定功率                    90 Kw

额定电压                    380 V

额定转速                    485 r/min      

电机重量                    2500Kg

3.进气阀卸荷器固定卡簧断裂原因分析

3.1.气阀结构及工作原理概述

气阀是压缩机重要部件之一，气缸气体的吸入和排出是通过气阀阀片的开、闭来实现的，气阀在阀片两边气体压差下自动开启；在均匀布置升程限制器上的弹簧的作用下自动关闭。阀片的升程、弹簧特性及弹簧力大小直接影响气阀的能量损失和阀片寿命。而弹簧力大小的确定与压缩机转数、气阀工作压力、气阀中气体的流速、气阀运动零件质量，阀片升程等因素有关。该压缩机的气阀采用网状阀结构，所谓网状阀可以将其看成是环状阀中各个独立的环互相连接而成，网状阀的显著优点在于密封元件只有一片，所有槽道的启闭都同时进行。从应力观点看，这种简单而均匀的阀环会变成一个复杂得多的密封元件，由于阀片为一个整体，因此当阀片的任意一点首先撞击阀座或阀盖时，阀片会弯曲，并产生复杂的不均匀的应力分布，由于应力分布不均匀，造成局部应力集中，因此会导致阀片损坏。该机组气阀结构如下图所示（图1）

图1：进气气阀及卸荷器结构图

1、阀座  2、阀盖（升程限制器）  3、阀片  4、圆柱销 5、螺栓  6、圆柱销 7、弹簧 8、垫圈 9、卸荷器压差部件 10、衬套  11、定位套  12、弹簧座   13、螺母  14、螺母  15、弹簧  16、卸荷器定位卡簧  17、压盖

每个气阀的关键部分是密封原件，密封元件通常由弹簧加载，并允许在阀座和阀盖之间运动，当密封元件紧贴阀座时，气阀处于关闭状态，当密封元件紧贴阀盖时，气阀处于完全开启状态。密封元件在阀座和阀盖之间的运动距离即为气阀升程，密封元件是在气体力及弹簧力的作用下产生运动，而不是在机械作用力下产生运动。

当气阀开启时，气流对阀片产生很大的推力，其量级为气流流过阀片时的压降和阀片面积的乘积，当气阀关闭时，气阀必须能够承受进排气两侧的压差作用，承受该静态压差的能力由阀座来提供，在绝大多数情况下，正是密封元件对阀盖或阀座的冲击才导致气阀失效，要确保气阀的长寿命就必须减小冲击速度。

气阀过早失效的其它原因还有磨损、冲蚀、固体颗粒或液滴阻塞、维护不当或机械过载，在理想状态下，一个正确设计的气阀寿命几乎无限长，但永远不可能存在这种理想状态，在气体介质被污染，如含固体颗粒、带液或含腐蚀性组分的情况下，由于气阀固有的动态特性，必将导致其使用寿命是有限的。

介质中含有颗粒，特别微小的颗粒能够通过气阀，但它会对阀座和密封元件造成磨损，并最终导致气阀失效。一些较大但又并不算大的颗粒，往往会导致金属阀片破裂，而对于非金属阀片，这种颗粒往往会嵌入到阀片里面。另外气阀在恶劣的工况下，往往会导致气阀振颤或延迟关闭，在这种情况下，要么气阀在每一个压缩行程中都会产生多次撞击，要么产生过度冲击，造成阀片提前失效。

3.2.进气阀卸荷器卡簧断裂原因分析

进气阀卸荷器是一种机械装置，在压缩机吸气及压缩过程中，它使气阀密封元件处于开启位置，吸气行程中吸入汽缸的气体在压缩行程中又重新回到吸气管线中，从而达到气量调节作用，该机组卸荷器调节气量分为三档，即0%、50%、100%。通过通入一股压缩空气作为动力源，推动卸荷器动作从而实现调气量的控制。卸荷器处于卸荷状态时，无法形成有效的压缩功，由于气流通过阀系时产生节流效应，也消耗一部分压缩功并转化成热能，由于卸荷器安装在气阀的正前方，因此气阀的有效流通面积也会受卸荷器的影响。当吸气阀卸荷时，应使气阀密封元件迅速压下，同时卸荷器执行机构的排气应顺畅，以保证卸荷叉与密封元件之间不致产生不必要的撞击，卸荷力的大小必须适当，既要大得足够让吸气阀在压缩过程中完全被顶开，又不能太大，以免损坏气阀及卸荷器。

在机组试车过程中卸荷器定位卡簧出现多次断裂的情况，该卡簧材质为65Mn。重新更换定位卡簧后，问题并未解决，试运行几小时后定位卡簧仍出现断裂现象。

对气阀进行解体发现，卸荷器定位卡簧都出现了同样的一种破坏现象，从断裂的截面可发现，卡簧是受到剪切力的作用而断裂的，而气阀的阀片并未损坏，阀片的材质为PEEK（聚醚醚酮树脂）。

在开车试车运行中，进气气阀卸荷器处于卸荷状态，此时卸荷叉与气阀阀片直接接触，并给予阀片一定的作用力，当汽缸介质被压缩时吸气阀阀片并未完全关闭，在活塞运行中，进行吸气、压缩、排气过程中，阀片在吸气压力及弹簧力的作用下进行上下运动，此时阀片对卸荷叉产生反复的撞击，从而对卸荷器定位卡簧产生反复撞击，定位卡簧在此作用力的反复撞击下产生疲劳断裂。如下图所示

 

 

4.解决方案

通过对气阀解体并测量各部位，发现在卸荷器定位卡簧与压盖（图1中序号17）之间存在一定的间隙，当卸荷器不动作时（即压盖不受力的状态下），压盖与卡簧在轴向有松动现象，此间隙的存在导致卸荷器工作时，卸荷器相对于卡簧作轴向运动，从而卸荷器对卡簧进行反复的撞击，因而造成卸荷器定位卡簧疲劳断裂。

气阀压盖厚度为7.1mm，压盖座底面到卡簧槽底面位置距离为8.5mm，压盖与卡簧之间的间隙为1.4mm

采取将卡簧槽位置改变的方式对其进行改造，压盖厚度保持不变，仍为7.1mm，将卸荷器定位卡簧槽的位置向阀片位置移动1.4mm,使压盖与卡簧之间无轴向相对移动的间隙量。改造后的尺寸如下图所示

 

对卸荷器定位卡簧位置改造后的气阀安装运行试车后，解决了卡簧断裂的现象，试车运行合格。该机组运行至今，运行状态良好，没有再出现因为卡簧断裂原因而造成气阀故障的现象。

5.结束语

通过对进气气阀卸荷器定位卡簧槽位置的改造，使压缩机卸荷器卡簧断裂问题得以解决，使该压缩机机组能够平稳运行，保障了装置的平稳生产，从而保障了下游各装置安全、平稳生产，减少了该机组产生故障的故障频率，增加了装置的生产效益。

参考文献：

（美）汉隆（Paul. C Hanlon）压缩机手册.北京：中国石化出版社，2003

【作者简介】黄荣波（1983-），男，2006年7月毕业辽宁石油化工大学过程装备与控制工程专业，工程师，现在天津津滨石化设备有限公司中沙检维修分公司检修车间工作，从事机械设备维护维修技术管理方面工作。