有油潤滑往復(fù)式壓縮機氣閥粘滯效應(yīng)探究
氣閥失效原因主要分為兩大類:環(huán)境因素和機械因素。本文主要研究環(huán)境因素中氣缸活塞的不恰當(dāng)潤滑對往復(fù)式壓縮機氣閥的影響,包括:加重氣閥閥片與閥座之間的油膜粘滯效應(yīng),并最終導(dǎo)致氣閥的過早失效。為便于研究,以下僅以進(jìn)氣閥為例,但排氣閥也存在類似情況。
有油潤滑往復(fù)式壓縮機中的進(jìn)氣閥閥片與閥座之間的油膜呈現(xiàn)出使閥片吸附在閥座的趨勢,并使氣閥打開時間較無油潤滑大為延遲[Giacomelli and Giorgetti,1974]。本文主要研究了有油潤滑往復(fù)式壓縮機中,油膜對氣閥使用壽命及壓縮機能耗效率的影響。
表1實驗結(jié)果說明油膜粘度對進(jìn)氣閥定時開啟的影響。此實驗中,所有試樣都設(shè)定為:油膜初始厚度0.001英寸,壓力比2.5和進(jìn)氣壓力0.2MPaA。最后一條曲線顯示潤滑油粘度最大時氣閥最遲打開(油膜粘度為400cst) [Khalifa, E.H. and Liu, X., 1998]。這說明油膜粘度對氣閥定時打開的影響:油膜粘度越高,由此產(chǎn)生的氣閥粘滯力越大,氣閥越容易延遲打開;同時閥片的初次撞擊力度越大,氣閥壽命縮短越快。
表1 油膜粘度對氣閥延遲打開的影響(氣閥粘滯效應(yīng))
研究表明:過度潤滑也會惡化閥門的粘滯效應(yīng),并最終由于過量的液體和氣體含油率導(dǎo)致氣閥壽命的降低。
具體案例分析
項目名稱:中石油西南油氣田天然氣儲氣項目。天然氣儲氣,是指將天然氣用往復(fù)式壓縮機提高到一定壓力,如300公斤左右,重新打到具有特殊地質(zhì)條件的地下儲備起來,是天然氣儲備的主要形式之一。項目使用的壓縮機潤滑油:某知名品牌的ISO VG 460-680粘度復(fù)合礦物油。
研究表明,天然氣處于121℃度時,在低壓環(huán)境中的被稀釋效應(yīng)并不明顯。但當(dāng)壓力超過100公斤后,高壓天然氣對礦物油的稀釋效應(yīng)明顯,指數(shù)加速上升,類似于“沖刷效應(yīng)”。因此,高溫高壓環(huán)境,加上礦物油與工藝氣(天然氣)的極性形似,且復(fù)合礦物油中礦物油成分具有高揮發(fā)性,大大加劇了該稀釋效應(yīng)。
為保證氣缸/填料中有足夠粘度的油膜,該知名品牌潤滑油供應(yīng)商推薦了一款含有有一定抗稀釋抗沖刷作用的動物脂肪成分的復(fù)合油,同時在一定程度上提高了潤滑油初始粘度,并提高了氣缸/填料的加油量。這樣的補救措施暫時可以緩解問題但并不是最優(yōu)方案。因為客戶在解決油膜強度和粘度問題的同時,相當(dāng)程度上增加了氣缸填料的注油量,再加上礦物油成分的高揮發(fā)率,這加大了氣體的含油率。如果再加上額外提高的潤滑油的初始粘度,三者疊加,嚴(yán)重加大氣閥的粘滯效應(yīng),從而使氣閥的壽命大幅降低。氣閥的平均壽命降低至幾十個小時。
氣體介質(zhì)中的粉塵,遇上居高不下的氣體含油率和過高的初始粘度,會導(dǎo)致異常加重的氣閥粘滯效應(yīng)(詳見圖1和圖2)。這是氣閥壽命異常大幅縮短的另一個不可忽視的因素。(氣源中的粉塵可能造成的油污問題,此處暫不做討論)
圖1 異常加重的粘滯效應(yīng)導(dǎo)致的氣閥底座密封面過早損壞
圖2 異常加重的粘滯效應(yīng)導(dǎo)致的氣閥彈簧/閥片過早損壞
圖1是異常加重的氣閥粘滯效應(yīng)導(dǎo)致的氣閥延遲打開并使閥片初次撞擊速度動能異常升高,撞擊氣閥底座而導(dǎo)致的氣閥底座密封面異常損壞,最終導(dǎo)致整閥的過早損壞、使用壽命大幅降低。
圖2是異常加重的氣閥粘滯效應(yīng)導(dǎo)致的氣閥延遲打開并使閥片初次撞擊速度動能異常升高,大幅加速閥片、彈簧的應(yīng)力疲勞而導(dǎo)致的閥片/彈簧過早損壞、閥門使用壽命大幅降低。(此案例氣閥使用壽命不足100小時)
由于閥門延遲打開,閥片初次動能/速度大幅上升,使閥片初次撞擊幅度增大,同時對閥座的撞擊增強,使閥座受損的幾率大幅上升,進(jìn)而大幅降低閥門(進(jìn)氣閥/排氣閥)的使用壽命。
該案例很好地印證了上述氣閥粘滯效應(yīng)對有油潤滑往復(fù)式壓縮機氣閥(實際不僅限于氣閥)的負(fù)面影響。
為尋求最佳解決方案緩解氣缸中氣閥粘滯效應(yīng),克魯勃潤滑劑公司推薦使用Klüber Summit NGL-888或Klüber Summit NGP-220。與前述某知名品牌的ISO VG 460-680粘度的復(fù)合礦物油相比,其對氣閥粘滯效應(yīng)的改進(jìn)主要體現(xiàn)以下兩個方面:
通過提高潤滑油的粘溫指數(shù)和具體量化計算潤滑油在該高壓天然氣中的稀釋率,從而在保證實際工況中氣缸部件充分潤滑的前提下,降低潤滑油的初始粘度(由ISO VG 460-680粘度降為ISO VG 220)。
由于潤滑油抗稀釋性能的提高和揮發(fā)性的降低,在保證有效油膜強度的前提下,不必額外增加注油量以彌補高壓天然氣沖刷效應(yīng)/稀釋效應(yīng)帶來的有效油膜不足,有效降低潤滑油的揮發(fā)損失,降低注油量/油耗。