基于现场工况的压缩机气阀国产化研究

张富强

(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤西作业公司 天津300459)

0 引 言

压缩机作为海洋石油平台的关键设备之一，承担为燃气透平用天然气增压或平台天然气外输等任务，因此压缩机的运行质量直接影响平台生产的连续性和平台运营成本。近年来，随着海洋石油的开发，压缩机数量迅猛增长，仅中海石油(中国)有限公司天津分公司就拥有95台压缩机，主要为美国 Ariel和Cooper两大公司的机型，国产压缩机占比很少。为保证压缩机的平稳运行，平台一直采用厂家推荐的预防性维修策略，每运转 8,000,h做一次年检，压缩机所有配件均从原厂采购，压缩机进排气阀也一直采用进口气阀(贺尔碧格公司提供)，进排气阀在 8,000,h年检时进行更换，日常运行发现气阀有漏气等异常问题时，及时更换气阀，返回贺尔碧格公司进行维修。

虽然压缩机进排气阀采用的是进口产品，但是综合考察进口气阀的使用情况发现，气阀的寿命很少能达到 8,000,h，一般在运行过程中均因漏气或弹簧断裂问题而被提前更换，可见压缩机使用进口气阀并没有实现可靠运行的目的，而且气阀采办及维修费用是压缩机维护费用的主要部分，因此有必要实施国产化。

压缩机气阀国产化在陆地石化厂实施已经成熟，但是在海洋石油平台尚未尝试。它不同于柴油机、泵类进口配件的国产化，如果一味按照进口配件的材质、硬度、尺寸等指标进行国产化，就无法体现出国产化的优势。

1 气阀工作原理及设计要求

1.1 压缩机气阀工作原理

气阀是压缩机气缸上的重要组件，负责气体的吸入和排出。传统的气阀由阀座、阀片、弹簧、升程限位器、螺栓等组成，如图1所示。

图1 进气阀Fig.1 Inlet valve

1.2 工作要求

从气阀工作原理来看，气阀工作性能将直接影响压缩机气缸的工作，因此对气阀有如下要求：

1.2.1 阻力损失小

气阀阻力损失大小与气流的阀隙速度及弹簧力大小有关。气速越高，能量损失越大；弹簧力过大，阻力损失也大，其大小按气阀运动规律的合理性准则设计确定。

1.2.2 气阀关闭及时、迅速

关闭时不漏气，以提高机器的效率，延长使用期。

1.2.3 寿命长、工作可靠

限制气阀寿命的主要因素是阀片及弹簧质量，一般对长期连续运转的压缩机，期望寿命达 8,000,h以上；对移动式、短期或间歇运转的压缩机要求稍低。

此外，形成的余隙容积要小；噪声小；气阀装配、安装、维修方便，加工容易等。

2 进口气阀常见故障现象及原因

2.1 进口气阀故障现象

2.1.1 气阀漏气

气阀漏气，很明显的现象是气阀温度升高，这是气体被重复压缩造成的，现场用温度计可以测量。

2.1.2 阀片断裂

阀片断裂后会有异响，同时会造成气阀漏气和压缩机出口压力不足。

2.1.3 弹簧断裂

弹簧断裂导致阀片不能复位，气流自由通过，此时气缸出口压力明显不足，同时伴有“劈啪”响声，气缸温度上升。

2.2 故障原因

2.2.1 天然气含液

由于天然气含有液体，改变了气阀的工作环境，从而导致阀片、弹簧等部件故障。例如，一些平台的天然气脱水不彻底，天然气经分离器分离后，进入海水冷却器，将天然气降温至露点温度以下后，有凝析油和水析出，此时再将天然气送至压缩机入口洗涤器，进行气液分离。在洗涤器中，天然气从切向进入，通过旋分的方式将液体集聚在洗涤器底部，气体上升，经丝网除雾器顶部从顶部排出送至压缩机，此时的天然气应不含液体。但由于海水冷却器换热效果的下降以及洗涤器分离不彻底等原因，或者由于洗涤器至压缩机入口之间管段没有保温，造成天然气温度进一步下降，导致凝析液再次析出，造成天然气进气含液。这样环境下工作的气阀一般不超过4,000,h。

压缩机进气含液的问题比较普遍，严重的甚至造成气缸水击，导致活塞杆过载断裂。平台普遍采取在入口洗涤罐下自动排放和定时人工排放的方式，使活塞杆断裂的问题得到了缓解，但是天然气彻底脱水的问题还是未能解决。

2.2.2 气阀设计与实际工况偏差较大

压缩机的设计转速与实际工作转速偏差较大，平台的压缩机设计转速高达 1,500,rpm(压缩机的最大转速)，而实际转速多数为900～1,000,rpm，二者存在近500,rpm的差值，而转速直接影响气阀设计指标中的阀隙速度，最终导致弹簧力的设计值偏高，过高弹簧力导致阀片在回位时对阀座的冲击力过大，直接影响气阀的使用寿命；同样弹簧力的增大，也导致压缩机的能耗增大。

3 进口气阀国产化的必要性

①根据机组的实际运行工况，重新计算气阀弹簧力值，优化气阀弹簧力值降低气阀能耗，改进气阀内部结构延长气阀寿命，而不是简单地复制原装配件；②由于平台工艺流程的原因，天然气中含有杂质和液体的现状难以改变，所以应着力提升气阀的适应性；③气阀寿命的延长，能够降低压缩机停机次数，减少启停机风险；④进口气阀存在费用较高、供货周期不稳定、到货时间难以控制等不利因素；⑤进口气阀在采办和维修方面一直受厂家垄断，采办和维修费用一直居高不下。

4 进口气阀国产化实施

经过与平台协商，选定一台压缩机作为气阀国产化目标机型，开展气阀国产化研究工作，主要工作如下：

4.1 基础数据准备

4.1.1 天然气组分

由平台提供压缩机介质的成分组成，以此作为气体值K值和R值的计算基础。

4.1.2 机组运行参数

机组的行程、转速；机组各级的进排气温度、进排气压力。

4.1.3 气阀的安装尺寸

检测气阀的安装尺寸，确保国产化气阀能够满足机体空间位置。

4.2 气阀设计

4.2.1 根据机组实际的气体工况计算气体绝热指数K值和气体常数R值

式中：K1、K2…表示各成分气体绝热指数；X1%,、X2%,…表示各成分气体占的百分比。

式中：M1、M2…表示各成分气体分子量。

4.2.2 根据机组气阀安装尺寸设定合理的阀隙通流面积S

式中：￠1、￠2、￠3…表示阀片密封中心线直径，h表示气阀升程。

4.2.3 根据气缸直径￠、转速n、阀隙面积s算出阀隙速度V

式中：z为同时作用气阀个数；a为流量系数。

4.2.4 根据机组实际的运行数据，重新校核气阀弹簧力值

由于阀片全开时的弹簧力，必须根据阀片所受的气体推力值大小、压缩机的转速高低、气体压力大小等因素决定，因此对机组的实际运行工况全面掌握。

式中：k为气体等熵指数；β为推力系数；As为阀座出口面积；Ap为活塞面积；Vm为活塞平均速度；B为气体绝热指数；R为气体常数；E为气体修正系数；Z为同名气阀个数；Av为气阀有效通流面积。其中，式中p和T代表的是机组的运行压力和温度，而往往机组的实际压力、温度和设计取值都有一定的偏差，所以校核气阀的弹簧力很有必要。

4.2.5 根据阀隙速度、气阀工作温度、工作压力等参数，计算出气阀的马赫数

机组JGE/2设计计算数据见表1。

4.3 气阀选材

4.3.1 阀片

根据油田机组气质中含液体和颗粒物多的状况，此次选用和进口PEEK同等质量的非金属材质阀片，同时在阀片厚度方面进行改进，由进口阀片厚度 2～4,mm增至 6～8,mm，增强阀片的抗压和抗液性能。

表1 机组JGE/2设计计算数据Tab.1 Designed calculation data of unit JGE/2

4.3.2 弹簧

根据马赫数和之前设计的阀座通流面积配置弹簧力，此次选用 17-7PH不锈钢弹簧钢丝，而进口气阀往往选用65Mn钢丝。

对弹簧材质进行改进，是基于 17-7PH不锈钢本身具有很强的剪切模量，而65Mn是通过热处理才能达到 17-7PH的同等剪切模量。在现场使用过程中往往由于环境因素影响，造成65Mn钢丝表面发黑层破坏，导致弹簧钢丝失效，这也是进口气阀故障率高的原因之一。

4.3.3 阀座

阀体材料全部选用 3Cr13钢材，解决防锈、防腐问题。

4.4 气阀加工

气阀加工需要委托专业厂家完成，气阀加工完毕，按标准进行气密试验。

4.5 装机试验

为了与进口气阀形成鲜明对比，装机试验中在机组的曲轴侧安装进口进气阀和排气阀，在气缸侧安装国产化的进气阀和排气阀，共安装 6个国产气阀，自2015年 4月份开始运行，机组出口压力、温度、流量均符合设计要求。

经过累计 8,000,h运行试验，现场没有发生国产化气阀漏气和异响等故障，而机组上两个进口气阀在运行6,000,h以后有高温现象而被更换。

4.6 后评价

对运行8,000,h气阀进行解体检查，图2为分解后图片。

经检查，主要的易磨损部位，即阀座、阀片和弹簧均无磨损和损坏的现象。

将阀座、阀片、弹簧送至上海微谱分析测试中心，分别进行无损探伤、抗压测试、弹性性能 3项检查，结论为“均未发现异常”。

综上所述，国产化气阀完全能够满足海洋环境下8,000,h运转要求。

图2 气阀分解后图Fig.2 Pictures of disassembled valves

5 进口气阀国产化的优势和经济效益

国产化气阀的造价仅为进口气阀的 50%,，能够为压缩机配件费用带来较大降幅空间；国产化气阀供货周期为4～5周，而进口气阀供货周期至少要6个月；国产化气阀的后期维修费用同样降低近 50%,，国内厂家提供由阀片和弹簧组成的维修包。

6 结 语

此次通过压缩机气阀国产化的实施，成功实现了进口气阀的替代，打破了进口气阀垄断格局。事实证明，这种基于现场工况的国产化气阀设计、制造具有明显优势，在保障压缩机生产正常进行的同时，达到压缩机运维降本增效的目的，因此具有推广价值。

在压缩机气阀国产化的基础上，准备进一步开展基于现场工况的压缩机活塞环、支撑环、填料环的国产化，从而实现压缩机易损件100%,国产化，深化降本增效，实现压缩机维修和配件供给一体化服务。

［1］ 王建军. 压缩机气阀故障分析及机改造[J]. 压缩机技术，2008(3)：44-45.

［2］ 张可红. 浅谈进口压缩机气阀国产化[J]. 压缩机技术，2006(1)：29-30.

［3］ 往复活塞压缩机用网状阀片[S]. JB/T7239—1994.

［4］ API618 2007石油化工和天然气工业用往复式压缩机(5th中文版)[Z].