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【摘 要】 本文介绍了南京炼油厂白油加氢装置循环氢压缩机气阀的工作原理、常见的故障现象和特征及其原因。同时通过分析故障机理并通过设备特点采取操作调整、定期检修、合理维护等方式减少故障率、延长气阀寿命。
【关键词】 压缩机气阀 工作原理 故障 改进措施
往复式压缩机作为一种提供压缩气体动力的设备，因其工况压力范围广、效率高、适应性强，是石化装置气体增压的主要设备。
南京炼油厂15万吨/年白油加氢装置是2015年建成投产，装置的循环氢压缩机采用沈阳鼓风机厂生产的2D10-3.22/171-188-BX对称平衡式往复机，设计入口压力17.1MPa、出口压力18.8MPa、入口温度50℃、出口温度60℃，配套电机转速494r/min、电机功率250kW。
根据白油加氢装置在日常使用和维护检修过程中出现的故障和问题来总结和分析，发现其发生的故障超过50%的原因都是气阀故障。
1 气阀的结构和工作原理
1.1气阀的结构
往复式压缩机常用的气阀结构有菌状阀、条状阀、环状阀、网状阀、碟状阀，本装置的循环氢压缩机采用的气阀为网状阀（如图1）。该压缩机气阀主要由四部分组成：
1）阀座，具有气体通道，与阀片一起闭锁进气（或排气）通道，并承受气缸内外压力差；
2）阀片，交替地开启与关闭阀座通道；
3）阀簧，关闭时推动阀片落向阀座，并在开启时抑制阀片撞击升程限制器；
4）升程限制器，限制阀片的升程，常作为承座弹簧的零件。
1.2气阀的工作原理
往复式压缩机通过活塞的往复运动完成气体在气缸内的吸气、压缩、排气的过程[1]。压缩机的吸气阀和排气阀分别控制气体的吸入与排出，气阀开启的最大位置受升程限制器的限制[2]。白油加氢装置的吸气阀安装在气缸上部、排气阀安装在气缸下部（如图2）。
在此过程中气阀的运动部件处于高频的往复伸缩运动状态，因此大多数损伤发生在连接部位及易损部件上，都是由于部件长期磨损或疲劳导致的。气阀故障引发的压缩机参数变化大致包括：
1）热力学参数变化，吸排气压力、排气量、各部位温度变化，油路和水路参数异常；
2）设备的动力性能变化，气阀故障会引起机组的异常振动、异响，引起的管道共振等。
气阀故障的征兆，既可以从仪表测量数据发现、也可以从设备异常振动、异响中判断。
2气阀故障的原因及表现特征
往复式压缩机气阀故障会影响压缩机的排气量、降低效率、浪费能源。甚至阀片碎块落入气缸，会导致汽缸拉毛、活塞/活塞环损坏等严重问题。及时地发现气阀故障、诊断故障原因，采取有效合理的防治措施，能提高运行可靠性、较少损失。气阀故障主要表现在以下几方面：
2.1阀片的损伤
阀片在气阀工作过程中做494次/min的高频往复运动，不断地承受着撞击载荷和交变载荷，易使阀片疲劳损伤；另外阀片在工作过程中经常和工作面、弹簧发生摩擦磨损，使得阀片强度减弱，当磨损量过大时就会影响气阀密封效果，影响气阀使用寿命。
2.2阀簧形变
阀簧变形应从以下两方面考慮：
第一，阀簧从全闭到全启的工作循环，其载荷由预压缩力变化到最大压缩力，承受脉动循环载荷，引起阀簧疲劳，无法达到正常工作的预紧力，出现气阀过早开启、阀片震颤等现象，气阀不能正常工作，如弹簧缩短、错位[3]；另外，阀簧变形时与孔壁发生摩擦磨损，使弹簧形变更易增大甚至断裂。
第二，压缩机吸气阀设置了卸荷器，若停机情况下，吸气阀长期处于顶开状态，吸气阀阀簧一直压缩，阀簧易疲劳；或机组长期处于50%负荷（吸气阀1只正常工作、1只被顶开），不做功的气阀长期处于最大被压缩状态，阀簧快速发生塑性形变、疲劳损坏。
2.3卡塞异物
气阀阀片在运动过程中，管道内的杂物碎屑和活塞在运动时产生的金属碎末进入气阀后，会引起阀座密封面损伤或者镶嵌在PEEK阀片表面引起气阀不能正常关闭，气阀会发生泄漏、振动。
2.4气流带液
当压缩机气缸内的气体带液时，产生的液滴会在气流带动下会不停地对气阀造成冲击、腐蚀损伤阀片，造成气阀泄漏；同时对压缩机气缸、气体通道造成冲击，气阀会整体发生振动，长时间振动会导致气阀定位销磨损，使气阀在安装位置会随气流攒动，无法正常工作。
3 往复式压缩机常见故障分析与改进措施
3.1气阀故障的原因分析
1）阀片的疲劳损伤和弹簧变形，主要和气阀部件本身的材质、气阀的工作方式有关联，在长时间的往复运动情况下，阀片、弹簧会疲劳损伤，甚至不能正常工作、无法使用。
压缩机在正常运行时，阀片主要承受两种载荷：气阀阀片两侧气体压力差引起的均布载荷；阀片与阀座、升程限制器撞击时的冲击载荷。
压缩机气阀阀片受气流的脉动冲击，使阀片承受脉动的均布载荷。在这种载荷的作用下，阀片易疲劳破坏，产生裂纹；同时气流高速冲击阀片表面，产生腐蚀、麻点和凹坑。
压缩机运转时，阀片在和阀座、升程限制器接触部位存在撞击载荷。由于撞击时接触不均匀，未接触部位会出现弯曲变形。虽然阀片质量小，撞击能量小，但在494次/min高率撞击下，很容易出现断裂破坏，尤其在边缘和弹簧支撑点等应力集中的地方更容易破坏。损伤的阀片会影响气阀的密封效果，使气阀失效。
气阀阀片在启闭的同时也与阀簧撞击。阀簧不断的被压缩和释放，在脉动载荷作用下，弹簧由弹性形变逐渐转变为塑性形变，长度变小、降度降低。阀簧和升程限制器的导向面之间的间隙也很重要，间隙过大弹簧容易径向窜动、旋转和磨损，间隙过小则会使弹簧卡死，不能正常工作[2]。弹簧损坏、会导致阀片受力不均匀从而发生侧倾，影响阀片正常工作甚至损坏阀片。 2）气流带液。
介质待液包括四种情况：一是进入气缸的工艺介质中夹带液体；二是在气体压缩过程中析出液体；三是缸体水套或缸面密封不严或填料冷却水泄漏进入气缸；四是由于汽缸温度较低造成介质中的轻烃液化。当缸内液滴在气流的带动下会高速冲击、损伤阀片，同时导致气阀振动，损伤气阀定位销，气阀不能正常工作甚至不能使用。白油加氢装置循环氢压缩机气阀故障关联的主要是析出液体和轻烃液化造成的气流带液。
3.2气阀的泄漏预防措施
1）选用质量和性能良好的气阀。气阀质量是影响气阀寿命重要因素，材质和加工质量良好的气阀有较好的均布载荷和脉冲载荷的承受能力，也有较好的耐腐蚀、耐磨能力。阀片、阀簧在材质、加工工艺上的严格要求，可提高其抗高温蠕变、腐蚀损伤的能力，提高气阀使用寿命[4]。合理的弹簧力、阀片升程、閥簧和导向面间隙，可以使阀片规律运动下，承受较小的的压力和阀座受到的撞击力，延缓阀片的疲劳损坏，同时减小阀片发生倾斜造成的阀片损坏。
新换气阀在使用前应进行外观检查、机油渗漏试验，确认气阀的密封性能。
2）净化介质。输送的介质在进入压缩机前，要进行充分的除液和除尘，保证介质的各项指标达到要求。压缩机组外入口管线设置带有丝网除沫器的缓冲罐，消除介质液沫夹带、通过观测DCS中的液位显示及时进行切液排除沉积的液体和脏污；机组内入口管线设置气体过滤器，将气体介质中的固体杂质过滤掉、避免对气阀造成影响，气体过滤器设置有差压显示表和变送器，可随时监控过滤器堵塞情况，同时注意在压缩机组入口阀缓慢开启，避免高压气体快速进入机体过程中破坏气体过滤器。
3）保证压缩机操作工况接近设计工况。通过监控DCS远传变送器和现场就地仪表显示的的压力、温度、振动数值，避免压缩比偏离、操作波动、工况大幅波动。
如避免压缩机的进气温度过低、气缸冷却水温度过低，否则循环氢中夹杂的轻烃发生液化、压缩析出的液量增多，会造成机体振动增大，气阀不能正常工作，（进气温度影响如图3）；经数值统计发现，进气温度低于41.0℃时机组振动增大，低于39.0℃时振动上升趋势更加明显；进气温度低于46.0℃时、振动明显减小，但由于循环氢是来自装置的高压分离流程，所以进气温度不宜过高（氢气溶解度增加、轻烃组分增加，循环氢纯度降低）；综合考虑，压缩机正常的进气温度控41.0～46.0℃，既保证高压分离的效果，同时兼顾压缩机振动的控制。
保证压缩机满负荷运行，避免吸气阀1只正常工作、1只处于被顶开的情况。长期停机的情况下可关闭吸气阀卸荷器气源，使得吸气阀长期处于闭合状态、气阀弹簧不受力。
4）保证压缩机组处于良好的运行状态。气阀故障对压缩机的运行参数有一定的影响。通过定期监测压缩机机体振动、进排气温度、冷却效果等（如表1），及时发现气阀存在的问题，及时调整操作条件、排除异常，保证机组正常运行，为气阀提供良好的运行环境。
5）对于压缩机的巡检质量提出要求，可有效的预防故障的发生、保障压缩机长周期运行。
结 论
通过气阀质量的要求和压缩机运行参数的监控，气阀的故障率降低、气阀寿命增长，气阀的连续运行时长由原有的～5000小时增长至～8600小时，新更换气阀持续运行中。
在和同类设备的比较时发现，在设备安装、试运、生产运行过程中，严格把控设备零部件质量、设备安装精度，合理的设备结构，规范的设备操作、平稳的设备运行的操作参数，可以有效的提高易损件的使用寿命、减小或减少设备故障发生，保证设备长周期、稳定运行，提高设备的安全可靠性，保证装置长周期、稳定运转，企业稳定收益。
【参考文件】
[1] 中国石油和石化工程研究会，《炼油设备工程师手册（第二版）》，中国石化出版社，2010-1（7）。
[2] 周宜良，活塞式空气压缩机气阀故障分析与改进措施[J]，四川化工，2012，2（15）：41-44。
[3] 郁永章，屈宗长，活塞式压缩机气阀螺柱弹簧和阀片撞击分析[J]，压缩机技术，1983（4）：15-20。
[4] 苏德达，阀簧的断裂与强韧化热处理[J]，化工通用机械，1981（11）：1-6。
作者简介：王谦（1987—），男，汉族，陕西省西安市人，设备技术员，过程装备与控制工程学士，单位：南京炼油厂有限责任公司，研究方向：机械设备。
【关键词】 压缩机气阀 工作原理 故障 改进措施
往复式压缩机作为一种提供压缩气体动力的设备，因其工况压力范围广、效率高、适应性强，是石化装置气体增压的主要设备。
南京炼油厂15万吨/年白油加氢装置是2015年建成投产，装置的循环氢压缩机采用沈阳鼓风机厂生产的2D10-3.22/171-188-BX对称平衡式往复机，设计入口压力17.1MPa、出口压力18.8MPa、入口温度50℃、出口温度60℃，配套电机转速494r/min、电机功率250kW。
根据白油加氢装置在日常使用和维护检修过程中出现的故障和问题来总结和分析，发现其发生的故障超过50%的原因都是气阀故障。
1 气阀的结构和工作原理
1.1气阀的结构
往复式压缩机常用的气阀结构有菌状阀、条状阀、环状阀、网状阀、碟状阀，本装置的循环氢压缩机采用的气阀为网状阀（如图1）。该压缩机气阀主要由四部分组成：
1）阀座，具有气体通道，与阀片一起闭锁进气（或排气）通道，并承受气缸内外压力差；
2）阀片，交替地开启与关闭阀座通道；
3）阀簧，关闭时推动阀片落向阀座，并在开启时抑制阀片撞击升程限制器；
4）升程限制器，限制阀片的升程，常作为承座弹簧的零件。
1.2气阀的工作原理
往复式压缩机通过活塞的往复运动完成气体在气缸内的吸气、压缩、排气的过程[1]。压缩机的吸气阀和排气阀分别控制气体的吸入与排出，气阀开启的最大位置受升程限制器的限制[2]。白油加氢装置的吸气阀安装在气缸上部、排气阀安装在气缸下部（如图2）。
在此过程中气阀的运动部件处于高频的往复伸缩运动状态，因此大多数损伤发生在连接部位及易损部件上，都是由于部件长期磨损或疲劳导致的。气阀故障引发的压缩机参数变化大致包括：
1）热力学参数变化，吸排气压力、排气量、各部位温度变化，油路和水路参数异常；
2）设备的动力性能变化，气阀故障会引起机组的异常振动、异响，引起的管道共振等。
气阀故障的征兆，既可以从仪表测量数据发现、也可以从设备异常振动、异响中判断。
2气阀故障的原因及表现特征
往复式压缩机气阀故障会影响压缩机的排气量、降低效率、浪费能源。甚至阀片碎块落入气缸，会导致汽缸拉毛、活塞/活塞环损坏等严重问题。及时地发现气阀故障、诊断故障原因，采取有效合理的防治措施，能提高运行可靠性、较少损失。气阀故障主要表现在以下几方面：
2.1阀片的损伤
阀片在气阀工作过程中做494次/min的高频往复运动，不断地承受着撞击载荷和交变载荷，易使阀片疲劳损伤；另外阀片在工作过程中经常和工作面、弹簧发生摩擦磨损，使得阀片强度减弱，当磨损量过大时就会影响气阀密封效果，影响气阀使用寿命。
2.2阀簧形变
阀簧变形应从以下两方面考慮：
第一，阀簧从全闭到全启的工作循环，其载荷由预压缩力变化到最大压缩力，承受脉动循环载荷，引起阀簧疲劳，无法达到正常工作的预紧力，出现气阀过早开启、阀片震颤等现象，气阀不能正常工作，如弹簧缩短、错位[3]；另外，阀簧变形时与孔壁发生摩擦磨损，使弹簧形变更易增大甚至断裂。
第二，压缩机吸气阀设置了卸荷器，若停机情况下，吸气阀长期处于顶开状态，吸气阀阀簧一直压缩，阀簧易疲劳；或机组长期处于50%负荷（吸气阀1只正常工作、1只被顶开），不做功的气阀长期处于最大被压缩状态，阀簧快速发生塑性形变、疲劳损坏。
2.3卡塞异物
气阀阀片在运动过程中，管道内的杂物碎屑和活塞在运动时产生的金属碎末进入气阀后，会引起阀座密封面损伤或者镶嵌在PEEK阀片表面引起气阀不能正常关闭，气阀会发生泄漏、振动。
2.4气流带液
当压缩机气缸内的气体带液时，产生的液滴会在气流带动下会不停地对气阀造成冲击、腐蚀损伤阀片，造成气阀泄漏；同时对压缩机气缸、气体通道造成冲击，气阀会整体发生振动，长时间振动会导致气阀定位销磨损，使气阀在安装位置会随气流攒动，无法正常工作。
3 往复式压缩机常见故障分析与改进措施
3.1气阀故障的原因分析
1）阀片的疲劳损伤和弹簧变形，主要和气阀部件本身的材质、气阀的工作方式有关联，在长时间的往复运动情况下，阀片、弹簧会疲劳损伤，甚至不能正常工作、无法使用。
压缩机在正常运行时，阀片主要承受两种载荷：气阀阀片两侧气体压力差引起的均布载荷；阀片与阀座、升程限制器撞击时的冲击载荷。
压缩机气阀阀片受气流的脉动冲击，使阀片承受脉动的均布载荷。在这种载荷的作用下，阀片易疲劳破坏，产生裂纹；同时气流高速冲击阀片表面，产生腐蚀、麻点和凹坑。
压缩机运转时，阀片在和阀座、升程限制器接触部位存在撞击载荷。由于撞击时接触不均匀，未接触部位会出现弯曲变形。虽然阀片质量小，撞击能量小，但在494次/min高率撞击下，很容易出现断裂破坏，尤其在边缘和弹簧支撑点等应力集中的地方更容易破坏。损伤的阀片会影响气阀的密封效果，使气阀失效。
气阀阀片在启闭的同时也与阀簧撞击。阀簧不断的被压缩和释放，在脉动载荷作用下，弹簧由弹性形变逐渐转变为塑性形变，长度变小、降度降低。阀簧和升程限制器的导向面之间的间隙也很重要，间隙过大弹簧容易径向窜动、旋转和磨损，间隙过小则会使弹簧卡死，不能正常工作[2]。弹簧损坏、会导致阀片受力不均匀从而发生侧倾，影响阀片正常工作甚至损坏阀片。 2）气流带液。
介质待液包括四种情况：一是进入气缸的工艺介质中夹带液体；二是在气体压缩过程中析出液体；三是缸体水套或缸面密封不严或填料冷却水泄漏进入气缸；四是由于汽缸温度较低造成介质中的轻烃液化。当缸内液滴在气流的带动下会高速冲击、损伤阀片，同时导致气阀振动，损伤气阀定位销，气阀不能正常工作甚至不能使用。白油加氢装置循环氢压缩机气阀故障关联的主要是析出液体和轻烃液化造成的气流带液。
3.2气阀的泄漏预防措施
1）选用质量和性能良好的气阀。气阀质量是影响气阀寿命重要因素，材质和加工质量良好的气阀有较好的均布载荷和脉冲载荷的承受能力，也有较好的耐腐蚀、耐磨能力。阀片、阀簧在材质、加工工艺上的严格要求，可提高其抗高温蠕变、腐蚀损伤的能力，提高气阀使用寿命[4]。合理的弹簧力、阀片升程、閥簧和导向面间隙，可以使阀片规律运动下，承受较小的的压力和阀座受到的撞击力，延缓阀片的疲劳损坏，同时减小阀片发生倾斜造成的阀片损坏。
新换气阀在使用前应进行外观检查、机油渗漏试验，确认气阀的密封性能。
2）净化介质。输送的介质在进入压缩机前，要进行充分的除液和除尘，保证介质的各项指标达到要求。压缩机组外入口管线设置带有丝网除沫器的缓冲罐，消除介质液沫夹带、通过观测DCS中的液位显示及时进行切液排除沉积的液体和脏污；机组内入口管线设置气体过滤器，将气体介质中的固体杂质过滤掉、避免对气阀造成影响，气体过滤器设置有差压显示表和变送器，可随时监控过滤器堵塞情况，同时注意在压缩机组入口阀缓慢开启，避免高压气体快速进入机体过程中破坏气体过滤器。
3）保证压缩机操作工况接近设计工况。通过监控DCS远传变送器和现场就地仪表显示的的压力、温度、振动数值，避免压缩比偏离、操作波动、工况大幅波动。
如避免压缩机的进气温度过低、气缸冷却水温度过低，否则循环氢中夹杂的轻烃发生液化、压缩析出的液量增多，会造成机体振动增大，气阀不能正常工作，（进气温度影响如图3）；经数值统计发现，进气温度低于41.0℃时机组振动增大，低于39.0℃时振动上升趋势更加明显；进气温度低于46.0℃时、振动明显减小，但由于循环氢是来自装置的高压分离流程，所以进气温度不宜过高（氢气溶解度增加、轻烃组分增加，循环氢纯度降低）；综合考虑，压缩机正常的进气温度控41.0～46.0℃，既保证高压分离的效果，同时兼顾压缩机振动的控制。
保证压缩机满负荷运行，避免吸气阀1只正常工作、1只处于被顶开的情况。长期停机的情况下可关闭吸气阀卸荷器气源，使得吸气阀长期处于闭合状态、气阀弹簧不受力。
4）保证压缩机组处于良好的运行状态。气阀故障对压缩机的运行参数有一定的影响。通过定期监测压缩机机体振动、进排气温度、冷却效果等（如表1），及时发现气阀存在的问题，及时调整操作条件、排除异常，保证机组正常运行，为气阀提供良好的运行环境。
5）对于压缩机的巡检质量提出要求，可有效的预防故障的发生、保障压缩机长周期运行。
结 论
通过气阀质量的要求和压缩机运行参数的监控，气阀的故障率降低、气阀寿命增长，气阀的连续运行时长由原有的～5000小时增长至～8600小时，新更换气阀持续运行中。
在和同类设备的比较时发现，在设备安装、试运、生产运行过程中，严格把控设备零部件质量、设备安装精度，合理的设备结构，规范的设备操作、平稳的设备运行的操作参数，可以有效的提高易损件的使用寿命、减小或减少设备故障发生，保证设备长周期、稳定运行，提高设备的安全可靠性，保证装置长周期、稳定运转，企业稳定收益。
【参考文件】
[1] 中国石油和石化工程研究会，《炼油设备工程师手册（第二版）》，中国石化出版社，2010-1（7）。
[2] 周宜良，活塞式空气压缩机气阀故障分析与改进措施[J]，四川化工，2012，2（15）：41-44。
[3] 郁永章，屈宗长，活塞式压缩机气阀螺柱弹簧和阀片撞击分析[J]，压缩机技术，1983（4）：15-20。
[4] 苏德达，阀簧的断裂与强韧化热处理[J]，化工通用机械，1981（11）：1-6。
作者简介：王谦（1987—），男，汉族，陕西省西安市人，设备技术员，过程装备与控制工程学士，单位：南京炼油厂有限责任公司，研究方向：机械设备。