循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥閥座斷裂原因分析及處理

丁少勇，李維特

(呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021506)

0 引 言

呼倫貝爾金新化工有限公司(簡(jiǎn)稱金新化工)500 kt/a合成氨裝置低溫甲醇洗系統(tǒng)采用德國(guó)魯奇低溫甲醇洗工藝。其中，14-3DF-G型循環(huán)氫壓縮機(jī)(一開(kāi)無(wú)備)作為系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一，用于回收甲醇洗閃蒸氣中的H2、CO2等。該壓縮機(jī)為上海東方壓縮機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的往復(fù)式壓縮機(jī)，機(jī)身三列對(duì)稱平衡布置，一級(jí)壓縮，氣缸采用無(wú)油潤(rùn)滑；機(jī)組由同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速300 r/min，功率1 900 kW；因工藝系統(tǒng)原始設(shè)計(jì)存在偏差，機(jī)組實(shí)際工況與設(shè)計(jì)工況偏離較大，其設(shè)計(jì)/實(shí)際工藝參數(shù)分別為入口壓力0.847/0.930 MPa(A)、出口壓力3.520/3.320 MPa(A)，入口溫度-28/-18 ℃、出口溫度90/100 ℃，入口流量34 935/38 000 m3/h；所輸送介質(zhì)為混合氣體，相對(duì)分子質(zhì)量約39.8，主要組分(體積分?jǐn)?shù)，下同)為CO286.9%、H26.2%、CH44.3%。

目前，金新化工循環(huán)氫壓縮機(jī)氣閥全部采用網(wǎng)狀閥，單缸氣閥配置為六進(jìn)四出，其中靠近機(jī)身一側(cè)進(jìn)氣閥全部帶卸荷器，閥片材質(zhì)為PEEK，閥座及升程限制器材質(zhì)為2Cr13。實(shí)際生產(chǎn)中，循環(huán)氫壓縮機(jī)頻繁因進(jìn)氣閥失效而被迫停車，平均運(yùn)行周期65 d左右，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行；檢修發(fā)現(xiàn)，所有故障進(jìn)氣閥均出現(xiàn)閥座開(kāi)裂現(xiàn)象，其開(kāi)裂部位集中于最外圈的徑向筋，并沿根部擴(kuò)展至整圈閥座。為此，通過(guò)對(duì)循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥閥座危險(xiǎn)截面進(jìn)行彎曲應(yīng)力分析、對(duì)閥座材料進(jìn)行失效分析，找到了進(jìn)氣閥閥座頻繁斷裂的根本原因，并進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。以下對(duì)有關(guān)情況作一簡(jiǎn)介。

1 循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥閥座受力情況分析

循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥正常工作狀態(tài)下，閥座受力主要有閥片的撞擊力、氣流流過(guò)閥座通道時(shí)的阻力、與曲軸同頻率變化的氣閥進(jìn)氣與排氣壓差等3種。其中，閥片對(duì)于閥座的撞擊力主要影響閥片的自身強(qiáng)度，氣流通道阻力相較于閥座兩側(cè)的進(jìn)氣與排氣壓差來(lái)說(shuō)可忽略不計(jì)，在分析閥座自身強(qiáng)度的時(shí)候，重點(diǎn)考慮閥座兩側(cè)承受的進(jìn)氣與排氣壓差。

2 閥座的強(qiáng)度計(jì)算

據(jù)循環(huán)氫壓縮機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，閥座的設(shè)計(jì)厚度主要是為了保證閥座的剛性。據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，閥座剛性主要取決于閥座厚度、閥座承受的內(nèi)外壓差及閥座的最大外徑(Dmax)。為校核實(shí)際運(yùn)行工況下循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥閥座的剛度，需對(duì)閥座受力情況進(jìn)行分析。

2.1 具有弧形通道的閥座所受應(yīng)力情況

如圖1所示，基于弧形通道的閥座設(shè)計(jì)，通常有Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ 2個(gè)危險(xiǎn)截面。當(dāng)截面Ⅰ-Ⅰ的彎曲應(yīng)力超過(guò)許用值，長(zhǎng)期運(yùn)行進(jìn)氣閥閥座將沿Ⅰ-Ⅰ截面開(kāi)裂成兩瓣而失效；當(dāng)截面Ⅱ-Ⅱ的彎曲應(yīng)力超過(guò)許用值，長(zhǎng)期運(yùn)行該圓環(huán)上的徑向筋條將斷裂而失效。

2.1.1以Ⅰ-Ⅰ為危險(xiǎn)截面計(jì)算彎曲應(yīng)力

若圖1(a)中Ⅰ-Ⅰ為危險(xiǎn)截面，其彎矩Mw=(1/24)[(Dmax+D0)/2]3Δp(式中：Dmax、D0為閥座的最大安裝外徑和安裝直徑，m；Δp為閥座上承受的壓差，MPa)，抗彎截面系數(shù)W=(1/6)H12∑b(式中：H1為閥座厚度；∑b為危險(xiǎn)截面的長(zhǎng)度總和)，則Ⅰ-Ⅰ危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力σw=Mw/W=(1/4)[(Dmax+D0)/2]3Δp/(H12∑b)。

2.1.2以Ⅱ-Ⅱ?yàn)槲ｋU(xiǎn)截面計(jì)算彎曲應(yīng)力

針對(duì)兩端夾持、受均布載荷的固定梁，據(jù)材料力學(xué)公式，其承受最大彎矩Mw′=[1/(4L)]{FL2+2∑[FiLi(2L-Li)]}(式中：i=2、3、4、5；L、L1、L2、L3、L4為梁長(zhǎng)，即最外圈環(huán)形通道外壁與某圈環(huán)形通道內(nèi)壁的距離，m)，梁的危險(xiǎn)截面即等于連接筋的截面，連接筋的抗彎截面系數(shù)W′=(1/6)B(H1-h4)2式中：B為連接筋條的寬度，m；(H1-h4)為連接筋條的高度，m〗，Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力σw′=Mw′/W′。

2.2 彎曲應(yīng)力計(jì)算及校核

危險(xiǎn)截面計(jì)算彎曲應(yīng)力應(yīng)滿足σw≤[σw]，[σw]為許用彎曲應(yīng)力，據(jù)相關(guān)資料可查得，[σw](碳素鐵)=120 MPa、[σw](合金鋼)=180 MPa。

但是關(guān)于妹妹的訂婚，翠姨一點(diǎn)也沒(méi)有羨慕的心理。妹妹未來(lái)的丈夫，她是看過(guò)的，沒(méi)有什么好看，很高，穿著藍(lán)袍子黑馬褂，好像商人，又像一個(gè)小土紳士。又加上翠姨太年輕了，想不到什么丈夫，什么結(jié)婚。

2.2.1Ⅰ-Ⅰ危險(xiǎn)截面彎曲應(yīng)力的驗(yàn)算

據(jù)循環(huán)氫壓縮機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，進(jìn)氣閥閥座Ⅰ-Ⅰ危險(xiǎn)截面彎曲應(yīng)力相關(guān)參數(shù)如下:Dmax=0.202 m，D0=0.189 m，Δp=2.39 MPa，H1=0.03 m，∑b=0.077 m。按2.1.1中的彎曲應(yīng)力計(jì)算公式，可得σw=62.74 MPa；進(jìn)氣閥閥座材料2Cr13屬合金鋼，[σw](合金鋼)=180 MPa，σw<[σw](合金鋼)，故Ⅰ-Ⅰ危險(xiǎn)截面安全。

2.2.2Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面彎曲應(yīng)力的驗(yàn)算

據(jù)循環(huán)氫壓縮機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，進(jìn)氣閥閥座Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面彎曲應(yīng)力相關(guān)參數(shù)如下:d1=0.067 2 m，n=3，Δp=2.39 MPa，d2、d3、d4、d5分別為0.092 3 m、0.117 3 m、0.142 3 m、0.167 1 m；n1、n2、n3、n4均為6；L、L1、L2、L3、L4分別為0.059 5 m、0.048 4 m、0.035 9 m、0.023 4 m、0.011 0 m；B=0.011 m、h4=0.004 m。按2.1.2中的彎曲應(yīng)力計(jì)算公式，可得σw′=Mw′/W′=222.4 N·m/(1.24×10-6m3)=179 MPa。進(jìn)氣閥閥座材料2Cr13屬合金鋼，[σw](合金鋼)=180 MPa，σw′≈[σw](合金鋼)，其安全裕量嚴(yán)重不足，進(jìn)氣閥閥座易沿Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面出現(xiàn)斷裂。

考察已斷裂的進(jìn)氣閥閥座實(shí)物，其失效形式為最外圈徑向筋附近先出現(xiàn)裂紋，之后沿根部擴(kuò)展至整圈閥座，也印證了循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥閥座的強(qiáng)度不夠，需進(jìn)行改進(jìn)。

3 材料失效分析

針對(duì)損壞的閥座，進(jìn)行專業(yè)的失效分析，包括化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)、晶相組織觀察、沖擊韌性檢測(cè)、斷口掃描及能譜分析等，檢測(cè)結(jié)果如下。

(1)損壞的循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥閥座測(cè)試件Ⅰ的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為C 0.17%、Mn 0.49%、Cr 12.14%、Ni 0.20%、Cu 0.02%，硬度(HB)163 N/mm2；測(cè)試件Ⅱ的化學(xué)成分為C 0.17%、Mn 0.54%、Cr 12.28%、Ni 0.22%、Cu 0.02%，硬度(HB)161 N/mm2?？梢钥吹?，進(jìn)氣閥閥座材料基本成分符合2Cr13的成分標(biāo)準(zhǔn)。

(2)測(cè)得損壞的循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥閥座的宏觀硬度(HB)約162 N/mm2，低于供應(yīng)商要求的閥座硬度標(biāo)準(zhǔn)(HB)180 N/mm2,考慮到試樣為使用一段時(shí)間且損壞了的閥座材料，其宏觀硬度有所下降屬正常情況，制造材料及質(zhì)量應(yīng)無(wú)大的問(wèn)題。

(3)提取損壞的4組循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥閥座V形缺口試樣進(jìn)行夏比擺錘沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出，沖擊溫度20 ℃時(shí)進(jìn)氣閥閥座的沖擊功(Akv)平均值為10.87 J，大大低于2Cr13材料的參考值(Akv≥38 J)；沖擊溫度-20 ℃時(shí)的Akv平均值僅為2.80 J，低溫時(shí)其沖擊功更低。

表1 進(jìn)氣閥閥座試樣夏比擺錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果

(4)對(duì)進(jìn)氣閥閥座斷口進(jìn)行微觀掃描，斷口形貌平齊光亮且無(wú)明顯的韌窩，確定進(jìn)氣閥閥座的斷裂為脆性斷裂；對(duì)斷口進(jìn)行微區(qū)成分分析，發(fā)現(xiàn)斷口夾雜許多其他成分的金屬或非金屬，主要有Al、Mg、Ca等，且P、S集聚，其呈團(tuán)狀大量分布于基體中。閥座基體中的大量雜物會(huì)嚴(yán)重破壞母體金屬的連續(xù)性，降低閥座的力學(xué)性能，特別是沖擊韌性——尤其是循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥處于低溫狀態(tài)(-18 ℃)時(shí)，其金屬脆性增強(qiáng)、抗沖擊能力降低，在外力的交變作用下更易發(fā)生斷裂。

4 進(jìn)氣閥閥座改造方案

據(jù)上述進(jìn)氣閥閥座危險(xiǎn)截面彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，為降低閥座Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面彎曲應(yīng)力，增加閥座強(qiáng)度，改造可從兩個(gè)方面著手：一是降低Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面彎矩(Mw′)；二是增加Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面抗彎截面系數(shù)(W′)。

4.1 降低Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面彎矩(M′)

由于循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥的安裝尺寸不可改變，且氣閥通流面積已確定，降低Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面彎矩(Mw′)最有效的辦法只能是調(diào)整徑向筋的數(shù)量，即調(diào)整ni。為此，金新化工將n、n1、n2、n3、n4環(huán)形通道圈中的徑向筋數(shù)量分別由3、6、6、6、6調(diào)整至4、4、4、8、8，這樣在閥座厚度、徑向筋寬度及其高度均不變的情況下，經(jīng)計(jì)算Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力σw′=Mw′/W′=192.9 N·m/(1.24×10-6m3)=156 MPa，σw′<[σw](合金鋼)，Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面安全，改造方案可行。

4.2 增加Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面抗彎截面系數(shù)(W′)

據(jù)2.1.2相關(guān)內(nèi)容，欲增加閥座Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面的抗彎截面系數(shù)(W′)，可以通過(guò)增加氣閥高度、徑向筋條寬度兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)。徑向筋寬度增加會(huì)減少氣閥的有效通流面積，徑向筋的設(shè)計(jì)高度通常比閥座低3～10 mm，以確保閥座出口處的氣流均勻，而金新化工的循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥徑向筋高度比閥座低4 mm，改造余地相當(dāng)有限；若增加進(jìn)氣閥閥座高度(H1)至40 mm，同時(shí)相應(yīng)減小壓閥罩的軸向高度10 mm，其余尺寸不變，Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面彎矩(Mw′)為222.4 N·m不變，此時(shí)，抗彎截面系數(shù)W′=(1/6)B(H1-h4)2=2.38×10-6m3，則σw′=Mw′/W′=93.4 MPa，σw′<[σw](合金鋼)?？梢?jiàn)，將進(jìn)氣閥閥座高度由30 mm增至40 mm后，Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面安全，但需同步改變壓閥罩尺寸，改造投資相對(duì)較高。

5 進(jìn)氣閥閥座材料優(yōu)化

對(duì)于循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥閥座材料，選擇精煉工藝提高原材料的純凈度，減少其中的S、P等雜質(zhì)元素含量，可使閥座的沖擊韌性大大提高。針對(duì)2Cr13材料，相關(guān)試驗(yàn)表明，其淬火溫度選擇在臨界點(diǎn)Ac3附近(約940～960 ℃)時(shí)可獲得強(qiáng)度與沖擊值的最佳配合，相較于常規(guī)溫度(980～1 000 ℃)下調(diào)質(zhì)，在強(qiáng)度相近的情況下可使閥座的沖擊值提高45%以上。簡(jiǎn)言之，循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥閥座采用優(yōu)質(zhì)的原材料及合適的調(diào)質(zhì)工藝，可得到強(qiáng)度與沖擊韌性的最佳配合，從而可極大地降低閥座的失效幾率。

6 改造實(shí)施及效益分析

針對(duì)循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥閥座的改造，考慮到改造成本及加工周期等，金新化工聯(lián)系專業(yè)的氣閥廠家采用了上述降低Ⅱ-Ⅱ危險(xiǎn)截面彎矩的技改方案(即改變進(jìn)氣閥徑向筋布置)對(duì)氣閥進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；同時(shí)，在閥座原材料方面，則要求必須采用精煉的2Cr13，嚴(yán)格控制材料中的雜質(zhì)含量及淬火溫度。

循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥閥座改造后，于2020年11月投入生產(chǎn)運(yùn)行，新閥座運(yùn)行狀況良好，后因合成氨裝置計(jì)劃大修停車檢查，所有進(jìn)氣閥閥座均未出現(xiàn)開(kāi)裂情況；目前，循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)氣閥平均使用壽命由原來(lái)的65 d延長(zhǎng)至300 d，進(jìn)氣閥使用壽命及循環(huán)氫壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率得到大幅提升。

改造前每年因閥座開(kāi)裂而消耗的氣閥數(shù)量約108個(gè)，改造后消耗的氣閥數(shù)量約18個(gè)，按氣閥單價(jià)3 500元計(jì)算，每年直接經(jīng)濟(jì)效益約31.5萬(wàn)元；隨著循環(huán)氫壓縮機(jī)檢修頻率降低，因進(jìn)氣閥損壞引起的停車檢修也由每年6次減至每年1次，大大減少了因進(jìn)氣閥損壞造成的系統(tǒng)停車減產(chǎn)，每年間接經(jīng)濟(jì)效益約6萬(wàn)元。此外，工藝操作難度及檢修人員勞動(dòng)強(qiáng)度也隨之降低，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

7 結(jié)束語(yǔ)

往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥設(shè)計(jì)過(guò)程中，閥座的強(qiáng)度校核至關(guān)重要，而往復(fù)式壓縮機(jī)能否正常運(yùn)行，在很大程度上取決于氣閥的結(jié)構(gòu)及其性能，當(dāng)然，氣閥加工制造原材料的力學(xué)性能指標(biāo)是否合格是基礎(chǔ)，兩者缺一不可。實(shí)際生產(chǎn)中，科學(xué)、客觀地分析往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥故障的根本原因，提出經(jīng)濟(jì)高效的應(yīng)對(duì)措施并及時(shí)予以實(shí)施，是化工企業(yè)消除設(shè)備故障、維持生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。