气阀工作状态的好坏是压缩机技术发展的核心问题之一,往复压缩机有60%以上的故障发生在气阀上。据某石化公司炼油厂对循环氢压缩机的故障统计,气阀故障引起的停机次数占总停机次数的85%以上。气阀一旦发生故障,马上影响压缩机的产气量,降低效率,浪费能源。阀件破损后碎块落入气缸,引起气缸拉毛,活塞和活塞环损坏,带来更为严重的问题。所以及时发现气阀故障,诊断出气阀故障原因,采取合理的防治措施,对提高压缩机的运行可靠性,减少停机损失十分必要。

01气阀故障现象及原因分析

气阀故障,主要是阀片、弹簧破损,气阀密封性差,阀片的开启时间和高度不对以及安装中产生的问题。气阀故障现象及产生原因有以下几种:
1)阀片损坏
原因:a)疲劳破坏——由于阀片承受着频繁的撞击载荷和弯曲交变载荷,阀片容易产生疲劳破坏。实际使用证明,阀片主要破坏形式是撞击载荷引起的径向断裂;
b)阀片磨损——环状阀片与导向块工作面之间产生的摩擦磨损,可减弱阀片强度,降低使用寿命。磨损量过大时阀片可能卡死在导向块上或者失去密封作用。环状阀片在工作时转动,将引起阀片边缘磨扳;
c)阀片材料缺陷——材料夹渣、夹层、裂纹等缺陷引起阀片应力集中,在循环载荷作用下,成为疲劳破坏的根源。因此新阀片早期磨损率较高,使用期超过1000h的阀片,其使用寿命较高;
d)介质腐蚀——压缩介质本身有腐蚀性或介质中含有水分,工作时冲刷阀片,破坏阀片表面保护膜,在阀片局部地方出现腐蚀麻点和空洞,引起应力集中,产生腐蚀疲劳破坏。
2)气阀弹簧损坏
原因:a)弹簧从阀片全闭到全启,其载荷由预压缩力变化到最大压缩力,承受脉动循环载荷,引起疲劳破坏;
b)弹簧变形时与弹簧孔壁发生摩擦磨损,强度下降而断裂;
c)介质对弹簧表面腐蚀,产生麻点、凹坑,引起应力集中,加速弹簧疲劳破坏;
d)材质不符合要求,弹簧的加工、热处理有缺陷。
3)气阀漏气
原因:a)阀座密封面不平,表面粗糙度达不到要求;
b)密封面被碰伤;
c)阀片变形、破裂;
d)阀隙通道有异物卡住;
e)气体温度高,润滑油易变成炭渣卡住密封面。石油气压缩机,温度和压力越高,聚合物积炭越严重,炭渣黏着在阀片和阀座上,使气阀漏气,见图2;
f)弹簧力过小;
g)弹簧端面与轴线不垂直;
h)阀座、阀片严重磨损。
图2 气阀堵塞

02气阀漏气鉴别方法

1)在多级压缩机中,若某一级排气阀漏气,排出气缸的气体又部分泄漏回气缸,不仅使该级排气温度升高,排气压力下降,而且该级的排出气量不足,使前级的排气压力上升。因此判别某级排气阀是否漏气,可测量该级阀盖上的温度是否升高,本级排气压力是否下降,前级排气压力是否上升等方面来识别。此外,还可以用金属棒或泄漏检测仪检查,气阀漏气严重时会发出吱吱的声音。
2)某一级吸气阀漏气,则该级吸气阀部位温度升高。同时由于该级吸入气体又在压缩过程中泄漏出去,使前级排气压力上升,而后面各级因吸入气量不足,排气压力下降。因此同样可用测量温度、压力和声音的方法来判别。
3)如果第一级吸气阀漏气,则随后各级气量下降,各级排气压力也相应下降,因此可从各级排气压力和气量是否下降来加以判别。

03气阀故障诊断方法的研究

如上所述,气阀故障主要表现为阀片损坏、弹簧折断和气阀漏气方面,其实这3种故障常常互为因果,阀片损坏可导致气阀漏气;弹簧折断使得阀片对阀挡和阀座的冲击速度和撞击力增大,导致阀片碎裂。因此,利用阀片冲击力的变化、气阀是否产生泄漏等特征参数来判断阀片和弹簧故障,是当前研究利用振动信号诊断气阀故障的主要方法之一。
监测气阀的故障信号,除了观察压缩机的热力参数变化之外(如压缩机各级吸、排气压力变化、气量变化、阀腔内温度变化以及压力脉动变化等),更主要的是希望从气阀工作过程中产生的动力性能变化来诊断故障。