20 三月 2023
往复式压缩机是传统下游行业的关键设备，该行业依赖大量的加压氢气。蒸汽甲烷重整生产了炼油过程中消耗的大部分氢气。整个价值链（包括运输和储存）对更清洁氢气的需求日益增长，正在迅速扩大新型和改造压缩机的市场。由于需要维护的压缩设备越来越多，运营商致力于实现更长的正常运行时间。阀门在往复式压缩机的效率和可靠性方面发挥着重要作用。
1995 年一项针对氢气压缩机终端用户的大型调查（Leonard, S M.，《提高往复式氢气压缩机的可靠性》，《碳氢化合物加工》，1996 年 1 月）显示，阀门是导致计划外停机的主要原因。这一发现推动了研发工作，并在过去 25 年多的时间里显著改进了阀门技术。
在本文中，我们将讨论往复式压缩机阀的基本功能，并概述影响其在氢气应用中性能的关键变量。
压缩机阀门入门知识
往复式压缩机阀是一种高速、压力驱动、弹簧加载的止回阀。虽然阀门样式多种多样，但都包含四个主要部件：1）阀座，2）止动板，3）运动元件，以及4）弹簧。
下图 1 展示了 MAGNUM™ 阀及其各部件。这些专用止回阀有多种形状和尺寸，但它们的功能相同，即允许低压气体进入气瓶，在那里被压缩后以高压气体的形式排出。
图 1. MAGNUM 型阀门阀门两侧的压差产生一个力，推动活动部件从阀座上的关闭位置移动到止挡板上的开启位置。活动部件的垂直行程称为阀门升程。弹簧提供力，使活动部件从止挡板处返回到阀座上的关闭位置。阀门每200毫秒或更短时间动作一次（取决于压缩机转速），并承受着巨大的疲劳载荷。
尽管如此，它们仍需在两次计划内的压缩机大修之间高效无故障运行，而压缩机大修通常每三年或更长时间一次。这凸显了阀门设计、运行和维护的重要性。
影响阀门性能的因素
密封元件和弹簧是阀门的运动部件。设计工程师会仔细研究它们，因为它们承受着最大的磨损。“它能用多久？”是关于压缩机阀门最常被问到的问题。答案取决于许多变量，这些变量通常分为设计因素和运行因素。
阀门设计因素由阀门原始设备制造商 (OEM) 控制，而运行因素则由压缩机最终用户决定。设计人员将通过选择阀门升程、弹簧力和结构材料来平衡阀门可靠性和压缩机效率。计算机算法利用压力、温度、分子量和压缩机转速等运行参数来模拟阀门动态特性。最终的阀门设计将根据应用指南进行定制。
运行因素通常与气体质量有关，特别是是否存在固体污染物或液体。如果气流中的灰尘和碎屑进入气缸，则阀门、活塞环、活塞环带和填料的磨损和过早失效的风险会更高。由于液体几乎不可压缩，当活塞试图压缩夹带液体的气体时，阀门可能会承受过大的应力。气缸润滑不当（过多或过少）都会导致阀门动态性能欠佳。压缩机在严重偏离设计工况下运行也会对阀门动态性能产生负面影响。最后，不良的阀门维修操作会严重缩短阀门寿命。如果商业生产的氢气通常被认为是清洁气体，那么影响阀门可靠性的大多数运行因素的重要性都低于阀门设计因素。
阀门设计
多年来，出现了许多不同类型的阀门，从而形成了各种各样的运动元件几何形状。几乎所有这些阀门都已应用于氢气系统中，但成功程度各不相同。以下将介绍五种主要的阀门类型（如图 2 所示）。
同心环阀——每个阀组件都由多个不同尺寸（直径）的环组成。虽然图中所示的阀组件只有四个环，但较大的阀门最多可容纳十个环。每个环都有自己的一组弹簧。为了在驱动过程中保护弹簧，每个弹簧与其环之间都设有一个小的圆柱形按钮。这些环具有矩形横截面，并与平面密封面紧密贴合。同心环阀在20世纪90年代中期广泛应用于氢气压缩机，本次调查也正是在那时进行的。
带孔板阀——带孔板阀本质上是由一组同心环连接而成的阀体元件。由于阀门尺寸差异很大，板的尺寸也各不相同。板由平衡良好的弹簧装置支撑。与上述同心环一样，板与平面阀座密封。
锥阀——锥阀元件的阀头呈蘑菇状，其直径远大于阀杆。每个回位弹簧都位于阀杆内。与其他类型的阀门相比，这些弹簧具有更高的细长比（长度与平均直径之比）。阀头轮廓分明，与阀座上的斜面紧密贴合，实现密封。
MAGNUM HAMMERHEAD™ 阀——这项获得专利的 HAMMERHEAD 阀采用的阀芯，其头部到阀杆的直径远小于阀芯本身。同样尺寸更小的回位弹簧，则采用了非金属嵌件。阀芯的弧形头部与倾斜的阀座面紧密贴合，实现密封。
MAGNUM阀——MAGNUM阀采用圆柱形阀芯，因此阀头直径和阀杆直径相同。或者，也可以将MAGNUM阀的子弹形阀芯视为“无头”阀芯。其相对较小的回位弹簧采用与HAMMREHEAD阀芯相同的非金属嵌件。阀芯的倾斜阀头与阀座上的斜面密封。近25年来，MAGNUM阀一直是氢气压缩机的首选阀门。
图2. 不同类型的往复式压缩机阀门阀门效率
高效阀门能够使压缩机在所需压力下以最小的能耗输送最高的气体流量。阀门可以看作是一个孔口，其流通面积由阀门的几何形状决定。较大的孔口意味着更小的流动阻力，从而降低压降。
由于压降与功耗之间存在关联，因此孔口（即阀门流通面积）越大，功耗越小。由于所有进入压缩机的气体都必须流经阀门，因此最大限度地降低阀门压降可以降低驱动器的功耗，从而提高压缩机的效率。
氢气压缩机通常由大型电动机驱动，因此降低其能耗至关重要。最大化阀门流通面积只是优化阀门效率的两个主要考虑因素之一，另一个因素是阀门间隙。
大多数阀门都尽可能靠近气缸缸径布置。具体来说，进气阀止挡板和排气阀座都位于气缸缸径附近。阀门间隙是指进气阀止挡板和排气阀座流道内气体的体积，因为这些体积与气缸缸径相通，从而增加了气缸间隙。由于较大的气缸间隙会降低压缩机流量，因此较大的阀门间隙也会导致压缩机流量减少，进而降低压缩机效率。氢气压缩机必须高效运行，因此设计目标在于提供具有优化流通面积和较小间隙的阀门。
图 3. 不同类型阀门的升程与有效流通面积关系增大阀门升程可以增加阀门流通面积，但这种增加是有极限的。每种阀门的几何特性决定了这一升程极限，超过该极限就无法获得更大的流通面积。实验室测试测量不同升程下的流量系数，从而得出每种阀门的流通面积。
图中展示了不同阀门类型在升程与有效流通面积关系上的对比图。由于纯氢是分子量最小的气体（2.02），且阀门压降与分子量成正比，因此通常只需相对较小的阀门流通面积即可获得适用于氢气应用的合理压降。所以，氢气应用通常采用较小的阀门升程。图中高亮区域对比了不同阀门类型在升程为0.030英寸至0.080英寸范围内的流通面积。
因此，氢气应用阀门的效率取决于不同阀型间隙与流通面积的差异。MAGNUM阀的运动元件相对较小，元件间距也经过优化，专为低间隙应用而设计，但其流通面积与同心环阀相当。同心环阀、带孔板阀和HAMMERHEAD阀的间隙容积较大。锥阀的运动元件相对较高，气体通道较大，在所有阀型中间隙容积最大，流通面积最小。
阀门可靠性
阀门效率对压缩机整体效率至关重要，阀门可靠性对压缩机整体正常运行时间同样重要。1995 年氢气压缩机调查的结果清楚地表明了这一点。阀门可靠性受多种设计因素影响，例如结构材料和几何形状/结构配置。
气体相容性、强度、抗冲击性和耐腐蚀性是选择结构材料时需要考虑的重要因素。适用于氢气环境的材料已经相当成熟。球墨铸铁（也称球墨铸铁）是所有阀门类型中久经考验的阀座和止挡板材料，但也可以使用其他牌号的铁和钢。
在如今几乎所有阀门都采用非金属运动部件之前，同心环和阀片均由不锈钢制成。然而，当钢制环和阀片在使用过程中失效时，破碎的碎片会对活塞、气缸套和相邻阀门造成二次损坏。
PEEK（聚醚醚酮）是一种高强度热塑性材料，不吸湿，常用于制造当今的运动部件。PEEK 吸收冲击速度的能力远优于不锈钢，即使部件发生断裂，碎片也很少造成严重的二次损坏。
弹簧使用的线材种类繁多，包括铬硅合金钢和 17-7 PH 不锈钢。
上述所有材料均与纯氢兼容，包括碱性电解槽产生的可能含有微量氢氧化钾 (KOH) 的氢气。某些富氢混合物可能含有硫化氢 (H₂S) 等腐蚀性成分。在这种情况下，可能需要遵循美国腐蚀工程师协会 (NACE) 制定的酸性气体环境标准，这将改变某些部件的材料选择。例如，尽管球墨铸铁是酸性环境中久经考验的阀座和止动板材料，但最终用户可能更倾向于耐腐蚀性更强的 17-4 PH 不锈钢。PEEK 对大多数气体呈惰性，在酸性环境中表现良好。ELGILOY® 和 HASTEALLOY® 等弹簧材料均符合 NACE 标准。
阀门中的运动部件会受到压差和冲击力的应力作用。压差是指压缩过程中每一级出口压力与入口压力之差。运动部件必须足够坚固，才能在关闭时承受压差力。其强度取决于阀门的几何形状和材料。
阀芯开启时会撞击止动板，关闭时会撞击阀座。阀门升程越大、工作压力越高、压缩机转速越高，开启和关闭时的冲击速度也越大。因此，计算运动部件的冲击速度至关重要，以确保其能够承受冲击力。氢气压缩机通常使用升程较小的阀门，范围在 0.030 英寸至 0.060 英寸之间。大多数电机转速也相对较低，在 300 至 600 rpm 之间。这种组合有利于阀门的可靠性，即使在高排气压力下也是如此。
活动阀元件吸收高冲击速度的能力通常决定了其使用寿命。某些元件几何形状比其他形状更适合承受重冲击载荷。活动元件接触面的性质和数量至关重要。平面接触可能存在问题。具有矩形截面的同心环具有平面接触面。在运行过程中，初始接触发生在每个环的外缘。这种相对较高的集中载荷会对环施加较高的拉伸（弯曲）应力。同心环的典型失效模式是始于外缘的断裂。
带孔板也具有平坦的接触面。如果带孔板的外径为圆形，则其工作原理与同心环相同。带孔板最常见的失效模式也是从外边缘开始的断裂。西门子能源公司获得专利的多边形带孔板几何形状，能够将初始冲击力集中在横截面积更大的边缘，从而比圆形板更能有效地吸收冲击速度。
图 4. 锥阀、MAGNUM 阀和 HAMMERHEAD 阀的阀门几何形状蘑菇形阀芯元件是最早采用倾斜表面接触而非平面接触的元件之一。研究发现，阀芯头部的应力分布有利于许多氢气应用。
然而，较高的阀头与阀杆比对阀芯元件的压差提出了限制，因此它无法应用于某些氢气压缩机的末级。多年后，MAGNUM 和 HAMMERHEAD 元件采用优化的倾斜接触面设计，能够更有效地分散冲击能量，从而承受更高的冲击速度。
阀门选择
有限元分析 (FEA) 显示，即使在高载荷下，MAGNUM 和 HAMMERHEAD 元件上的拉应力也极小。这得益于它们比同心环和同心板小得多的直径。拉应力极小的阀门元件应该坚固耐用，因为不易弯曲也就不易断裂。
在高速压缩机上进行的长期内部实验室测试证实，MAGNUM元件能够在高冲击载荷下承受极端压差和排气温度。在平板式结构失效的情况下，MAGNUM元件却能经受住考验。经过三年在100多个压缩机气缸中成功进行的beta测试，累计阀门运行时间达25万小时后，MAGNUM阀正式上市。如今，MAGNUM阀已成功应用于数百台氢气压缩机，其中许多压缩机并非Dresser-Rand品牌。
随着氢能经济在全球范围内的持续发展，需要更大缸径的压缩机应用日益普遍。由于最大限度地减小缸体间隙是实现所需压缩机流量的关键，这些更大的缸体需要使用数量更少但尺寸更大的阀门。为了同时达到所需的压缩机效率，这些更大的阀门必须设计成具有更大的流通面积。西门子能源的HAMMERHEAD阀门成功克服了这一独特的设计挑战。内部流量测试表明，HAMMERHEAD阀门的流通面积显著大于MAGNUM阀门。为了实现高阀门流通面积，HAMMERHEAD阀门的阀芯采用了略微弯曲的阀头，并通过计算机流体动力学（CFD）分析进行了优化。HAMMERHEAD阀门迅速部署并被市场接受，其可靠性与MAGNUM阀门不相上下。
当压缩机阀门工作不正常时，弹簧可能存在问题。往复式压缩机阀门弹簧的动力学特性十分复杂，目前尚未完全掌握。因此，弹簧设计应采取保守策略。除了使用与气体相容的材料外，选择具有足够抗拉强度和疲劳强度的钢丝也至关重要。如果阀门元件的几何形状和运行条件限制了弹簧的设计，例如只能使用特定材料、钢丝直径、外径和自由长度，那么选择合适的钢丝将是一项挑战。
压缩机阀元件的运动类似于方波，具有快速的开启和关闭动作。这种方波运动会对弹簧施加较大的应力。弹簧设计为始终处于压缩状态，因此在关闭位置具有预紧力。然而，如果阀元件以特别大的力开启，初始预紧的弹簧可能会超出其最终设计高度，并从阀元件上跳脱。这种过冲意味着弹簧可能会被压缩至其完全压缩状态，从而可能导致钢丝过载。
在现场，如果发现相邻弹簧圈出现扁平状（通常呈光泽状），这是圈间接触的明显迹象。MAGNUM 阀的所有弹簧均采用极低的实心高度应力设计，以最大程度地降低圈间接触的风险。由于 MAGNUM 和 HAMMERHEAD 阀组件采用独立的相同弹簧，因此具有内置的平衡弹簧压力。这与独立的同心环形成鲜明对比，后者的弹簧压力（弹簧力除以环面积）并不均匀。这种不平衡的弹簧压力会导致阀门动力学性能下降，可能造成部分环关闭延迟，而其他环则出现抖动（剧烈振荡）。这种阀门运动会导致弹簧过早失效、环失效或两者兼有。
运行和维护
正确操作和维护配备成熟可靠阀门的氢气压缩机的终端用户，期望这些阀门能够持续使用到下一次计划中的设备大修（通常为三到五年或更久）。即使是最耐用的阀门也属于易损件，最终仍需维修或更换，因此最佳做法是在现场储备备件和阀门翻新工具。
大多数氢气补充压缩机都是多级装置，气缸尺寸各异，因此一台压缩机中经常会用到多种不同尺寸的阀门。所以，当使用同心环阀和带孔板阀时，就需要储备多种尺寸的环阀和板阀。这些阀门类型还需要使用不同刚度的弹簧，这就需要储备不同的弹簧。这既费钱又费力。
相比之下，MAGNUM阀芯采用特殊PEEK合金制成，适用于所有压缩阶段的所有阀门。MAGNUM弹簧系列仅包含四种不同的弹簧刚度和两种不同的弹簧材料。因此，整台压缩机的典型阀门更换部件仅包含一个MAGNUM阀芯零件号和一到两个弹簧零件号。
如果使用 HAMMERHEAD 阀门代替 MAGNUM 阀门，库存情况将保持不变。HAMMERHEAD 阀体元件将用于所有压缩阶段。由于 HAMMERHEAD 阀门设计采用了 MAGNUM 系列弹簧，因此整个压缩机仅使用一到两个弹簧零件编号。当 MAGNUM 或 HAMMERHEAD 阀门需要维修时，可以使用专用的阀座斜面修复工具将密封表面恢复到出厂规格。MAGNUM 和 HAMMERHEAD 阀门最大限度地降低了备用阀门组件库存的物流挑战。
案例研究：延长炼油厂氢气压缩机的平均故障间隔时间
美国一家大型炼油厂的21台压缩机（共50个气缸）持续运行，其阀门平均故障间隔时间（MTBF）仅为10个月。如此短的MTBF是该炼油厂压缩机计划外停机的主要原因。这些压缩机大多用于氢气处理，排气压力高达1825 psia，电机转速在285 rpm至585 rpm之间。2000年至2002年间，平均每年发生16起阀门故障，这意味着一支专门的机械师团队需要每三到四周更换一次阀门。正是在这种环境下，MAGNUM阀门在该炼油厂的一台小型压缩机上进行了约两年的beta测试。测试成功后，MAGNUM阀门被安装在该炼油厂两台最大的氢气压缩机上，并一直稳定运行，直到下一次计划检修。
在接下来的三年里，其余大部分压缩机都加装了MAGNUM阀门。2003年至2007年间，同一批21台压缩机的平均年故障数从16起下降到2起。2008年至2015年，压缩机数量增加到27台，共有70个气缸连续运行，在此期间，平均每年仅发生一起MAGNUM阀门故障。为了便于理解其规模，这27台压缩机共安装了超过500个阀门。
图 5. 年度阀门故障率大幅降低到2016年，所有压缩机都配备了MAGNUM或HAMMERHEAD阀门。2016年至2022年间，阀门故障的平均数量也仅为每年一次。事实上，2022年记录的唯一一次阀门故障并非由正常的磨损造成，而是由气流中的工艺沉积物导致。
MAGNUM阀门成为炼油厂标准配置后，阀门的平均故障间隔时间（MTBF）显著提升至60个月，提升幅度达六倍，且这一优势至今仍保持稳定。图5显示，20年前引入MAGNUM阀门后，阀门故障率大幅下降。MTBF的快速且持续的提升意味着压缩机阀门不再是炼油厂计划外停机的主要原因。
一位炼油厂可靠性工程师表示：“我们最初的目标是让压缩机至少每运行五年无需停机维护。在将阀门更换为 MAGNUM 阀门之前，我们根本无法想象能够实现这个目标。自从采用 MAGNUM 阀门以来，我们的平均故障间隔时间 (MTBF) 稳步提升至五年以上。这是我们与制造商/设计方共同努力的成果，需要在短时间内投入大量精力才能达到并超越这个目标。阀门寿命的延长也带来了活塞和活塞环寿命的提升。”
以往，阀门开始失效时，由于阀门设计的原因，局部温度会迅速升高。这种局部过热很可能是活塞环和活塞顶环磨损的原因。系统会一直运行，直到达到整体排气温度停机标准。一种可能的情况是，周五气缸盖排气阀发生故障或即将失效，导致周一活塞销断裂。MAGNUM阀门即使部分损坏也能继续运行（我们称之为“跛行性”），正是这种特性防止了上述故障的发生。
在此之前，我们曾发生过大量计划外的“代价高昂”的停机事故。如今，我们通常按周进行设备检修，并将检修工作作为预防性维护的一部分。
我们看到机器的使用寿命为7-8年，我们的目标是将使用寿命从5年提高到10年。有朝一日，我们或许能够实现大型气缸群10年不停机的正常运行。”
结论
几十年来，往复式压缩机在炼油厂高压氢气输送中发挥着至关重要的作用。近年来，其应用范围已扩展至电解装置、氢气液化装置和氢气管道等领域。尽管不同设施的压缩需求各不相同，但正常运行时间和效率始终是关键。阀门设计在这方面至关重要，也是终端用户和运营商关注的重点。正确应用阀门可以避免因计划外停机造成的收入损失。
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