有油潤(rùn)滑往復(fù)式壓縮機(jī)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(jī)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(rùn)滑對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)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(guò)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(rùn)滑往復(fù)式壓縮機(jī)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(shì)，并使氣閥打開(kāi)時(shí)間較無(wú)油潤(rùn)滑大為延遲[Giacomelli and Giorgetti,1974]。本文主要研究了有油潤(rùn)滑往復(fù)式壓縮機(jī)中，油膜對(duì)氣閥使用壽命及壓縮機(jī)能耗效率的影響。
表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明油膜粘度對(duì)進(jìn)氣閥定時(shí)開(kāi)啟的影響。此實(shí)驗(yàn)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(rùn)滑油粘度最大時(shí)氣閥最遲打開(kāi)（油膜粘度為400cst） [Khalifa, E.H. and Liu, X., 1998]。這說(shuō)明油膜粘度對(duì)氣閥定時(shí)打開(kāi)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(kāi)；同時(shí)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(duì)氣閥延遲打開(kāi)的影響（氣閥粘滯效應(yīng)）
研究表明：過(guò)度潤(rùn)滑也會(huì)惡化閥門的粘滯效應(yīng)，并最終由于過(guò)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(xiàng)目名稱：中石油西南油氣田天然氣儲(chǔ)氣項(xiàng)目。天然氣儲(chǔ)氣，是指將天然氣用往復(fù)式壓縮機(jī)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(chǔ)備起來(lái)，是天然氣儲(chǔ)備的主要形式之一。項(xiàng)目使用的壓縮機(jī)潤(rùn)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(shí)，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(guò)100公斤后，高壓天然氣對(duì)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(rùn)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(dòng)物脂肪成分的復(fù)合油，同時(shí)在一定程度上提高了潤(rùn)滑油初始粘度，并提高了氣缸/填料的加油量。這樣的補(bǔ)救措施暫時(shí)可以緩解問(wèn)題但并不是最優(yōu)方案。因?yàn)榭蛻粼诮鉀Q油膜強(qiáng)度和粘度問(wèn)題的同時(shí)，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(rùn)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(gè)小時(shí)。
氣體介質(zhì)中的粉塵，遇上居高不下的氣體含油率和過(guò)高的初始粘度，會(huì)導(dǎo)致異常加重的氣閥粘滯效應(yīng)（詳見(jiàn)圖1和圖2）。這是氣閥壽命異常大幅縮短的另一個(gè)不可忽視的因素。（氣源中的粉塵可能造成的油污問(wèn)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(guò)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(guò)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(kāi)并使閥片初次撞擊速度動(dòng)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(guò)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(kāi)并使閥片初次撞擊速度動(dòng)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(guò)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(shí)）
由于閥門延遲打開(kāi)，閥片初次動(dòng)能/速度大幅上升，使閥片初次撞擊幅度增大，同時(shí)對(duì)閥座的撞擊增強(qiáng)，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(duì)有油潤(rùn)滑往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥（實(shí)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(rùn)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(duì)氣閥粘滯效應(yīng)的改進(jìn)主要體現(xiàn)以下兩個(gè)方面：
通過(guò)提高潤(rùn)滑油的粘溫指數(shù)和具體量化計(jì)算潤(rùn)滑油在該高壓天然氣中的稀釋率，從而在保證實(shí)際工況中氣缸部件充分潤(rùn)滑的前提下，降低潤(rùn)滑油的初始粘度（由ISO VG 460-680粘度降為ISO VG 220）。
由于潤(rùn)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(qiáng)度的前提下，不必額外增加注油量以彌補(bǔ)高壓天然氣沖刷效應(yīng)/稀釋效應(yīng)帶來(lái)的有效油膜不足，有效降低潤(rùn)滑油的揮發(fā)損失，降低注油量/油耗。
