丁少勇，李维特
（呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古 呼伦贝尔021506）
［摘 要］呼伦贝尔金新化工有限公司500 kt/a合成氨装置低温甲醇洗系统往复式循环氢压缩机气阀全部采用网状阀，实际生产中频繁因进气阀阀座开裂失效而被迫停车，严重影响系统的正常运行。对进气阀阀座受力情况进行分析，确认进气阀阀座的强度不够；对进气阀阀座材料进行失效分析，确认因进气阀阀座材料夹杂许多其他成分的金属或非金属而脆性增强、抗冲击能力低导致了脆性断裂。为增加进气阀阀座强度，经计算与分析，降低危险截面弯矩方案优于增加危险截面抗弯截面系数方案，于是联系气阀厂家对气阀进行重新设计——改变进气阀径向筋布置；进气阀阀座材料方面，要求原材料采用精炼的2Cr13，并严格控制材料中的杂质含量及淬火温度。新阀座2020年11月投用后，运行状况良好，进气阀平均使用寿命由原来的65 d延长至300 d，进气阀使用寿命及循环氢压缩机的运转率得到大幅提升。
［关键词］循环氢压缩机；进气阀阀座断裂；受力情况；强度计算；危险截面弯曲应力；材料失效分析；改造方案；材料优化
［中图分类号］TQ113.25+1.3 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2022）05-0062-04
0 引 言
呼伦贝尔金新化工有限公司（简称金新化工）500 kt/a合成氨装置低温甲醇洗系统采用德国鲁奇低温甲醇洗工艺。其中，14-3DF-G型循环氢压缩机（一开无备）作为系统关键设备之一，用于回收甲醇洗闪蒸气中的H2、CO2等。该压缩机为上海东方压缩机制造有限公司生产的往复式压缩机，机身三列对称平衡布置，一级压缩，气缸采用无油润滑；机组由同步电机驱动，电机转速300 r/min，功率1 900 kW；因工艺系统原始设计存在偏差，机组实际工况与设计工况偏离较大，其设计/实际工艺参数分别为入口压力0.847/0.930 MPa（A）、出口压力3.520/3.320 MPa（A），入口温度-28/-18 ℃、出口温度90/100 ℃，入口流量34 935/38 000 m3/h；所输送介质为混合气体，相对分子质量约39.8，主要组分（体积分数，下同）为CO2 86.9%、H2 6.2%、CH4 4.3%。
目前，金新化工循环氢压缩机气阀全部采用网状阀，单缸气阀配置为六进四出，其中靠近机身一侧进气阀全部带卸荷器，阀片材质为PEEK，阀座及升程限制器材质为2Cr13。实际生产中，循环氢压缩机频繁因进气阀失效而被迫停车，平均运行周期65 d左右，严重影响系统的正常运行；检修发现，所有故障进气阀均出现阀座开裂现象，其开裂部位集中于最外圈的径向筋，并沿根部扩展至整圈阀座。为此，通过对循环氢压缩机进气阀阀座危险截面进行弯曲应力分析、对阀座材料进行失效分析，找到了进气阀阀座频繁断裂的根本原因，并进行了相应的优化改进，确保了系统的稳定运行。以下对有关情况作一简介。
1 循环氢压缩机进气阀阀座受力情况分析
循环氢压缩机进气阀正常工作状态下，阀座受力主要有阀片的撞击力、气流流过阀座通道时的阻力、与曲轴同频率变化的气阀进气与排气压差等3种。其中，阀片对于阀座的撞击力主要影响阀片的自身强度，气流通道阻力相较于阀座两侧的进气与排气压差来说可忽略不计，在分析阀座自身强度的时候，重点考虑阀座两侧承受的进气与排气压差。
循环氢压缩机进气阀为网状阀，合计有5道同心的圆环形气流通道，直接铸造而成；通道进出口为圆滑过渡，同心环之间通过径向筋条连接，使得气流通道形成5道周向均布的圆弧形通道；为确保阀座出口处的气流均匀，径向筋的高度比阀座整体厚度（H1）低4 mm（h4），如图1所示。
2 阀座的强度计算
据循环氢压缩机设计手册，阀座的设计厚度主要是为了保证阀座的刚性。据相关经验，阀座刚性主要取决于阀座厚度、阀座承受的内外压差及阀座的最大外径（Dmax）。为校核实际运行工况下循环氢压缩机进气阀阀座的刚度，需对阀座受力情况进行分析。
2.1 具有弧形通道的阀座所受应力情况
如图1所示，基于弧形通道的阀座设计，通常有Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ 2个危险截面。当截面Ⅰ-Ⅰ的弯曲应力超过许用值，长期运行进气阀阀座将沿Ⅰ-Ⅰ截面开裂成两瓣而失效；当截面Ⅱ-Ⅱ的弯曲应力超过许用值，长期运行该圆环上的径向筋条将断裂而失效。
2.1.1 以Ⅰ-Ⅰ为危险截面计算弯曲应力
更多内容详见《中氮肥》2022年第5期