馬文禮,張 劍,溫萬春,高慶明,姜文波
(中石油克拉瑪依石化有限責任公司,新疆克拉瑪依 834003)
氣閥被譽為往復壓縮機的心臟[1],其性能的好壞直接影響著壓縮機的使用效率。研究表明,30%以上的非正常停機都是由于氣閥的失效或者非正常工作而引起的。某煉油廠制加氫裝置壓縮機于2018年5月按計劃進行氣閥改造工作,將氣閥由蘑菇閥片結構改為網(wǎng)狀閥片結構。改造配件共2臺套氣閥,按計劃先改一臺機子觀察使用效果。從改造后一年使用情況看,氣閥使用壽命不滿足8000 h改造要求。其中新氫一級缸排氣閥壽命僅有2000~3000 h,氣閥使用壽命嚴重不足?;诖?,筆者對該壓縮機氣閥壽命短的原因進行了分析,并給出了相應的改進措施,為國內(nèi)相關石化設備工作人員提供借鑒和參考。
制加氫裝置新氫-循環(huán)氫聯(lián)合壓縮機K-1101+1102/B,型號:13-4HHE-VG-2.1,由上海德萊賽蘭壓縮機公司制造,結構為四列缸對置式。左側分別是新氫一、二級缸,右側兩列為循環(huán)氫缸,進排氣壓力:新氫一級2.0/4.2 MPa、新氫二級4.2/9.4 MPa;循環(huán)氫7.6/9.2 MPa。該壓縮機的相關技術參數(shù)如表1所示。
2019年7月3日,90萬柴油加氫裝置壓縮機K-1101+1102/B使用中出現(xiàn)新氫一級出口壓力不足問題,正常工況下一級出口壓力為4.15MPa左右,實際只有3.90MPa。初步判斷可能因為氣閥故障導致一級出口壓力下降。7月4日按計劃切換機組,停機對K-1101+1102/B新氫一級缸蓋側2只排氣閥拆檢。拆檢情況:閥片一只斷裂、局部缺損,另一只閥片有裂紋缺陷,2只閥片彈簧以及彈簧座存在部分斷裂情況,閥蓋油泥較多,注油量較大,如圖1所示。此次新氫一級缸排氣閥出現(xiàn)故障時僅僅使用約2031 h,氣閥使用壽命嚴重不足。2019年8月2日,為配合K-1101+1102/A機大修工作,某制加氫裝置將聯(lián)合壓縮機切換至K1101+1102/B運行。運行一天后,新氫缸一級出口壓力突然上升(4.08 MPa升至4.24 MPa)。用點溫儀現(xiàn)場對新氫缸氣閥進行溫度檢查,發(fā)現(xiàn)新氫二級蓋側排氣閥96℃,正常值為75℃左右,判斷二級缸蓋側排氣閥泄漏。切換停用機組后,聯(lián)系拆檢更換新氫二級缸2只排氣閥。拆檢情況:蓋側排氣閥外圈局部斷裂2處,閥片彈簧帽大部分斷裂,閥蓋油泥較多,如圖2所示。這只氣閥自2019年4月大修后更換氣閥使用時間約2700h,氣閥壽命嚴重不足。
總體而言,由于氣閥故障而造成的壓縮機運行工藝參數(shù)異常的現(xiàn)象包括排氣量不足,排氣溫度過高,負荷量降低,軸蓋兩側氣閥溫差過大等。對于氣閥,其故障的表現(xiàn)形式有彈簧斷裂,閥片斷裂,彈簧座斷裂,氣閥出現(xiàn)異常聲響等,其中閥片和彈簧帽斷裂成為了該壓縮機組氣閥使用壽命短的主要因素。
根據(jù)上述氣閥表現(xiàn)出來的故障形式,剖析其損壞的原因,主要包括以下幾點:
(1) 工藝氣帶液。壓縮機入口介質(zhì)比較臟,介質(zhì)中帶液使介質(zhì)的比重增大,在工作過程會對氣閥造成液擊閥片受到的壓強增大。液擊是指介質(zhì)中的液體具有不可壓縮性,在高壓氣體的作用下,對氣閥的各個零部件造成較大的沖擊,損壞閥片[2]。
(2) 壓縮機注油量過大。壓縮機在運行時如果注油量過大則會導致缸內(nèi)潤滑油不能及時消耗,閥內(nèi)積油[3],通過壓縮后殘留在氣閥表面,最后導致油泥較多,閥片在開啟和關閉過程中產(chǎn)生油黏滯力。在閥片起閉過程中會產(chǎn)生較大的沖擊力,在承受較大沖擊的過程中閥片會提前產(chǎn)生疲勞斷裂[4]。
(3) 彈簧失效。通過斷裂的彈簧帽設計圖紙進行分析,發(fā)現(xiàn)彈簧帽的底端和桿之間變徑處缺少圓角過渡,一旦出現(xiàn)彈簧與連桿在氣閥運行過程中產(chǎn)生干涉,如有破損問題就容易出現(xiàn)應力集中,很容易導致彈簧帽斷裂。彈簧的失效會使閥片受力分布不均勻,運動規(guī)律發(fā)生變化,從而導致閥片在上下運動中的側傾撞擊加劇,最終造成閥片斷裂[2]。
表1 壓縮機組相關技術參數(shù)
圖1 新氫一級排氣閥閥片彈簧帽斷裂
(4) 閥片材質(zhì)缺陷。氣閥的質(zhì)量對于壓縮機的安全穩(wěn)定運行至關重要[5]。該壓縮機的氣閥閥片材質(zhì)為PTFE,這種閥片的耐沖擊性較差,當一旦實際運行工藝參數(shù)稍有變化,極易導致閥片瞬間沖擊速度超過規(guī)定值而引起閥片失效。
此外,壓縮機的頻繁啟停、工況改變等因素也會造成氣閥的失效[6]。
基于對氣閥使用壽命短的原因分析,從2019年8月中旬起我們對該壓縮機組的氣閥先后進行2次改造,改造后的氣閥從2019年9月運行至今內(nèi)沒有出現(xiàn)任何氣閥故障問題,有效解決了壓縮機組氣閥故障頻發(fā)的問題。具體的氣閥改造措施如下:
(1) 提高工藝氣純度,減少帶液。
圖2 新氫二級排氣閥閥片彈簧帽斷裂
圖3 彈簧帽結構圖
(2) 降低壓縮機注油量。針對目前注油量過高15滴/min的情況逐步降低注油量,將壓縮機缸體注油量控制在(5~6) 滴/min,改善閥窩大量積液情況。
(3) 對閥片的材料進行升級。將材質(zhì)由原來的PTFE(聚四氟乙烯) 改為更耐沖擊PEEK(聚醚醚酮) 材料,以增加閥片材料的強度、韌性和抗沖擊能力[2]。
(4) 對彈簧帽材質(zhì)進行升級,由原來的PTFE(聚四氟乙烯) 改為更耐沖擊PEEK(聚醚醚酮)材料;對其結構進行改進,加大變徑處圓角,減小應力集中,同時將小端尺寸改小,將長度由原來的7 mm縮短到3 mm,以免與彈簧內(nèi)孔產(chǎn)生干涉,確保在使用過程中不會發(fā)生斷裂。改進前后的彈簧帽結構,如圖3所示。
長久以來,壓縮機氣閥使用壽命短一直是困擾著石油、化工等企業(yè)相關設備工作人員的難題,主要原因為壓縮機型眾多,實際工況復雜多變等。本文對某煉油廠制加氫壓縮機組氣閥使用壽命短的原因進行了分析,并對故障氣閥實施了相應的改進,最終解決了壓縮機氣閥壽命短的問題,不僅節(jié)約了維修成本,而且延長了壓縮機的有效運行時間,為國內(nèi)處理類似氣閥壽命短的問題提供了借鑒和參照。