闫伟
伊犁新天煤化工有限责任公司 新疆 伊宁 83500
摘要：往复式压缩机是石油等行业大量使用的一种通用机械，但是其结构复杂、零件繁多，对每个零件进行故障诊断非常困难。文章介绍了气阀工作原理及结构，深入研究了气阀阀盖温度运行规律，详细阐述了往复压缩机气阀故障诊断分析方法和判定准则，并在工程实践中得到成功应用。
关键词：往复压缩机；气阀；失效；规律；诊断
引言
随着经济社会快速发展，技术进步，炼化企业往往会对大型耗能设备进行节能改造，提高经济效益。往复压缩机是炼油化工行业不可或缺的重要设备，特别在加氢装置中，同时往复压缩机也是装置中的耗能大户，增加无级气量调节系统是目前比较成熟且有效的一种节能改造方式。但节能改造同时也伴随着风险，如气阀故障频繁，使用寿命短，既影响往复压缩机流量，又造成效率下降，能耗增加。同时，机组频繁停机维修，增加了检维修成本，也影响了设备安全运行。因此，准确判断气阀失效原因，采取有效措施解决故障问题，保障机组长周期平稳运行，才能达到节能改造最佳效果。
1气阀工作原理及结构
1.1气阀工作原理
以排气阀为例说明，机组活塞压缩气体过程中，当缸内气体力大于排气侧的气体力与气阀全闭时的弹簧力之和时，气阀开启，阀片离开阀座；随着排气过程结束，气阀全开时的弹簧力大于缸内压力与排气侧压力差产生的气体力时，阀片回到阀座，气阀关闭，一个排气过程完成。
1.2气阀结构
气阀作为往复压缩机核心部件之一，工作强度大，工作环境恶劣，被称为“三大易损件”之首；同时，又因其重要的作用和地位，也被称为“压缩机的心脏”。往复压缩机的气阀主要由下列部件组成：（1）阀座：拥有被启闭元件覆盖的气体通道，并承受工作腔内外的压力差。（2）启闭元件：交替的开启和关闭阀座通道，控制气体进出工作腔，通常制成片状，故也叫阀片。（3）升程限制器：也叫阀盖，控制阀片的开启高度，并通常作为弹性元件的支承座。（4）弹性元件：在气阀关闭时，推动阀片落向阀座；并在开启时抑制阀片对升程限制器的撞击，通常为弹簧或弹簧片。
2基于阀盖温度的气阀故障特征规律研究
2.1介质与阀盖温差规律
实践表明，压缩机开机带负荷后，工艺介质排气温度与排气阀盖温度属于阶跃激励-响应变化关系，介质温度在10min内即可从瞬态转至稳态，而阀盖温升响应过程却需要1~1.5h，有些阀盖温升甚至要接近2h，因此对新装机组或检修后机组气阀质量的验收，需要机组带负荷运行至少2h后方可进行。实践还表明，平稳运行过程中，介质进排温度与吸排气阀盖温度属于稳态传热过程，工况不变其温差基本不变；随着介质温度的升高，阀盖与介质的温差越大。
2.2气阀失效阀盖温升规律
气阀失效后，气缸和阀室之间瞬间短路串通漏气，阀盖内部及表面温度随时间不断变化，属非稳态传热，主要呈现2种形态特征：一是气阀流道逐步积垢或阀片冲蚀或弹簧磨损等，导致泄漏量逐渐增大，近似稳态传热过程，阀盖温度呈“缓慢增长型”，如图1所示（某企业乙烯装置二段加氢循环压缩机排气阀弹簧磨损阀盖温度历史趋势）；二是气阀阀片瞬间断裂后，气缸和阀室立即串气，进或排气压力突然变化，阀室内介质温度迅速升高，但由于阀盖温升滞后性，阀盖温度呈“指数增长型”，并最终趋于稳定，如图2所示（某企业蜡油加氢装置新氢压缩机吸气阀阀片断裂阀盖温度历史趋势）。统计数据表明，呈“缓慢增长型”时，阀盖温度从变化到稳定需要经历数小时，甚至数日或数月，时间长短取决于气阀流道积垢或阀片冲蚀或弹簧磨损等速度；呈“指数增长型”时，阀盖温度从变化到稳定的时间需要30~50min，时间长短不仅取决于阀片断裂的面积，而且取决于介质的压力以及阀盖的厚度。
针对“指数增长型”，建立平板一维非稳态导热问题的分析模型予以解释说明。
2.3气阀失效后其它阀盖温升规律
实践表明，当某吸气阀泄漏，该吸气阀盖温度会升高，同一缸同一作用侧的其它吸气阀盖温度基本不变，但同一缸同一作用侧的排气阀盖温度均会升高；当首级或中间级某排气阀泄漏，该排气阀盖温度会升高，同一缸同一作用侧的其它吸、排气阀盖温度基本不变，该缸背压及压比均会减小，会导致同一缸另一侧排气阀盖温度有所下降。
3基于阀盖温度的气阀故障诊断方法及判断标准
3.1分析思路
根据分析人员不同，基于温度的气阀故障分析思路主要分以下2种：一是以介质进排气温度、压力监测为主，若有异常再详细排查气阀阀盖温度是否异常，从而判断故障气阀位置，这种分析思路适用于工艺操作人员。多年来，笔者也一直在探索仅通过进排气温度变化来精准判断气阀状态，但效果并不理想，主要原因如下：（1）级间冷却器工作不正常，或排气旁通阀向进气管漏气，或吸气阀漏气等都会导致进气温度升高；（2）气缸冷却效果不好，或进气温度偏高，或本级压比偏高，或活塞环漏气，或排气阀漏气等都会导致排气温度升高；（3）吸（排）气阀的微小泄漏或气阀流道易结焦或当吸（排）气阀较多时，进（排）气温升短期变化并不明显，因此预早期发现气阀故障的难度很大。二是以阀盖温度监测为主，若某阀盖温度异常升高再详细排查介质温度、压力是否异常，来验证诊断结论的准确性，这种分析思路适用于设备监检测人员，目前监测行业以第二种应用最为广泛。笔者通过多年实践，总结出气阀故障判定方法与准则以及气阀故障佐证方法与准则。
3.2气阀故障处理
压缩机组气阀失效后，进行多次解体检修。通过对气阀解体和气缸开盖检查，确定工艺介质干净，不含颗粒状杂质，阀片、阀座无腐蚀现象，可以排除工艺介质原因导致阀片损坏失效。同时使用TAQ100差示量热扫描仪、TAQ500热失重分析仪、基恩士VHX-5000数码显微镜等设备对故障阀片进行分析检测。检测结果表明：阀片内部没有发现缩孔，玻璃纤维排布正常；密度测试结果1.54g/cm3，高于450GL30的标准值；样品结晶度良好（31%）；从DSC曲线来看，在气阀正常工作温度区间（105～130℃），热力学性能稳定，从而可以判定阀片本身不存在质量问题。综合上述，通过机组多次解体检修和气阀阀片质量检测情况可以确定：此次往复机组气阀失效排除工艺条件和阀片质量因素，主要失效原因为气阀设计选型不合理。气阀弹簧力选型设计合理时,阀片在介质压力和弹簧力作用下,气阀缓慢开启和闭合。
3.3气阀故障佐证方法与准则
不考虑压缩机首级之前工艺系统介质流量不足等因素，大量实践表明：气阀失效后，压缩机各级工艺参数将同时出现不同程度的变化。数据还表明，低压级缸尤其是第一级吸气阀漏气对气量的影响较大。同时，多级压缩机吸气压力变化产生压比变化，将引起排气温度变化，但影响最大的末级。因此如果吸气压力下降，末级压比增大最明显，末级排气温度最容易超出允许范围。
结束语
本文对大量气阀阀盖温度规律进行了统计研究，得出一些典型规律并给予理论解释，同时详细介绍了气阀故障识别及判定准则，这些基础性的分析思路方法，对往复压缩机气阀故障诊断都具有较强的实践意义。
参考文献
[1]沈庆根.设备故障诊断[M].北京：化学工业出版社，2007：189.
[2]高晶波，等.基于示功图修正的往复压缩机气阀故障诊断方法[J].压缩机技术，2009，（3）：4-8.
[3]李旭朋.往复式压缩机气阀故障诊断的小波包分析方法[D].北京化工大学，2008.
[4]毛仲强，等.基于经验模态分解的功率谱分析法诊断往复压缩机气阀故障[J].科学技术与工程，2008，8（6）：1610-1612.