氫氣壓縮機氣閥斷裂分析及試車(chē)方案改進(jìn)氫氣壓縮機氣閥斷裂分析及試車(chē)方案改進(jìn) 李洪深１，劉 鵬２，李十中１ （１.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京１０００８４；２.中國天辰工程有限公司，天津３００４００）......
氫氣壓縮機氣閥斷裂分析及試車(chē)方案改進(jìn)
（１.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京１０００８４；２.中國天辰工程有限公司，天津３００４００）
［摘 要］：針對某往復氫氣壓縮機排氣閥在空氣試車(chē)過(guò)程中出現的氣閥斷裂失效的實(shí)際問(wèn)題，初步分析了氣閥斷裂部位、結構和工作特性。研究了發(fā)生斷裂的氣閥閥座危險截面在正常載荷和沖擊載荷作用下的受力情況，重點(diǎn)分析了影響閥片沖擊載荷變化的主要因素。研究結果表明，試車(chē)過(guò)程中氣閥失效主要受閥片密度和沖擊速度變化影響。結合現場(chǎng)試車(chē)時(shí)的實(shí)際操作工況，確定了氣閥斷裂的主要原因。從工程設計角度，提出了往復式氫氣壓縮機試車(chē)方案的改進(jìn)措施，研究結果可以為今后同類(lèi)壓縮機空氣試車(chē)方案的制定提供參考。
［關(guān)鍵詞］：往復壓縮機；網(wǎng)狀閥；負荷試車(chē)；失效分析
文章編號：１００６－２９７１（２０２２）０３－００１６－０
氫氣是極具發(fā)展潛力的清潔能源和重要的化工原料。隨著(zhù)我國加緊布局氫能產(chǎn)業(yè)，高壓加氫站的建設逐漸成為制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸［１］。作為原
料，氫氣在合成氨、煤化工、重整制氫等生產(chǎn)流程中，也需要在較高的壓力下進(jìn)行化學(xué)反應［２］。在所有壓縮機類(lèi)型中，往復壓縮機能提供最高的壓縮比，是氫氣儲運的關(guān)鍵設備，其運行狀況的好壞往往決定整個(gè)工程項目的成敗。
氣閥是往復壓縮機的核心部件，安裝在氣缸上，控制著(zhù)壓縮機的吸氣、排氣過(guò)程。由氣閥原因導致的壓縮機故障約占故障總數的３６％，且更換氣閥成本較高，因此氣閥的可靠性成為壓縮機運行經(jīng)濟、安全、可靠的關(guān)鍵［３］。
目前，對往復壓縮機運行中的故障模擬、診斷和報警系統國內外已有較多研究［４，５］，但壓縮機在單機試運轉過(guò)程中缺少系統保護，且所用試驗氣體與工作氣體存在較大差距，易發(fā)生故障，卻缺少相應的解決方案。針對這一問(wèn)題，本研究嘗試對某氫氣化工項目試車(chē)過(guò)程中發(fā)生故障的氫氣壓縮機氣閥進(jìn)行失效分析，并提出相應的試車(chē)方案的改進(jìn)措施。
某化工項目中使用的氫氣壓縮機為４列４級往復壓縮機，進(jìn)口壓力０.１１ＭＰａ（Ａ），壓縮比１６。在使用空氣進(jìn)行單機負荷運轉試驗過(guò)程中，該壓縮機３級氣缸的４個(gè)排氣閥從中間整體斷裂。
空氣試車(chē)前，根據現場(chǎng)條件制定的壓縮機負荷試運轉程序如下：
（１）壓縮機吹洗運轉合格后，接好各部管路并關(guān)閉排氣口與系統連接的截止閥。
（３）打開(kāi)總供水閥門(mén)并檢查各支管的水流是否正常。
（４）啟動(dòng)循環(huán)系統稀油裝置的輔助油泵，調整壓力到規定要求。
（５）打開(kāi)旁通閥，使壓縮機各級成無(wú)載狀況，并盤(pán)車(chē)兩轉，觀(guān)察壓縮機無(wú)異響時(shí)，即可脫開(kāi)盤(pán)車(chē)裝置，啟動(dòng)壓縮機。
（６）關(guān)閉輔機排液閥，各級旁通閥，逐漸調節壓縮機排氣閥門(mén)，使壓縮機緩慢升壓至末級出口壓力達到０.５ＭＰａＧ，負荷運轉時(shí)間不少于４小時(shí)。
負荷運轉中檢查項目有：四級排氣溫度小于１５０℃，機身主軸承溫度小于６５℃，活塞桿摩擦表面溫度不超過(guò)１００℃，檢查漏氣點(diǎn)作必要標記，檢查各儀表、閥門(mén)、電機等工作是否正常等。
發(fā)生故障前，壓縮機先后已經(jīng)歷３次不同負荷的運轉試驗，加載過(guò)程中發(fā)現三級排氣閥有漏氣現象，三級氣缸有異響，機身振動(dòng)大，因此未繼續增加四級氣缸的負荷，即未加壓到規定的排氣壓力。試驗后，拆卸檢查氣閥的過(guò)程中，發(fā)現三級排氣閥閥座及升程限制器出現斷裂。
在壓縮機負荷試驗后，對損壞的三級排氣閥的損壞情況做出記錄。斷裂位置如圖１所示，氣閥閥座中間螺栓與閥座之間在加強筋處拉斷，升程限制器中心處發(fā)生斷裂。位于閥座與升程限制器之間的閥片隨升程限制器一同斷裂，閥片碎片和彈簧散落。
根據以往項目設計經(jīng)驗，氣閥閥片、彈簧、墊片等部件為易損件，為避免試車(chē)時(shí)損壞，采購有隨機備件。而發(fā)生損壞的閥座和升程限制器等元件通常表現為中長(cháng)期故障，只作為２年備件采購。因在現場(chǎng)找不到可代用的氣閥組件，而重新采購供貨周期長(cháng)達３個(gè)月，使全廠(chǎng)試車(chē)無(wú)法順利進(jìn)行，最終導致該項目的交付工期受到嚴重影響。
在往復壓縮機中，應用最廣泛的氣閥型式為網(wǎng)狀閥。網(wǎng)狀閥由閥座、閥片、彈簧、中間螺栓和升程限制器等部分組成，它依靠閥片的開(kāi)啟與關(guān)閉使氣缸與外界接通與切斷，閥片的開(kāi)啟與關(guān)閉由氣缸內、外氣體壓力差與彈簧力控制，無(wú)需其他驅動(dòng)機構。
壓縮機氣閥結構如圖２所示，網(wǎng)狀閥閥座具有能被閥片覆蓋的氣體通道，與閥片一起控制壓縮機的進(jìn)氣或排氣，并承受氣缸內外壓力差。升程限制器限制閥片的升程，有著(zhù)與閥座相似的氣流通道，作為氣閥彈簧的支承座，其上開(kāi)有彈簧孔。閥座各環(huán)形通道間由徑向加強筋連接。為防止相對轉動(dòng)，閥座和升程限制器之間采用中間螺栓聯(lián)接，中間螺栓把升程限制器與閥座壓緊在壓縮機氣缸的閥孔上。
故障壓縮機排氣閥的閥座、閥片和升程限制器都采用環(huán)形通道，升程限制器通道與閥座通道錯開(kāi)。當氣缸與閥腔之間的氣體壓力差，足以克服彈簧力及閥片的質(zhì)量力時(shí)，閥片開(kāi)啟。氣體先流入閥座，經(jīng)過(guò)環(huán)形通道進(jìn)入氣缸。氣閥剛開(kāi)啟時(shí)，氣流推力大于彈簧力，閥片被推向升程限制器；當活塞接近止點(diǎn)時(shí)，速度降低，進(jìn)氣速度和氣流推力也相應減小，導致氣流推力不足以克服彈簧力，閥片又推向閥座，并與閥座貼緊，如此循環(huán)往復。
根據故障壓縮機氣閥實(shí)際發(fā)生斷裂的部位，對圖３中２－２截面進(jìn)行強度校核。這時(shí)閥座可以簡(jiǎn)化為由多段兩端固定的梁承受全部氣體力［９］，如圖
首先校核正常負載情況下的彎曲應力。閥座具體尺寸已經(jīng)在圖中標注，壓縮機三級氣缸在工作狀態(tài)下的內外壓差△ｐ＝０.３２ＭＰａ，作用于最內圈通道的平均直徑ｄ１圓周上的氣體力
閥座是在動(dòng)載荷條件下工作的，承受和壓縮機曲軸同頻率變化的氣缸內外壓差和氣閥開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程中的閥片撞擊力。故障壓縮機氣閥閥座材料為３Ｃｒ１３，其許用應力為［σ］＝１８０ＭＰａ，僅在氣體壓力作用下，閥座加強筋的強度足夠，而發(fā)生故障的部位又與校核截面位置吻合。這說(shuō)明在沒(méi)有超壓試車(chē)的情況下，閥座的損壞很可能是由閥片過(guò)大的撞擊力造成的。
升程限制器的氣流通道與閥座氣流通道的結構相同，徑向加強筋布置也與閥座相同。因此其受力情況與閥座類(lèi)似，承受氣閥全開(kāi)時(shí)氣流的反作用力，其不同點(diǎn)在于，閥座靠氣缸缸體支撐，而升程限制器靠固定于中間螺栓上的螺母支撐。排氣閥升程限制器的加強筋內設置了彈簧孔和彈簧，閥片對升程限制器的沖擊受到彈簧力的約束。因此，可以判斷造成壓縮機排氣閥損壞的閥片沖擊載荷必然先撞擊閥座，導致危險截面處拉斷，再通過(guò)彈簧力傳導至升程限制器，由于中間螺母的擠壓，導致升程限制器中心處斷裂，隨彈簧和閥片從排氣閥脫落。
閥片在氣流的作用下沖擊閥座的過(guò)程伴隨著(zhù)復雜的發(fā)熱、塑性變形和能量耗散，較為復雜，本研究在對閥片結構進(jìn)行合理簡(jiǎn)化的基礎上，選擇使用能量法計算沖擊應力［６］。
可以判斷閥片的沖擊載荷與閥片的運動(dòng)速度、密度和彈性模量正相關(guān)。此外，閥片對閥座的撞擊并非完全垂直，因氣流不穩定和閥片質(zhì)量不均勻，閥片會(huì )發(fā)生一定傾側，當閥片側傾運動(dòng)幅度超過(guò)設計值后，撞擊應力隨側傾運動(dòng)幅度增大而迅速增加［７］。
故障壓縮機閥片為非金屬ＰＥＥＫ材料，密度和彈性模量符合設計標準［８］，但由于在試車(chē)過(guò)程中采用的介質(zhì)為空氣，其密度是工作介質(zhì)氫氣密度的１４.５倍，在相同的排氣速度下，本身就增加了閥片對閥座的沖擊力。更重要的是，由于試車(chē)時(shí)拆除了進(jìn)口過(guò)濾器，前幾次試車(chē)時(shí)的累積進(jìn)氣，導致空氣中的灰塵、水分和氣缸中高粘度潤滑油不斷在閥片上的沉積，閥片的密度不斷增加；這些雜質(zhì)堆積在閥片的不同部位，使原本質(zhì)量分布均勻對稱(chēng)的閥片產(chǎn)生較大的質(zhì)量不平衡力，這將極大的增加閥片的側傾運動(dòng)幅度，從而使沖擊應力進(jìn)一步擴大。
其次，試車(chē)前未對氣量調節閥儀表氣壓力和氣缸端蓋螺栓預緊力進(jìn)行檢查，致使排氣閥升程過(guò)大，而加速閥片的運動(dòng)。再次，故障壓縮機出口氣量有多種工況組合，試車(chē)時(shí)頻繁變化的排氣負荷增加了擾動(dòng)載荷，空氣擾動(dòng)同樣增加了閥片的側傾效應。在各因素的疊加作用下，最終導致沖擊載荷超出閥座危險截面處的斷裂強度，閥座從中間螺栓處拉斷，進(jìn)而損壞升程限制器，引起壓縮機氣閥的整體失效。
４ 結論
根據以上分析結果，可以看出排氣閥在試車(chē)過(guò)程中的損壞，主要是由以下原因造成的：
（１）壓縮機設計時(shí)，未預留試車(chē)空氣進(jìn)氣口，試車(chē)時(shí)只能將進(jìn)口過(guò)濾器拆掉，空氣中的灰塵、水分在閥片上堆積，增加了閥片密度。
（２）雜質(zhì)在閥片上的不均勻堆積，增加了閥片的側傾角度，進(jìn)而增大閥片的沖擊應力。
（３）氣閥升程在試車(chē)前未校核，造成動(dòng)載荷對閥座沖擊速度過(guò)大。
（４）試車(chē)過(guò)程中頻繁變化排氣負荷，啟動(dòng)時(shí)電機轉速不穩，氣閥墊片損壞導致氣體泄漏等原因增加了擾動(dòng)載荷，進(jìn)一步擴大了閥片的側傾效應。
（５）氣缸中高粘度潤滑油施加過(guò)量，潤滑油間接隨空氣附著(zhù)在閥片，使更多空氣中帶入的灰塵，在閥片上的粘結。
因此，對往復式氫氣壓縮機的單機負荷試車(chē)程序提出以下改進(jìn)措施，供今后類(lèi)似工程項目參考：
（１）壓縮機進(jìn)口管道過(guò)濾器前增加空氣試車(chē)接口，防止試車(chē)空氣中的灰塵、水分進(jìn)入氣缸。在有條件的情況下，使用氮氣代替空氣進(jìn)行運轉試驗更
（２）試車(chē)前必須仔細檢查端蓋螺栓預緊力，檢查調節閥儀表壓力，校核升程。
（３）調節流量時(shí)避免頻繁的變化排氣負荷，至少在同一負荷下運轉３０ｍｉｎ。
（４）潤滑油站不得超壓，對可能的漏油點(diǎn)應及時(shí)檢查。
（５）當試車(chē)時(shí)發(fā)生漏氣現象時(shí)，必須及時(shí)停機檢查，由于墊片原因導致泄漏時(shí)，及時(shí)更換墊片。
［１］ 趙永志，蒙波，陳霖新，等．氫能源的利用現狀分析［Ｊ］.化工進(jìn)展，２０１５，（３４）：３２４８－３２５５．
［２］ 凌文，劉瑋，李育磊，等．中國氫能基礎設施產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰略研究
［Ｊ］.中國工程科學(xué)，２０１９，（２１）：７６－８３．
［３］?。?Ｓｄａｎｇｈｉ，Ｇ.Ｍａｒａｎｚａｎａ，Ａ.Ｃｅｌｚａｒｄ，Ｖ．Ｆｉｅｒｒｏ，Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆｔｈｅＣｕｒｒｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆＨｙｄｒｏｇｅｎＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｆｏｒＳｔａｔｉｏｎａｒｙａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｒｅｎｅｗ．Ｓｕｓｔ．Ｅｎｅｒｇ．Ｒｅｖ．，２０１９，（１０２）：１５０－１７０．
［４］ 畢文陽(yáng)，江志農，劉錦南．往復壓縮機氣閥故障模擬實(shí)驗與診斷研究［Ｊ］.流體機械，２０１３，（４１）：６－１０．
［５］ 劉衛華，郁永章．往復壓縮機故障診斷方法的研究［Ｊ］.壓縮機技術(shù)，２００１：３－５＋１２．
［６］?。?Ｂｉａｌｅｋ，Ｐ.Ｂｉｅｌａｗｓｋｉ，Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ＰｉｓｔｏｎＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ，ｉｎ：６ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｇｒｅｓｓｏｎＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ
（ＩＣＴＤ），Ｇｌｉｗｉｃｅ，ＰＯＬＡＮＤ，２０１６，ｐｐ.６９－８０．
［７］?。?Ｌ，Ｎ.Ｈ.，Ｐ.Ｒ.．ＴｈｅＥｘｃｅｓｓＥｎｅｒｇｙＡｐｐｒｏａｃｈｔｏｔｈｅＩｍｐａｃｔＴｅｓｔｉｎｇｏｆＰｌａｓｔｉｃｓ，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，１９８５，（５）．［８］ 盧朝霞，王玉鵬，張增營(yíng)，等．往復式壓縮機環(huán)狀閥工作過(guò)程沖擊應力分析［Ｊ］.流體機械，２００８：１１－１６．
［９］?。粒校?，石油、化工和天然氣工業(yè)設備用往復式壓縮機［Ｓ］.美國國家標準學(xué)會(huì )，２００８．
本站系本網(wǎng)編輯轉載，轉載目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀(guān)點(diǎn)和對其真實(shí)性負責。如涉及作品內容、版權和其它問(wèn)題，請在30日內與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間刪除內容！[聲明]本站文章版權歸原作者所有 內容為作者個(gè)人觀(guān)點(diǎn) 本站只提供參考并不構成任何投資及應用建議。
