4M80-32.3/27-319-BX型氢氮气压缩机气阀弹簧改造

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【摘　要】4m80-32.3/27-319-bx型氢氮气压缩机是黑龙江北大荒农业股份有限公司浩良河化肥分公司2008年扩容工程，年增产合成氨6万吨/a及年增产尿素11.3万吨/a工程的关键设备之一。该设备的气阀是由潘树林教授设计浙江浙欧气阀有限公司制造生成的。安装试运时，一级、二级、入口气阀阀片断裂、气阀弹簧损坏、阀座密封破损严重。严重影响整个系统正常运行。通过与潘树林教授共同分析认为，造成该压缩机气阀故障的主要原因是：气阀弹簧力过小，在瞬间气压冲击作用下阀片和阀座撞击使阀片和弹簧断裂、损坏。为此，从气阀的弹簧、阀座等方面对该压缩机气阀进行了改造。改造后的气阀投入运行后，压缩机运行周期得到了很大的提高，运行一年气阀没有发现任何问题，保证了生产的稳定长期运行。

【关键词】氢氮压缩机;气阀;弹簧;阀座;改造

4M80-32.3/27-319-BX型氢氮气压缩机是黑龙江北大荒农业股份有限公司浩良河化肥分公司2008年扩容工程（年增产合成氨6万吨/a和尿素11.3万吨/a）的关键设备之一。该压缩机是沈阳鼓风机（集团）有限公司设计和制造生产的，压缩机为4缸、4列、4M型对动平衡式3级压缩机。其额定工况各参数如下：

排气量为：32.3m3/min；转速：333r/min 各级吸气压力：3.05/8.4/16.2MPa(G)、各级排气压力：8.4/16.2/31.9MPa(G)，活塞行程：400mm各级进气温度：40℃，各级缸径：33.5/22.5/22.5mm 压缩机电机功率：5500KW。试车时系统满负荷生产时，压缩机一级进排气压力分别为2.9Mpa、7.6Mpa二级进排气压力分别为7.6Mpa、13.0Mpa三级进排气压力分别为13.0Mpa、21.2Mpa。该压缩机试运72h后，压缩机一级和二级入口气阀有异常响声，且压缩机排气量不足。停车检查，发现气阀阀片断裂、气阀弹簧损坏失效、气阀阀座密封破损严重。经与潘树林教授共同分析认为：导致压缩机气阀阀片断裂、弹簧损坏失效、气阀密封面破损的主要原因是，气阀弹簧的弹簧力不足，在气体压力冲击作用下使阀片和阀座发生频繁撞击，导致气阀阀片断裂、气阀弹簧损坏失效、气阀阀座密封破损。考虑到重新设计气阀时间较长。为了尽快能使压缩机投入运行，因此提出对压缩机气阀和弹簧作如下改造。

１．4M80-32.3/27-319-BX型氢氮气压缩机气阀和弹簧改造方案

1.1气阀阀片断裂和弹簧损坏失效原因的分析

4M80-32.3/27-319-BX型氢氮气压缩机气阀为气垫阀，其结构由阀座、弹簧、升程限制器等组成。经检查发现气阀的阀片与阀座有撞击的痕迹，在阀片和阀座多次撞击过程中会造成弹簧断裂，这是气阀弹簧损坏失效的主要原因。气阀在在工作过程中是不允许与阀座撞击的，如果发生撞击就会使阀片和弹簧损坏。那么是什么原因造成阀片和阀座撞击的呢？经过与设计者潘树林教授共同分析，认为是气阀弹簧力不足造成气阀阀片与阀座撞击。并对气阀弹簧的弹力进行了重新计算，气阀弹簧力计算结果如下：

从资料中可知，弹簧力的大小是通过胡克定律进行计算的。胡克的弹性定律指出：在弹性限度内，弹簧的弹力F和弹簧的长度X成正比即F=KX，K是物质的弹性系数。它由材料性质决定，X是压缩量（或伸长量）。 压力弹簧的设计数据，除弹簧尺寸外，更需要计算出最大负荷及变位尺寸的负荷。弹簧常数以K表示，常数公式（单位：Kg/mm）K=(G×d4)/(8×dm3×Nc)。G是线材的刚性模数：琴钢丝G=8000；不锈钢丝G=7300；磷青铜丝G=4500；黄铜丝G=4500：d=线径；Do=OD=外径：dm=MD=中经= Do- d；N=总圈数：Nc=有效圈数=N-2；

气阀弹簧力的计算：4M80-32.3/27-319-BX型氢氮气压缩机的气阀为气垫阀，其气阀参数如下：弹簧d=1mm；Do=8mm；N=10；G=8000；气阀升程为2.5mm；

计算K=（8000×1）/（8×73×8）=0.364/mm，弹簧力f=KX=0.364/mm×2.5mm=0.91。下面我们以一级气阀的内圈第一圈为例计算气阀阀片可以受到最大的冲击力。一级气阀内圈阀片的弹簧有4个均布在Ф50mm圆周上，阀片的截面积为S=17.614cm2。气阀阀片最大弹簧力为F=4×0.9=3.6。也就是作用在阀片上的最大冲击力必须小于3.6。计算阀片在工作状态下的阀片冲击力，从设计厂家提供的资料中得知，一级、二级吸入压差为0.4/cm2；三级吸入压差为0.5/cm2；一级、二级在吸入状态的最大冲击力为F吸=0.4/cm2×S=17.614cm2=7.04。一级阀片最大弹簧力3.6小于气阀吸在入状态的最大冲击力7.04。从上述计算结果得知我们的分析是正确的。由于弹簧力过小造成阀片与阀座撞击，导致阀片断裂弹簧损坏失效。

1.2气阀弹簧的改造

从弹簧弹力公式可知要想增加弹簧的弹力，一是改变弹簧的线径、二是改变弹簧的外径。通过两种方法的对比，决定用改变弹簧外径的方法来解决气阀弹簧弹力不足的问题。用此方法的主要原因是，我们公司库中有外径为6mm、线径为1mm、总圈数为10的弹簧，这样我们就可以节省时间尽早的解决气阀问题，所以选择了把弹簧直径变细的方法。改造后的弹簧力核算F6=KX=2.5。气阀阀片最大弹簧力为F=4×2.5=10。从计算的弹簧力可知，气阀的弹簧力远远大于气阀在吸入状态的最大冲击力7.04。气阀在吸入状态的最大冲击力7.04作用下升程的计算：4KX=7.04，X=7.04/4K(K=1/mm)=1.76 mm,从计算结果可以得知气阀阀片在吸气时的最大升程为1.76mm，它远远小于阀片2.5mm的升程，这样阀片不可能与阀座撞击。从理论计算使用外径为6mm、线径为1mm、总圈数为10的弹簧是完全可行的。并能保证气阀阀片在阀座限位内的正常工作。

1.3气阀阀座的改造如图

原气阀使用的气阀弹簧外径是8mm阀座弹簧孔径为8.2mm，弹簧外径与阀座弹簧孔径是相匹配的。现在改造后的气阀弹簧外径是6mm，要想外径为6mm的弹簧能在阀座内正常工作。与其相匹配的阀座弹簧孔径也要是6.2mm。用直径?8×2、长10mm的不锈钢管镶嵌到阀座弹簧孔内作为气阀弹簧外径为6mm的弹簧套，并用自制的专用工具与阀座弹簧孔胀紧。这样改造后的阀座完全能满足外径为6mm弹簧的正常工作。改造后的气阀阀片弹簧力增加了，从而有效的防止了阀片和阀座的冲击和碰撞。并且改造后的气阀在结构尺寸、气阀升程、阀座、阀隙及气流通道、阀隙的通流面积、阀座的通流面积都没有改变。只是阀片的弹簧力增大了，从而保证了原气阀的各项工艺指标，保证了气阀的可靠性、安全性。

2.4M80-32.3/27-319-BX型氢氮气压缩机气阀和弹簧改造效果

气阀的改造方案是在没有改变原气阀外形尺寸和结构基础上，进行的气阀改造。所以气阀改造后不会影响气阀安装和使用。改造加工完成后，装入4M80-32.3/27-319-BX型氢氮气压缩机进行试验。气阀改造后的运行效果如下：

压缩机开车，运行120小时停机，检查气阀阀片、弹簧、阀座没有发现任何问题，并且气阀无任何泄漏现象。而改造前的气阀只能运行48小时，气阀就完全损坏压缩机被迫停车。改造后的气阀在2009年5月装机，压缩机一直运行到2010年7月。气阀的平均使用寿命约为12个月，此次改造大大增加了压缩机的运转周期。

3.结束语

氢氮压缩机是大中型化肥生产企业的关键设备，压缩机能否长期正常运行直接关系到企业的生产状况和经济效益。此次改造气阀使压缩机尽早的投入了生产，提高了化肥生产企业的经济效益。压缩机气阀改造时，需从气阀的结构形式、弹簧力、气流通道、以及气阀的可靠性等方面综合考虑，以到达改造气阀运行的安全可靠性。

【参考文献】

［１］材料力学.北京:北京大学出版社,1990.

［２］林梅，吴业正.压缩机自动阀[M].西安：西安交通大学出版社，1991.

［３］潘树林.往复式压缩机网状气阀工作特性研究[D].西安：西安交通大学博士论文，1996.