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往复式压缩机气阀粘滞效应分析(附案例)

文字:[大][中][小] 2017/12/13  浏览次数:443

 本文主要研究环境因素中气缸活塞的不恰当润滑对往复式压缩机气阀的影响及解决方案。包括加重气阀阀片与阀座之间的油膜粘滞效应,并最终导致气阀的过早失效的实际应用案例。

气阀失效原因主要分为两大类:环境因素和机械因素。本文中主要研究环境因素中气缸活塞的不恰当润滑对往复式压缩机()气阀的影响。为便于研究,以下仅以进气阀为例,但排气阀也存在类似情况。

有油润滑往复式压缩机中的进气阀阀片与阀座之间的油膜呈现出使阀片吸附在阀座的趋势,并使气阀打开时间较无油润滑大为延迟[Giacomelli and Giorgetti,1974]。

本文主要研究了有油润滑往复式压缩机中,油膜对气阀使用寿命及压缩机能耗效率的影响。

表1实验结果说明油膜粘度对进气阀定时开启的影响。此实验中,所有试样都设定为:油膜初始厚度0.001英寸,压力比2.5和进气压力0.2MPaA。最后一条曲线显示润滑油粘度最大时气阀最迟打开(油膜粘度为400cst)[Khalifa, E.H. and Liu, X., 1998]。

这说明油膜粘度对气阀定时打开的影响:油膜粘度越高,由此产生的气阀粘滞力越大,气阀越容易延迟打开;同时阀片的初次撞击力度越大,气阀寿命缩短越快。

研究表明:过度润滑也会恶化阀门的粘滞效应,并最终由于过量的液体和气体含油率导致气阀寿命的降低。

案例分析

项目名称:中石油西南油气田天然气储气项目。天然气储气,是指将天然气用往复式压缩机提高到一定压力,如300公斤左右,重新打到具有特殊地质条件的地下储备起来,是天然气储备的主要形式之一。项目使用的压缩机润滑油:某知名品牌的ISO VG 460-680粘度复合矿物油。

研究表明,天然气处于121℃度时,在低压环境中的被稀释效应并不明显。但当压力超过100公斤后,高压天然气对矿物油的稀释效应明显,指数加速上升,类似于“冲刷效应”。因此,高温高压环境,加上矿物油与工艺气(天然气)的极性形似,且复合矿物油中矿物油成分具有高挥发性,大大加剧了该稀释效应。

为保证气缸/填料中有足够粘度的油膜,该知名品牌润滑油供应商推荐了一款含有有一定抗稀释抗冲刷作用的动物脂肪成分的复合油,同时在一定程度上提高了润滑油初始粘度,并提高了气缸/填料的加油量。这样的补救措施暂时可以缓解问题但并不是最优方案。

因为客户在解决油膜强度和粘度问题的同时,相当程度上增加了气缸填料的注油量,再加上矿物油成分的高挥发率,这加大了气体的含油率。如果再加上额外提高的润滑油初始粘度,三者叠加,严重加大气阀的粘滞效应,从而使气阀的寿命大幅降低。气阀的平均寿命降低至几十个小时

气体介质中的粉尘,遇上居高不下的气体含油率和过高的初始粘度,会导致异常加重的气阀粘滞效应(详见图1和图2)。这是气阀寿命异常大幅缩短的另一个不可忽视的因素。(气源中的粉尘可能造成的油污问题,此处暂不做讨论)

图1是异常加重的气阀粘滞效应导致的气阀延迟打开并使阀片初次撞击速度动能异常升高,撞击气阀底座而导致的气阀底座密封面异常损坏,最终导致整阀的过早损坏、使用寿命大幅降低。

图2是异常加重的气阀粘滞效应导致的气阀延迟打开并使阀片初次撞击速度动能异常升高,大幅加速阀片、弹簧的应力疲劳而导致的阀片/弹簧过早损坏、阀门使用寿命大幅降低。(此案例气阀使用寿命不足100小时)

由于阀门延迟打开,阀片初次动能/速度大幅上升,使阀片初次撞击幅度增大,同时对阀座的撞击增强,使阀座受损的几率大幅上升,进而大幅降低阀门(进气阀/排气阀)的使用寿命。

该案例很好地印证了上述气阀粘滞效应对有油润滑往复式压缩机气阀(实际不仅限于气阀)的负面影响。

为寻求最佳解决方案缓解气缸中气阀粘滞效应,克鲁勃润滑剂公司推荐使用Klüber Summit NGL-888Klüber Summit NGP-220。与前述某知名品牌的ISO VG 460-680粘度的复合矿物油相比,其对气阀粘滞效应的改进主要体现以下两个方面:

  • 降低润滑油初始粘度

通过提高润滑油的粘温指数和具体量化计算润滑油在该高压天然气中的稀释率,从而在保证实际工况中气缸部件充分润滑的前提下,降低润滑油的初始粘度(由ISO VG 460-680粘度降为ISO VG 220)。

  • 降低注油量/油耗

由于润滑油抗稀释性能的提高和挥发性的降低,在保证有效油膜强度的前提下,不必额外增加注油量以弥补高压天然气冲刷效应/稀释效应带来的有效油膜不足,有效降低润滑油的挥发损失,降低注油量/油耗。

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