天然氣壓縮機(jī)氣閥改造

郭元德，劉博，劉鑫偉

(中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300452)

摘要：針對(duì)天然氣壓縮機(jī)氣閥出現(xiàn)使用壽命短，閥片容易斷裂,特別是每次更換氣閥不但影響設(shè)備運(yùn)行時(shí)率，同時(shí)影響油氣田產(chǎn)量的問(wèn)題，以往復(fù)壓縮機(jī)氣閥工作原理為基礎(chǔ),根椐往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥閥片的失效形式,分析閥片材料、氣閥設(shè)計(jì)及氣閥運(yùn)行環(huán)境等因素對(duì)氣閥壽命的影響,通過(guò)ITKK-氣閥設(shè)計(jì)工具軟件及技術(shù)文件數(shù)據(jù)庫(kù),分析疲勞的形成和發(fā)展過(guò)程,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,提出提高氣閥使用壽命的途徑。

關(guān)鍵詞：氣閥；液擊；傾側(cè)；彈簧力；液體粘滯

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.012

中圖分類號(hào)：U664.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2015)05-0039-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡(jiǎn)介：第一郭元德(1973-),男,碩士,助理工程師

Abstract:In the natural gas compressor, the service life of the valve is usually short as the valve disc is easy to be broken. Replacing the valve affects not only the operation rate of equipment, but also the oil and gas production. Based on the working principle of the air valve of the reciprocating compressor, the damage forms of the valve disc are considered to analyze the influences of materials, design and operating environment of the valve upon the service life of valves. The ITKK-valve design software and technical documents database are used to analyze the formation and development of fatigue. Combined with the actual situation, the ways to improve the service life of the valve are put forward.

修回日期：2015-09-01

資助項(xiàng)目：工信部項(xiàng)目(E-J215A012)

研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化

E-mail:guoyd2@cnooc.com.cn

往復(fù)式壓縮機(jī)主要應(yīng)用于石油化工等領(lǐng)域,氣閥是往復(fù)壓縮機(jī)組中最為關(guān)鍵的組件之一,也是最容易損壞的部件，其好壞直接影響到壓縮機(jī)組運(yùn)行的好壞。壓縮機(jī)組的運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性都與氣閥的設(shè)計(jì)(選型)好壞有關(guān)。某平臺(tái)兩臺(tái)COOPER RAM52壓縮機(jī)及一臺(tái)國(guó)產(chǎn)M-30/3-27型壓縮機(jī)編號(hào)分別為A、B、D,普遍存在著使用壽命短，閥片容易斷裂等問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題,對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥閥片的損壞原因進(jìn)行分析,提出解決方案[1]。

1現(xiàn)場(chǎng)情況

1.1基本情況

某平臺(tái)兩臺(tái)COOPER RAM52壓縮機(jī)及一臺(tái)M-30/3-27型壓縮機(jī)使用參數(shù)見(jiàn)表1、2。

表1　COOPER RAM52運(yùn)行參數(shù)

1.2氣閥故障情況

問(wèn)題主要集中在A、B機(jī)的一級(jí)排氣閥及D機(jī)的二級(jí)排氣閥。根據(jù)平臺(tái)維修記錄顯示，A、B機(jī)一級(jí)排氣閥使用壽命為1～2個(gè)月，特別是氣缸蓋側(cè)，有時(shí)僅運(yùn)行幾天就因損壞而更換。此外，一級(jí)進(jìn)氣閥的使用平均壽命為3～4個(gè)月。

表2　M-30/3-27運(yùn)行參數(shù)

依據(jù)D機(jī)維修記錄，從壓縮機(jī)投用到氣閥換型前，幾乎每個(gè)月都有二級(jí)排氣閥損壞更換記錄，損壞的二級(jí)排氣閥在壓縮機(jī)上的分布沒(méi)有固定位置，呈現(xiàn)隨機(jī)分布特點(diǎn)[2-3]。

氣閥故障原因均由于閥片斷裂，斷裂均發(fā)生在閥片邊緣，且破損比較嚴(yán)重。這些特點(diǎn)顯示，氣閥運(yùn)行時(shí)，在開(kāi)啟、關(guān)閉的過(guò)程中，可能存在嚴(yán)重側(cè)傾現(xiàn)象。見(jiàn)圖1。

圖1　閥片傾側(cè)造成的沖擊

2故障原因分析

氣閥閥片斷裂主要由三方面原因造成。

2.1閥片材料因素

同一臺(tái)壓縮機(jī)上的各級(jí)氣閥，其閥片的材質(zhì)和力學(xué)性能都比較接近，而同一壓縮機(jī)同一級(jí)上的進(jìn)、排氣閥閥片是完全相同。如果是材料原因造成閥片斷裂，同一臺(tái)壓縮機(jī)同一級(jí)上的進(jìn)、排氣閥出現(xiàn)的概率應(yīng)該是一樣，或者接近?，F(xiàn)場(chǎng)閥片斷裂，主要集中在A、B機(jī)一級(jí)排氣閥、D機(jī)二級(jí)排氣閥。因此，斷裂是閥片自身材料因素的可能性比較小，但不能完全排除[4-5]。

2.2氣閥設(shè)計(jì)因素

利用ITKK軟件對(duì)氣閥設(shè)計(jì)進(jìn)行重新校核、計(jì)算。校核計(jì)算結(jié)果顯示，兩種機(jī)型的各級(jí)氣閥，閥片理論沖擊速度，均在允許范圍內(nèi)。以故障集中的A、B機(jī)一級(jí)排氣閥，D機(jī)二級(jí)排氣閥為例，故障集中的RAM52機(jī)一級(jí)排氣閥，閥片開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)的撞擊速度，是閥片最大允許撞擊速度的83.4%～85.4%，M-30/3-27機(jī)二級(jí)排氣閥閥片的撞擊速度，則僅有閥片最大允許撞擊速度的43.9%～45.5%。上述數(shù)據(jù)都是在氣閥理想工作條件，也就是介質(zhì)氣體不含液的條件下的計(jì)算結(jié)果，如果實(shí)際介質(zhì)氣體中帶液、或氣缸注油偏多。液或油的粘滯作用可能導(dǎo)致閥片非正常延遲關(guān)閉，撞擊速度會(huì)有所上升；在氣體中還有輕烴類氣體的情況下，利用ITKK軟件重新對(duì)各級(jí)氣閥在計(jì)算機(jī)上做運(yùn)行模擬，同樣以故障集中的A、B機(jī)一級(jí)排氣閥，D機(jī)二級(jí)排氣閥為例，參見(jiàn)圖2、3，圖中閥片運(yùn)動(dòng)模擬曲線顯示：氣閥關(guān)閉角度接近曲軸轉(zhuǎn)角的180°，關(guān)閉彈簧力配置偏弱。

圖2　RAM52一級(jí)排氣閥運(yùn)行模擬

圖3　M-30/3-27二級(jí)排氣閥運(yùn)行模擬

2.3氣閥運(yùn)行環(huán)境因素(或稱現(xiàn)場(chǎng)因素)

從壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)置情況分析，天然氣在進(jìn)入一級(jí)氣缸壓縮前，先經(jīng)過(guò)一級(jí)洗滌罐氣液分離，一級(jí)壓縮后，進(jìn)入二級(jí)冷卻器、二級(jí)洗滌罐，再次對(duì)天然氣進(jìn)行氣液分離，然后經(jīng)二級(jí)氣缸壓縮后外輸。雖然洗滌罐設(shè)置有自動(dòng)排液裝置，但洗滌罐上的液位計(jì)、以及液位變送器均顯示洗滌罐中仍存在積液(控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)積液不能完全放空)，說(shuō)明氣體中有氣化的液態(tài)成分存在。介質(zhì)氣體中夾帶有液態(tài)成分，液體成分來(lái)自天然氣中的氣態(tài)烴、高碳烴在壓縮、冷卻作用下的凝結(jié)產(chǎn)物，自于注入氣缸的潤(rùn)滑油。壓縮工質(zhì)有一定的濕度,分離不凈的高碳烴氣體和壓縮氣體經(jīng)冷卻器后析出的水分混合在氣體中,當(dāng)隨氣體流過(guò)氣閥時(shí),有一部分貼附在閥座密封口處,使閥片和升程限制器等零件表面形成液膜,液膜所產(chǎn)生的附著力阻礙閥片的運(yùn)動(dòng),引起閥片滯后開(kāi)啟或關(guān)閉,增大了氣流頂推力,當(dāng)油水含量愈多,附著力愈大,對(duì)閥片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響也愈大,嚴(yán)重影響氣閥閥片的使用壽命。由于液體成分要通過(guò)排氣閥排出，液體的粘滯作用對(duì)排氣閥的影響遠(yuǎn)大于對(duì)進(jìn)氣閥的影響[6-8]。

液體粘滯作用對(duì)氣閥造成不良影響主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1)沖擊：由于液體的可壓縮性差，閥片開(kāi)關(guān)過(guò)程對(duì)氣閥可靠性的損害主要表現(xiàn)在黏性會(huì)抑制氣閥的打開(kāi),導(dǎo)致在氣體壓力大于粘著力時(shí),閥片猛然打開(kāi),這不僅容易損壞閥片,同時(shí)還容易損壞氣閥彈簧。

2)傾側(cè)：由于液體的粘滯作用，使氣閥閥片在開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)，存在傾側(cè)，造成閥片邊緣產(chǎn)生嚴(yán)重沖擊。

3)延遲關(guān)閉：液體特別是油基物質(zhì)的粘滯作用，使關(guān)閉彈簧力配置偏弱的A、B機(jī)一級(jí)排氣閥，D機(jī)二級(jí)排氣閥延遲關(guān)閉。閥片在彈簧力和反向氣流的共同作用下關(guān)閉，使沖擊速度大大提高，造成折斷。

3解決方案

根據(jù)氣閥的失效形式和以上分析的損壞原因,氣閥的使用壽命和許多因素有關(guān),對(duì)于壓縮機(jī)的氣閥,既要考慮壓縮機(jī)的可靠性,又要考慮到機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性,要求氣閥有足夠長(zhǎng)的使用壽命,又要力求氣閥阻力損失小,因此要提高氣閥的使用壽命,必須根據(jù)具體情況,具體分析,結(jié)合海上平臺(tái)空間有限，對(duì)天然氣的處理能力受到制約，天然氣中夾帶的氣態(tài)輕烴、水分不能完全去除的工況和特點(diǎn),提高氣閥使用壽命,只能改變氣閥形式，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境需要。通過(guò)以下幾方面提高氣閥的抗液擊能力[9-10]。

3.1選用抗粘滯能力強(qiáng)的CT閥型

CT型氣閥的特點(diǎn)是關(guān)閉彈簧布置在氣閥外圈，見(jiàn)圖4。

圖4　CT型氣閥結(jié)構(gòu)

這種彈簧布置，能有效抵抗液體的粘滯作用。適用于高壓工況：排壓6～12 MPa；高轉(zhuǎn)速：<1 800 r/min。

3.2選用抗沖擊性能更好的MTX系列閥片

該系列閥片比目前廣泛適用的PEEK、MT系列閥片在抗沖擊、抗液擊能力上有大幅度提高。同時(shí)，這種閥片對(duì)固體雜質(zhì)不敏感，見(jiàn)圖5。在閥片折斷的情況下，掉落在氣缸中的碎片不會(huì)像金屬閥片對(duì)氣缸造成損傷。

圖5　堅(jiān)硬的固體雜質(zhì)進(jìn)入閥片內(nèi)部

3.3增強(qiáng)關(guān)閉彈簧力，避免延遲關(guān)閉現(xiàn)象

根據(jù)損壞原因分析,氣閥彈簧力也是決定氣閥閥片壽命及機(jī)器經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)。因此要根據(jù)機(jī)器的實(shí)際運(yùn)行工況,合理調(diào)整氣閥的彈簧力使閥片有良好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,減輕閥片對(duì)升程限制器、閥座的撞擊力和減少撞擊頻率, 以改善閥片的受力狀況,降低對(duì)閥片的沖擊載荷及附加彎矩。

3.4模擬效果

利用ITKK軟件對(duì)新設(shè)計(jì)的閥型進(jìn)行運(yùn)行模擬，見(jiàn)圖6、7。通過(guò)模擬結(jié)果顯示，新改型的氣閥在油基物質(zhì)粘滯的環(huán)境下能夠有效避免延遲關(guān)閉。

圖6　RAM52一級(jí)CT排氣閥模擬

圖7　M-30/3-27二級(jí)排氣閥模擬

4改造后的應(yīng)用

經(jīng)改造后,壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定, 使用壽命超過(guò)了6 000 h。年檢期間對(duì)壓縮機(jī)氣閥拆解，檢查氣閥工作情況：介質(zhì)中不含固體雜質(zhì)，閥片與閥座撞擊痕跡正常，彈簧沒(méi)有折斷現(xiàn)象。氣閥的使用壽命提高了2～3倍,節(jié)約了檢修所需的人工和備件的費(fèi)用,最重要的是避免了因故障停車而造成的產(chǎn)量損失,此次改造收到了良好的效果。

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Improvement of Air Valve for the Natural Gas Compressor

GUO Yuan-de, LIU Bo, LIU Xin-wei

(Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China)

Key words: air valve; liquid strike; heel; the spring force; liquid viscosity