往复压缩机气阀改造

阀片 弹簧座
图 9 新制气阀阀片和弹簧座结构示意图
6 制造
新型气阀制造交由上海环天有限公司实施。 7 实施改造 新阀试制成功，装入压缩机试运行，运行状况良好，21 个月共 更换 17 片阀片， 弹簧总共更换 41 件， 监测显示压缩机整体性能良好， 各零部件性能良好。
图 2 环状阀片气阀结构
阀片 弹簧座
图 3 阀片与弹簧座结构示意图
4.3 原因分析 1）工艺气体中含有 H2S 气体，因凝溶作用形成具有粘滞力的焦油状 物质，这些焦油状物质积存在阀体上。当压缩机吸（排）气时，原配 气阀阀片在两侧压差的作用下升起，直至与弹簧座接触，到达止点。 因弹簧座表面布满焦油状物质，当阀片与弹簧座“面”接触并相互挤 压时， 焦油状物质在两面之间形成吸附油膜， 把阀片粘在了弹簧座上。 当压缩机开始排（吸）气时，因粘滞油膜作用，气阀复位弹簧没有足 够弹力及时将阀片复位，直至排（吸）气作用加大阀片两侧压差能够 克服油膜作用力时，阀片与弹簧座脱离，回向阀座。但阀片还未回至 阀座时，压缩机再次进入吸（排）气阶段，此时阀片因受气流推力方 向改变，反向回至弹簧座，再次与弹簧座“面”接触并相互挤压，再
2) 中期：压缩机开机 6 天 3) 后期：压缩机开机 11 天 4) 末期：压缩机开机 14 天 4.5.5 模拟对象 模拟对象选择：C1101B 循环段进气阀 4.5.6 模拟结果
图4
前期阀片 h—θ 图
图 5 中期阀片 h—θ 图
图 6 后期阀片 h—θ 图（吸气阶段）
图 7 后期阀片 h—θ 图（排气阶段）
4D+3 型往复压缩机气阀改造
王建军 1.概述 PBL 公司生产的 4D3+1 压缩机投产以来，气阀阀片损坏频繁， 严重影响该装置的正常运行。 2.故障表现 2.1 压缩机气阀 1）弹簧断裂 弹簧硬脆、大部分断裂，有少许完好，无规则分布，还有少许已 完全变形，弹簧碎屑进入气阀内部各处。 2）阀片断裂 阀片断裂点或多或少，阀片断裂后散乱分布，碎屑进入气阀内部 各处（图 1） 。部分阀片碎片被粘滞力很强的焦油状物质粘在阀座 上。一、二级阀片断裂情况为 10%，三级及循环级阀片断裂严重， 为 100%断裂。
图 1 阀片损坏情形
3）弹簧座毁损 弹簧座毁损较严重，表现崩口、开裂、塌陷。 2.2 压缩机表征
压缩机汽缸内部有“劈啪”响声，工艺进气、排气压力不足，汽 缸温升较大。压缩机每运行周期最长为 16 天。 3.压缩机部分工艺参数 一级进气压力：14.01bar 一级排气压力：26.12bar 二级进气压力：26.12bar 二级排气压力：48.68bar 三级进气压力：48.68bar 三级排气压力：74.01bar 循环级进气压力：90.71bar 循环级进气压力：90.71bar 4.故障原因分析 4.1 化验 1）阀座上所积存的焦油状物质，粘度很大。 2）对工艺气体进行分析后，测定出工艺氢气中含有 H2S 气体，浓度 达 20000ppm。 4.2 阀片结构 该压缩机气阀阀片为环状阀片（图 2） ，每组进、排气阀内由 3~5 件不等数量阀片控制气体流量，每件阀片由 4 件复位弹簧支承。因阀 片为单体阀片， 其与阀座为圆弧面接触， 主要为了保证关闭阀片严密、 阀片定位良好、减小流道阻力。阀片与弹簧座等宽，阀片与弹簧座接 触为平面接触（图 3） 。阀片材料为 PEEK。弹簧材料为 65Mn。
次形成吸附油膜，把阀片粘在了弹簧座上，如此周而复始，导致阀片 颤震现象发生。 一旦颤震现象发生， 会加剧阀片冲击， 致使阀片疲劳， 直至破坏、碎裂。阀片碎裂后，其单向作用消失，工艺气体再压缩机 内形成内循环，影响到工艺进、排气量的稳定，同时也导致压缩机汽 缸温升，使生产无法进行。 2）阀片复位弹簧受到 H2S 腐蚀，因此会变脆变硬，最终碎裂。 3）因弹簧失效，阀片在受到气体巨大压差（2.6MPa）作用开合时， 阀片受到双向冲击应力，加之弹簧碎裂，碎屑散落在阀座上，阀片开 合时，并未全“面”作用在阀座上，而是“点”作用在碎屑上，由于 惯性作用， 阀片在无 “点” 处继续向阀座面冲击， 造成阀片整体扭曲， 产生很大的局部弯曲应力，迅速疲劳，最终阀片碎裂，大量碎屑冲击 着阀座、缸壁，发出“劈啪”响声。 4.4 原因总结 故障原因：弹簧失效、阀片颤震。 4.5 实形模拟 为了了解阀片的真实运动状态，对阀片运动状态进行实形模拟。 4.5.1 模拟方案 上海环天公司采用压缩机气阀阀片设计系统（西安交通大学开 发）模拟该压缩机真实工况下阀片的运动状态。相关变量，由环天公 司现场采集。 4.5.4 模拟时段 1) 前期：压缩机开机 2 小时后；
1）模拟结果： 从实形模拟结果可以看出阀片在压缩机运行前期， 开启闭合比较 正常；中期有明显延迟闭合现象；后期则根本没有闭合。 2）结果说明： 前期：无粘滞物积存，阀片开启闭合时间正常；阀片闭合时，有 明显回弹位移量。 （图 4） 中期：粘滞物积存，阀片延迟闭合，闭合后，阀片回弹量较小；
（图 5） 后期：阀片吸气阶段无闭合（图 6） ，该图为最后一个有气阀从 0 位开启的吸气阶段，以后阀片再未落回至阀座。阀片排气阶段半闭合 （图 7） 。阀片颤震形成。 到末期时，因弹簧、阀片碎裂，已无法模拟到图线。 从实形模拟也可证明我们对故障原因的分析是正确的。 5.解决方案 1）弹簧重新选材，针对弹簧工作环境及其工作特点，选用特制的沉 淀硬化型耐腐蚀合金。该材料为 Fe-Ni 基沉淀硬化型耐蚀合金，经时 效处理或冷变形并时效处理后，具有很高的强度和弹性。合金在还原 性介质中具有好的稳定性，尤其是在 H2S、H2SO4、H3PO4、醋酸等介 质中的稳定性相当高，使用温度可达 400℃。合金不能在强氧化性腐 蚀介质中使用。可以用作承受高负荷的耐蚀弹性、弹力元件，小型重 荷耐磨构件、易磨损件、受冲击件等等。 新弹簧设计说明： 新制弹簧采用变刚性弹簧， 依据新制阀片质量并结合弹簧自身质 量选取弹簧的刚性系数。 2）阀片采用整体网状阀片结构（图 8） ，这样可保证即使弹簧有个别 损坏，也可使各环阀片连在一起，确保各环阀片动作一致，有效地改 善阀片工作条件，也有利于提高气阀的经济性；阀片气体通道为多通 道、窄通道，可有效减轻阀片质量；材料仍选用 PEEK 塑料材料阀 片，可减少阀片与导向块之间的摩损，有利于提高阀片使用时间，从
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而达到提高气阀组件使用寿命的目的。
图 8 网状阀片结构示意图
新制阀片设计说明： i 新制阀片应保证气体流通阻力损失小 阀片瞬时相对压力损失公式：
k 2 p p sin sin 2 M 2 8 2
2
M 为阀隙平均马赫数
由上式可知，相对压力损失取决于马赫数，减少阻力损失，马赫 数以小为宜，根据双原子气体标准选取马赫数为 0.18。 ii 阀片升程，按原设计不变，为 2mm。 3）将阀片与弹簧座面接触结构改为线接触结构（图 9） ，防止形成吸 附油膜，致使阀片颤震。