加氢改质压缩机气阀故障原因分析及处理

马文礼，张宗领，辛丁业，张启卿，王 屹，王艳芝

（1.中石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆克拉玛依 834003；2.中国石油大学（北京）过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室，北京 102249）

0 引言

气阀作为加氢改质压缩机组的重要配件之一，对其安全稳定运行至关重要。与其他组件相比，气阀较为敏感，其故障频发是造成压缩机组非计划停车的主要原因[1]。某石化公司加氢改质装置联合压缩机组K3101+3301C/D（一用一备）于2018 年10 月初完成试机工作并投入使用。在运行4 个月内该机组出现气阀泄漏故障7 次，导致非计划停机检修16 次，造成经济损失上千万元，严重影响加氢装置的稳定运行和安全生产。为此，分析该类压缩机气阀故障频发原因，并给出相应解决措施，为国内石化设备工作人员提供借鉴和参考。

1 压缩机组技术参数

加氢改质装置压缩机为对称平衡4 列联合往复式活塞压缩机，其中新氢气缸3 列3 级压缩，航煤新氢气缸1 列一级压缩，两者互不影响。气阀故障问题主要出现在新氢缸的进气阀和排气阀上。该压缩机组相关技术参数：机型，MW-31.3/（19-132）-19.4/（13-22.2）-X；介质，H2（90%～99%）；排气量，31.3 m3/min；行程，355.6 mm；曲轴转速，300 r/min。

2 气阀故障的表现形式

2018 年10 月2 日，加氢改质压缩机K3101+3301C 首次出现排气量降低、新氢一级排气阀温度超标等异常现象。经拆检发现一个新氢一级进气阀的弹簧断裂，且密封面间进入轻微杂质，如图1 所示。10 月30 日，压缩机D出现一级气缸排气温度过高而致联锁停机，同时启用C 机，经检修发现一级排气阀的阀片出现严重损坏，且密封面间杂质较多，如图2 所示。C 机在运行一周之内再次出现一级排气温度上升，二、三级负荷下降，轴盖两侧温差较大，同时三级轴侧排气阀伴有轻微碰撞声音，拆检发现新氢4 个一级排气阀，一个一级进气阀阀片均有不同程度的损坏，弹簧座也有部分断裂。之后两个月内C 机和D机反复交替出现新氢各级进、排气阀故障现象。

总体而言，由于气阀故障造成的压缩机运行工艺参数异常的现象包括排气量不足，排气温度过高，负荷量降低，轴盖两侧温差过大等。气阀故障的表现形式有弹簧断裂，密封面进入杂质，阀片断裂，弹簧座断裂，阀内有异常声响等，其中阀片断裂成为该压缩机组气阀故障频发的主要因素。

图1 进气阀弹簧断裂

图2 排气阀阀片损坏

3 气阀故障原因分析

根据上述气阀故障的表现形式，剖析其损坏原因，主要包括4 点。

（1）工艺气体含杂质严重。杂质的存在使气阀的阀片和阀座不能正常贴合，从而造成运行过程中气体对阀片冲击比较大，进而造成阀片断裂。一般在试机初期，压缩机过开机吹扫的气体含杂质量较多。此外，由于阀片外缘速度最大，所承受冲击力最大，故很容易导致阀片的外缘优先断裂。另外，对于多级压缩，进气管线里的杂质容易聚集在一级气缸及其出口缓冲罐内，也是造成一级排气阀故障率较高的原因之一。

（2）弹簧失效。通过分析断裂的弹簧帽设计图纸，发现弹簧帽的底端和杆之间变径处缺少圆角过渡，一旦弹簧与连杆在气阀运行过程中产生干涉，如有损破问题就容易出现应力集中，很容易导致弹簧帽断裂。弹簧的失效会使阀片受力分布不均匀，运动规律发生变化，从而导致阀片在上下运动中的侧倾撞击加剧，最终造成阀片断裂[2]。

（3）阀片材料缺陷。气阀的质量对于压缩机的安全稳定运行至关重要[3]。该压缩机的气阀阀片材料为PTFE，这种阀片的耐冲击性较差。一旦实际运行工艺参数稍有变化，极易导致阀片瞬间冲击速度超过规定值而引起阀片失效。

（4）阀盖设计（限制器）不合理。阀盖设计和压缩机实际运行工况有差异，致使其外圈受冲击较大，从而造成阀片受侧向撞击较大，造成阀片断裂。

此外，压缩机的频繁启停、工况改变等因素也会造成气阀的失效[2]。

4 处理措施

从2018 年11 月起，对该压缩机组的气阀先后进行两次改造，改造后的气阀从2019 年2 月运行至今，没有出现任何气阀故障问题，有效解决了压缩机组气阀故障频发的问题。具体的气阀改造措施如下。

（1）优化气阀升程和阀片厚度。将一级气阀升程由原来的1.6 mm 调整到1.2 mm，大幅降低阀片的撞击速度，以便改善阀片的受力状态，同时将阀片厚度由6 mm 增加到8 mm，以增加阀片的抗冲击强度，适应工艺气体含杂质较多的情况。同时，二、三级气阀也做相似改造。此外，在弹簧与阀片之间增加了弹簧帽（图3），消除了弹簧端部可能会对阀片表面产生的破坏，提高阀的寿命。

图3 弹簧帽

（2）对阀片的材料进行升级。由原来的PTFE（聚四氟乙烯）改为更耐冲击的威格斯原装进口450CA20 代号PEEK（聚醚醚酮）材料，增加阀片材料的强度。

（3）改进弹簧帽的结构。在（1）的基础上对一级排气阀的弹簧帽结构进行优化设计，在不影响其功能的前提下，加大变径处圆角，减小应力集中，同时将小端尺寸改小，将长度由原来的7 mm 缩短到3 mm，以免与弹簧内孔产生干涉，确保在使用过程中不会发生断裂。

（4）对气阀升程限制器结构进行改进。将一级、二级、三级的所有气阀升程限制器重新优化设计，将升程限制器下凹面的最外圈车下去0.5 mm，以改善阀片最外圈的受力状态，降低阀片与限制器撞击时的倾侧撞击力，并优化升程限制器的弹簧布置，在阀片最外圈增加弹簧布置。阀盖如图4 所示。

5 结语

图4 阀盖

长期以来，压缩机气阀故障频发一直是困扰着石油、化工等企业设备人员的难题，主要原因是压缩机型众多，实际工况复杂多变等。本文对炼油加氢改质装置联合压缩机组新氢缸气阀故障频发的原因进行分析，并对故障气阀实施相应改进，最终解决了新氢压缩机气阀频坏的问题，节约了维修成本，延长了压缩机的有效运行时间。