馬文禮，謝翼南，王艷芝，劉 鵬，劉 軍

(1.延安大學(xué)，陜西 延安 716000；2.中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834003)

1 引言

2020年5月12日，某石化公司柴油加氫制裝置往復(fù)壓縮機(jī)K-(3101+3301)/D機(jī)切換到C機(jī)，運(yùn)行2 h后，三級(jí)蓋側(cè)進(jìn)氣閥溫度升高；2020年5月14日拆檢2個(gè)進(jìn)氣閥，發(fā)現(xiàn)蓋側(cè)進(jìn)氣閥閥片斷裂，氣閥卸荷叉爪限位擋塊有明顯被刮擦的痕跡，并且這兩個(gè)進(jìn)氣閥的擋塊寬度不一致，擋塊能否活動(dòng)以及活動(dòng)范圍也不一致。另外，卸荷器頂桿無(wú)較精確的限位、導(dǎo)向部件，擺動(dòng)幅度大，可能會(huì)影響無(wú)極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作精度。更換2個(gè)新進(jìn)氣閥后，于2020年5月15日開(kāi)機(jī)運(yùn)行至2020年6月12日發(fā)現(xiàn)三級(jí)蓋側(cè)進(jìn)氣閥溫度升高2℃后逐漸趨于穩(wěn)定，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析可能是由于閥片斷裂損傷造成，根據(jù)判斷可短期使用，決定增強(qiáng)監(jiān)測(cè)，觀測(cè)使用；該機(jī)組運(yùn)行至2020年6月15日停機(jī)，氮?dú)庵脫Q后合格后，于2020年6月16日拆檢蓋側(cè)與軸側(cè)進(jìn)氣閥，發(fā)現(xiàn)蓋側(cè)進(jìn)氣閥閥片斷裂、彈簧斷裂，鉗工維修班更換蓋側(cè)進(jìn)氣閥閥片與彈簧后回裝，軸側(cè)進(jìn)氣閥未更換任何配件回裝。2020年6月18日開(kāi)機(jī)，運(yùn)行至2020年6月30日發(fā)現(xiàn)蓋側(cè)進(jìn)氣閥溫度升高，判斷是閥片斷裂損傷引起。停機(jī)置換后，于2020年7月1日拆檢。維修車間拆檢該壓縮機(jī)軸側(cè)、蓋側(cè)進(jìn)氣閥和排氣閥，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組蓋側(cè)進(jìn)氣閥閥片斷裂，于是緊急維修更換新氣閥。

2 往復(fù)壓縮機(jī)氣閥優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性

前言中所描述的壓縮機(jī)氣閥在僅僅3個(gè)月使用期間就多次出現(xiàn)氣閥閥片斷裂損傷，氣閥溫度升高等氣閥失效問(wèn)題。在更換氣閥后，再次運(yùn)行該機(jī)組時(shí)，仍存在短暫使用后氣閥便出現(xiàn)故障的問(wèn)題。因此，對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)氣閥進(jìn)行拆檢，并查閱該往復(fù)壓縮機(jī)的運(yùn)行、維修記錄，經(jīng)對(duì)比分析后，決定對(duì)該往復(fù)壓縮機(jī)氣閥的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，使氣閥在優(yōu)化設(shè)計(jì)改造后，氣閥的整體設(shè)計(jì)與功能參數(shù)滿足往復(fù)壓縮機(jī)的使用要求，提高往復(fù)壓縮機(jī)氣閥運(yùn)行的穩(wěn)定性，優(yōu)化往復(fù)壓縮機(jī)氣閥時(shí)用性，更好的發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值，降低維修頻率，減少維修費(fèi)用，為企業(yè)提高效益助力。

往復(fù)壓縮機(jī)是為氣體升壓的壓縮設(shè)備，屬于容積式壓縮機(jī)。而氣閥是往復(fù)壓縮機(jī)的重要組成部件，支撐著往復(fù)壓縮機(jī)吸入氣體、壓縮氣體的核心功能。但在往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，壓縮機(jī)氣閥存在閥片斷裂、氣閥溫度升高等故障，使得壓縮機(jī)機(jī)組切換過(guò)于頻繁、維修次數(shù)與維修難度增加，人工費(fèi)用與材料費(fèi)用等支出增加，企業(yè)蒙受損失。因此，為確保往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，合理控制壓縮機(jī)氣閥檢修成本，就需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)改造往復(fù)壓縮機(jī)氣閥，并通過(guò)對(duì)該部件的改造，減少往復(fù)壓縮機(jī)氣閥故障，維護(hù)相關(guān)企業(yè)的核心利益[1]。

3 閥片和彈簧斷裂的原因分析

最近2次的拆檢都有彈簧斷裂現(xiàn)象且彈簧斷裂的部位同時(shí)出現(xiàn)了閥片斷裂崩塊現(xiàn)象，可能是由于彈簧的耐疲勞強(qiáng)度差所造成，彈簧斷裂引起閥片表面受力不均勻，從而致使閥片在彈簧斷裂位置出現(xiàn)斷裂崩塊現(xiàn)象。另外，導(dǎo)致閥片與彈簧斷裂的原因也可能是因?yàn)闅忾y卸荷器叉爪在運(yùn)行過(guò)程中的不穩(wěn)定性造成閥片跟彈簧局部集中受力，從而導(dǎo)致閥片斷裂、彈簧斷裂、氣閥失效。從該機(jī)組最近半年的檢修情況分析可知，蓋側(cè)的進(jìn)氣閥使用壽命比軸側(cè)的少很多，由此推斷閥片和彈簧斷裂的原因不僅是由自身的原因引起，也可能還與其它因素有關(guān)，比如無(wú)極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。

4 往復(fù)壓縮機(jī)氣閥的改造措施

以柴油加氫改制 K-(3101+3301)/C往復(fù)壓縮機(jī)三級(jí)氣閥為例。在匯總氣閥現(xiàn)有故障問(wèn)題，分析可能原因后，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)改造思路，提高氣閥設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用創(chuàng)新型的組成材料，改善局部結(jié)構(gòu)以及尺寸等思路作為氣閥優(yōu)化設(shè)計(jì)改造的方向，具體表現(xiàn)為提高氣閥閥片材質(zhì)質(zhì)量，改變氣閥閥片尺寸，改造氣閥卸荷叉爪結(jié)構(gòu)，優(yōu)化氣閥卸荷叉爪與無(wú)極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的配合等，落實(shí)氣閥的改造方案，解決氣閥在使用中存在的問(wèn)題，具體改造措施如下。

4.1 氣閥閥片材料升級(jí)

閥片改用英國(guó)威格斯最好的聚醚醚酮(PEEK)材料，以提高閥片自身質(zhì)量。聚醚醚酮(PEEK)材料是目前應(yīng)用最廣的高性能熱塑性工程塑料之一 ，聚醚醚酮(PEEK)材料的強(qiáng)度大、質(zhì)量輕，彈性變形大，彈性模量小，有利于減少?zèng)_擊變形和動(dòng)態(tài)變形。此外，聚醚醚酮(PEEK)材質(zhì)還具備其他的優(yōu)良性能，比如，具有出色的耐熱性、力學(xué)性能以及優(yōu)異的電絕緣性和高抗疲勞強(qiáng)度、穩(wěn)定的耐化學(xué)藥品性等[2]。同時(shí)，聚醚醚酮(PEEK)材料具有優(yōu)異的耐熱、耐化學(xué)性能、機(jī)械性能，且其摩擦系數(shù)低，是一類良好的自潤(rùn)滑材料[3]。通過(guò)改善氣閥閥片的材質(zhì)，提高氣閥閥片的自身強(qiáng)度，從而改善氣閥整體的質(zhì)量。

4.2 氣閥閥片尺寸優(yōu)化

在優(yōu)化設(shè)計(jì)改造往復(fù)壓縮機(jī)氣閥時(shí)，還應(yīng)準(zhǔn)確核算氣閥閥片所需應(yīng)力。通常情況下，往復(fù)壓縮機(jī)各大結(jié)構(gòu)中，其三級(jí)進(jìn)氣閥的閥孔明顯大于普通機(jī)組閥孔，因此在設(shè)計(jì)氣閥閥片時(shí)，無(wú)需根據(jù)閥孔的大小來(lái)確定閥片大小，而是根據(jù)往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)氣缸打氣量的大小來(lái)確定閥片大小。合理的將現(xiàn)有閥片改小，將閥片直徑從160 mm更改為129 mm。繼而通過(guò)閥片直徑的改變，保證壓縮機(jī)注塑期間，氣閥閥片溫度的均勻性，改善閥片應(yīng)力條件，提升氣閥的整體強(qiáng)度。在氣閥閥片適當(dāng)變小的同時(shí)，與氣閥閥片配合的彈簧也相應(yīng)減少，可以相應(yīng)的避免氣閥最外側(cè)彈簧的斷裂問(wèn)題，從而改善氣閥的整體有效性。

除此之外，為了延長(zhǎng)該壓縮機(jī)閥片的使用壽命，減少閥片磨損，提高其運(yùn)行的安全系數(shù)，在延長(zhǎng)排氣閥片上彈性鋼絲直徑的基礎(chǔ)上，加厚閥片，將閥片厚度增加0.5 mm，以此控制閥片與壓縮機(jī)三級(jí)氣缸之間的縫隙，防止閥片損壞。在此期間，由于往復(fù)壓縮機(jī)三級(jí)排氣壓力通常不是很大，氣閥本身的升程一般為1.3～1.83 mm，所以在閥片厚度增加0.5 mm后，氣閥流量不會(huì)改變，并且閥片直徑變小的改造對(duì)進(jìn)一步完善氣閥工作性能，減弱氣閥使用過(guò)程中的流通阻力意義重大。

4.3 氣閥卸荷叉優(yōu)化改進(jìn)

為全面解決往復(fù)壓縮機(jī)氣閥面臨的故障問(wèn)題，還重新設(shè)計(jì)了該壓縮機(jī)的進(jìn)氣閥卸荷叉爪。優(yōu)化設(shè)計(jì)改造前的進(jìn)氣閥卸荷叉爪的基本結(jié)構(gòu)為一級(jí)，在改造后，則將該基本結(jié)構(gòu)調(diào)整為二級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。氣閥卸荷叉爪改造為二級(jí)結(jié)構(gòu)的目的是為了提升氣閥在壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中分配荷載的便捷性與均勻性，以便讓氣閥閥片本身的受力更均勻，改善閥片的受力狀態(tài)，降低運(yùn)行過(guò)程中閥片與限制器產(chǎn)生的撞擊力。

另外，在排氣閥打開(kāi)后，所壓縮的氣體會(huì)經(jīng)排氣閥進(jìn)入下一區(qū)域。在壓縮氣體排出后，壓縮機(jī)需要卸載時(shí)，如果無(wú)法及時(shí)將閥片頂開(kāi)，容易引起“窗式損壞”。因此，在改造氣閥卸荷叉爪時(shí)，還應(yīng)該確保氣閥卸荷叉執(zhí)行、控制裝置的穩(wěn)定性，使其能夠在各分程點(diǎn)靈活移動(dòng)。具體方法為通過(guò)卸荷器叉爪結(jié)構(gòu)的改變，使氣閥的外圈所有范圍都包含叉爪結(jié)構(gòu)，隨后利用無(wú)極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)高效精確啟閉進(jìn)、排氣閥，從而縮小進(jìn)、排氣閥使用時(shí)的啟閉時(shí)間，確保壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)的有效性與及時(shí)性。同時(shí)需要注意的是，在改造氣閥卸荷叉抓結(jié)構(gòu)時(shí)，還需按照公式△P=ξρ(U2/2)，來(lái)計(jì)算氣閥的阻力損失，還要計(jì)算氣閥卸荷叉爪結(jié)構(gòu)恢復(fù)時(shí)所需的彈簧力，以及頂開(kāi)閥片時(shí)卸荷叉爪所受的阻力大小。上述公式中參數(shù)ρ、ξ、U、分別表示往復(fù)壓縮機(jī)內(nèi)部氣體的介質(zhì)密度；氣閥內(nèi)氣體流動(dòng)速度、氣閥卸荷器中的阻尼系數(shù)[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為改善往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥使用的有效性與平穩(wěn)性，從氣閥閥片材質(zhì)、氣閥閥片尺寸、氣閥閥片與氣閥彈簧的配合、氣閥卸荷叉爪結(jié)構(gòu)以及氣閥卸荷叉爪與無(wú)極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的配合等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，以便更好的解決往復(fù)壓縮機(jī)氣閥的故障問(wèn)題。除此之外，在往復(fù)壓縮機(jī)氣閥優(yōu)化設(shè)計(jì)改造中，還全面核查氣閥技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)指標(biāo)等，同時(shí)評(píng)估了優(yōu)化設(shè)計(jì)改造方案的可行性，保障氣閥整體優(yōu)化設(shè)計(jì)改造符合往復(fù)壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的要求，為企業(yè)增收創(chuàng)效提供技術(shù)與理論支持。