活塞压缩机气阀损坏原因分析.pdf

1、 40 压 缩 机 技 术 2008年 第 5期 (总 211期 )收 稿 日 期 : 2008 - 05 - 10基 金 项 目 :吉 林 省 教 育 厅 “ 十 一 五 ” 科 研 规 划 项 目 (2007第 177号 )文 章 编 号 : 100622971 (2008) 0520040204活 塞 压 缩 机 气 阀 损 坏 原 因 分 析王 德 忠 ,邢 万 坤(吉 林 化 工 学 院 ,吉 林 吉 林 132022)摘 要 :根 椐 大 型 活 塞 压 缩 机 气 阀 阀 片 的 失 效 形 式 ,分 析 了 气 阀 弹 簧 、 压 缩 介 质 等 因 素 对 气 阀 寿 命 的

2、 影响 ,并 通 过 损 坏 阀 片 断 口 的 金 相 组 织 观 察 ,分 析 出 疲 劳 裂 纹 的 形 成 和 发 展 过 程 ,结 合 改 进 实 例 ,提 出 了 提高 气 阀 使 用 寿 命 的 途 径 。关 键 词 :活 塞 压 缩 机 ;气 阀 ;故 障 ;分 析中 图 分 类 号 : TH457 文 献 标 识 码 : B 1 前 言大 型 活 塞 压 缩 机 主 要 应 用 于 石 油 化 工 等 领 域 ,气 阀 是 大 型 活 塞 压 缩 机 中 重 要 部 件 之 一 ,气 阀 的 寿命 直 接 影 响 压 缩 机 的 可 靠 性 。 由 于 化 工 生 产 的 特

3、点 ,气 阀 的 使 用 寿 命 普 遍 很 低 ,有 的 甚 至 寿 命 不 足1000 h。 针 对 此 问 题 ,对 大 型 活 塞 压 缩 机 气 阀 阀 片的 损 坏 原 因 进 行 了 分 析 ,并 对 提 高 大 型 活 塞 式 压 缩机 气 阀 的 使 用 寿 命 进 行 了 探 讨 。2 气 阀 的 失 效 形 式 及 损 坏 原 因 分 析气 阀 的 失 效 主 要 是 气 阀 阀 片 损 坏 ,阀 弹 簧 断 裂或 阀 弹 簧 松 驰 变 形 。 根 据 大 量 损 坏 的 阀 片 统 计 ,阀片 失 效 主 要 是 产 生 径 向 裂 纹 或 断 裂 和 磨 损 及 腐

4、 蚀 麻点 。 图 1是 某 化 肥 厂 大 型 活 塞 式 压 缩 机 典 型 的 带 有径 向 断 裂 的 环 形 阀 片 ,并 有 严 重 腐 蚀 、 磨 损 的 照 片 ,径 向 断 裂 的 阀 片 有 的 在 断 裂 处 还 出 现 有 小 面 积 表 面块 状 剥 落 。 如 图 所 示 ,在 阀 片 内 外 圈 的 密 封 口 处 都留 有 明 显 的 磨 损 痕 迹 ,严 重 的 减 薄 可 达 015 mm。 阀弹 簧 的 失 效 主 要 有 3种 形 式 ,一 是 阀 弹 簧 的 磨 损 ,从使 用 的 阀 簧 中 ,大 多 数 的 阀 弹 簧 端 圈 已 经 磨 得 发

5、亮 ,其 中 不 少 阀 端 部 磨 平 圈 长 度 已 经 减 少 ,许 多 弹 簧 外圈 已 经 磨 出 了 光 亮 的 棱 ;二 是 松 驰 变 形 ,有 些 弹 簧 的节 距 已 经 不 等 ,尤 其 在 靠 近 端 圈 的 几 圈 ,节 距 明 显 变大 ,刚 度 下 降 ,自 由 高 度 恢 复 不 到 原 来 的 高 度 ;三 是阀 弹 簧 碎 断 。 图 3是 某 化 工 厂 生 产 系 统 的 大 型 活 塞压 缩 机 二 段 气 阀 损 坏 的 柱 形 阀 弹 簧 ,图 4是 外 圈 磨损 严 重 的 柱 型 弹 簧 。第 5期 王 德 忠 ,等 :活 塞 压 缩 机 气

6、阀 损 坏 原 因 分 析 41 图 4 磨 损 严 重 的 柱 形 阀 弹 簧211 气 阀 弹 簧 对 阀 片 寿 命 的 影 响(1)气 阀 的 弹 簧 力 是 影 响 阀 片 寿 命 的 主 要 因素 。 气 阀 的 弹 簧 力 直 接 影 响 阀 片 的 运 动 规 律 和 气 阀的 能 量 损 失 ,弹 簧 力 的 过 大 过 小 都 会 直 接 影 响 阀 片的 寿 命 。 从 损 坏 阀 片 几 乎 都 是 径 向 断 裂 的 情 况 看 ,阀 片 的 断 裂 是 由 撞 击 而 造 成 的 ,一 些 寿 命 较 短 的 气阀 阀 片 ,往 往 是 由 于 气 阀 弹 簧 力

7、不 适 当 ,阀 片 运 动 规律 不 合 理 。 图 9是 某 化 肥 厂 氮 氢 气 压 缩 机 二 段 排 气阀 阀 片 计 算 机 模 拟 的 运 动 规 律 曲 线 。 从 图 中 明 显 地判 断 出 气 阀 弹 簧 力 过 大 ,属 于 颤 振 的 情 况 ,阀 片 的 使用 寿 命 不 足 1000h。 化 工 流 程 用 的 大 型 往 复 式 压 缩机 的 运 行 往 往 受 化 工 流 程 的 变 化 而 制 约 ,工 况 不 稳定 或 偏 离 额 定 压 力 下 工 作 时 ,都 可 能 会 造 成 运 动 规律 改 变 ,阀 片 颤 振 ,冲 击 频 率 增 加 ,寿

8、 命 下 降 。(2)弹 簧 失 效 是 导 致 阀 片 断 裂 的 主 要 原 因 之一 。 根 据 对 大 型 压 缩 机 气 阀 失 效 的 调 查 统 计 ,发 现在 有 阀 片 断 裂 的 气 阀 中 ,几 乎 都 存 在 失 效 的 弹 簧 。检 修 中 发 现 有 些 阀 片 未 损 坏 而 弹 簧 有 几 个 已 经 碎断 ,至 于 阀 片 损 坏 而 弹 簧 未 损 坏 的 却 极 少 见 。 由 此可 见 ,弹 簧 往 往 先 于 阀 片 失 效 。 分 析 其 原 因 ,由 于 弹簧 本 身 的 质 量 或 某 些 工 艺 用 压 缩 机 ,工 艺 条 件 的 限制 ,在

9、 个 别 的 级 压 力 比 较 高 ,造 成 排 气 温 度 过 高 ,弹簧 在 较 高 温 度 下 长 期 工 作 ,在 交 变 载 荷 作 用 下 ,弹 簧由 弹 性 变 形 转 化 为 塑 性 变 形 ,使 强 度 降 低 或 产 生 蠕变 现 象 ,使 弹 簧 断 裂 或 长 度 减 少 导 致 弹 力 下 降 。 经对 上 述 阀 弹 簧 的 拆 检 ,工 作 不 足 1000 h,弹 簧 缩 短(1 115) mm。 由 于 弹 簧 的 失 效 ,阀 片 受 力 不 均 匀产 生 附 加 弯 矩 ,运 动 规 律 受 到 严 重 的 影 响 。 阀 片 的开 启 和 关 闭 不

10、灵 活 ,加 大 了 对 升 程 限 制 器 、 阀 座 的 撞击 力 ,弹 簧 的 断 裂 还 会 使 阀 片 带 来 刻 痕 ,加 速 阀 片 失效 ,最 后 导 致 阀 片 断 裂 。(3)从 大 量 碎 断 的 阀 弹 簧 断 口 明 显 看 出 ,参 见图 3,一 类 断 口 有 光 亮 区 ,并 且 断 裂 方 向 和 直 径 平 面呈 45角 ,说 明 是 在 剪 应 力 作 用 下 疲 劳 断 裂 的 ;另 一类 断 口 的 断 裂 方 向 和 直 径 平 面 重 合 ,说 明 是 在 弯 曲应 力 作 用 下 疲 劳 断 裂 。 为 分 析 阀 弹 簧 的 断 口 ,在 铝试

11、 块 上 嵌 了 个 断 裂 的 阀 弹 簧 ,经 处 理 后 ,用 400倍 显微 镜 进 行 观 察 ,发 现 在 断 处 有 大 量 非 金 属 杂 物 。 并且 只 有 在 断 口 的 区 域 存 在 ,观 察 外 圈 还 会 发 现 弹 簧外 圈 已 被 严 重 磨 损 ,在 另 一 个 弹 簧 断 口 处 观 察 发 现 ,存 在 脱 碳 现 象 ,另 外 有 一 埋 藏 裂 纹 在 弹 簧 体 内 部 ,根据 金 相 照 片 观 察 到 的 缺 陷 可 分 析 出 弹 簧 的 加 工 及 工质 腐 蚀 、 磨 损 等 原 因 都 可 能 造 成 阀 弹 簧 的 断 裂 、 松 弛

12、等 失 效 现 象 。 42 压 缩 机 技 术 第 5期图 8 点 蚀 的 阀 片212 压 缩 介 质 的 腐 蚀 对 阀 片 寿 命 的 影 响很 多 大 型 压 缩 机 的 工 作 介 质 一 般 都 具 有 腐 蚀性 ,如 含 H2 S、 CO2、 等 介 质 ,使 阀 片 的 材 料 疲 劳 极 限显 著 降 低 ,同 时 气 流 以 较 高 的 速 度 冲 刷 阀 片 容 易 造成 阀 片 表 面 组 织 破 坏 ,产 生 腐 蚀 ,出 现 麻 点 或 凹 坑 ,如 图 7所 示 ,另 外 压 缩 介 质 一 般 有 一 定 的 湿 度 ,特 别是 油 水 分 离 器 效 果 下

13、 降 时 ,分 离 不 净 的 润 滑 油 和 压缩 气 体 经 冷 却 器 后 析 出 的 水 分 混 合 在 气 体 中 ,当 随气 体 流 过 气 阀 时 ,有 一 部 分 附 在 阀 座 密 封 口 处 ,使 阀片 和 升 程 限 制 器 等 零 件 表 面 形 成 液 膜 ,液 膜 所 产 生的 附 着 力 阻 碍 阀 片 的 运 动 ,引 起 阀 片 滞 后 开 启 或 关闭 ,增 大 了 气 流 顶 推 力 ,当 油 水 含 量 愈 多 ,附 着 力 愈大 ,对 阀 片 的 运 动 规 律 影 响 也 愈 大 ,严 重 影 响 气 阀 阀片 的 使 用 寿 命 。213 阀 片

14、断 口 分 析对 断 裂 或 有 裂 纹 的 阀 片 用 肉 眼 进 行 观 察 ,可 看到 明 显 的 疲 劳 断 裂 的 特 征 ,借 助 放 大 镜 仔 细 观 察 ,可看 到 断 面 边 缘 有 许 多 发 亮 的 点 ,可 较 清 晰 看 到 贝 纹线 ,顺 着 贝 纹 线 的 发 展 方 向 可 判 断 裂 纹 源 于 阀 片 内径 处 ,在 断 口 两 侧 边 缘 区 域 可 观 察 到 弹 簧 的 磨 痕 或腐 蚀 的 斑 点 等 ,参 见 图 2。 由 此 可 初 步 断 定 裂 纹 的形 成 和 发 展 过 程 ,截 取 断 口 附 近 制 作 金 相 试 块 ,在600倍

15、 金 相 显 微 镜 下 观 察 ,可 以 清 楚 看 到 断 裂 面 与非 断 裂 面 的 金 相 组 织 基 本 一 样 ,没 什 么 差 别 ,不 同 的只 是 截 取 的 断 裂 面 试 样 中 有 一 条 明 显 裂 纹 ,由 内 径向 外 不 规 则 延 伸 ,由 此 可 推 断 裂 纹 扩 展 方 向 与 宏 观是 一 致 的 ,见 图 5。214 分 析 结 论根 据 阀 片 的 损 坏 形 式 和 理 论 分 析 ,无 论 是 环 状阀 还 是 网 状 阀 破 坏 ,都 属 于 疲 劳 断 裂 ,裂 纹 是 与 多 种因 素 有 关 的 ,碎 断 弹 簧 使 阀 片 产 生

16、的 压 痕 ,压 缩 介 质对 阀 片 的 腐 蚀 阀 片 材 质 内 部 的 缺 陷 ,阀 片 在 加 工 过程 中 所 产 生 的 内 应 力 ,微 观 裂 纹 等 ,都 会 形 成 裂 纹源 ,在 撞 击 应 力 的 高 频 作 用 下 ,经 过 一 定 的 亚 临 界 扩展 ,使 裂 纹 达 到 临 界 尺 寸 后 ,造 成 阀 片 的 径 向 断 裂 。3 提 高 气 阀 使 用 寿 命 的 途 径根 据 气 阀 的 失 效 形 式 和 以 上 对 损 坏 原 因 的 分析 ,气 阀 的 使 用 寿 命 和 许 多 因 素 有 关 ,对 于 大 型 压 缩机 的 气 阀 ,既 要 考

17、 虑 压 缩 机 的 可 靠 性 ,又 要 考 虑 到 机器 的 经 济 性 ,要 求 气 阀 有 足 够 长 的 使 用 寿 命 ,力 求 气阀 阻 力 损 失 小 。 因 此 要 提 高 气 阀 的 使 用 寿 命 ,必 须根 据 具 体 情 况 ,具 体 分 析 。 结 合 大 型 压 缩 机 的 实 际运 行 工 况 和 特 点 ,提 高 气 阀 使 用 寿 命 ,应 主 要 考 虑 如下 几 个 方 面 :311 提 高 阀 片 阀 弹 簧 的 产 品 质 量目 前 根 据 阀 片 的 损 坏 原 因 分 析 ,已 经 寻 找 出 很多 提 高 阀 片 、 弹 簧 产 品 质 量 的

18、 方 法 ,在 材 质 、 加 工 制造 及 热 处 理 工 艺 等 方 面 都 取 得 了 一 些 成 熟 的 经 验 ,但 对 化 工 流 程 用 大 型 活 塞 式 压 缩 机 的 阀 片 、 弹 簧 还应 结 合 化 工 生 产 的 特 点 ,在 抗 腐 蚀 、 耐 高 温 等 方 面 提高 阀 片 、 弹 簧 的 综 合 机 械 性 能 ,特 别 是 提 高 弹 簧 在 高温 下 防 蠕 变 、 防 腐 蚀 的 能 力 。 提 高 阀 弹 簧 的 寿 命 是提 高 阀 片 寿 命 的 先 决 条 件 ,阀 片 只 有 在 弹 簧 正 常 的工 作 条 件 下 ,才 能 保 证 良 好

19、 的 运 动 规 律 。312 合 理 调 整 气 阀 的 弹 簧 力根 据 损 坏 原 因 分 析 ,气 阀 弹 簧 力 是 决 定 气 阀 阀 片寿 命 及 机 器 经 济 性 的 重 要 参 数 。 因 此 根 据 机 器 的 实 际运 行 工 况 ,合 理 的 调 整 气 阀 的 弹 簧 力 使 阀 片 有 良 好 的运 动 规 律 ,减 轻 阀 片 对 升 程 限 制 器 、 阀 座 的 撞 击 力 和 减少 撞 击 频 率 ,是 提 高 阀 片 寿 命 的 重 要 保 证 。313 适 当 增 加 阀 座 的 通 道 面 积要 尽 可 能 提 高 阀 座 通 道 面 积 ,增 加

20、流 量 系 数 ,使气 流 分 布 均 匀 ,以 改 善 阀 片 的 受 力 状 况 ,降 低 对 阀 片的 冲 击 载 荷 及 附 加 弯 矩 ,这 一 点 对 高 压 级 网 状 阀 尤为 重 要 。314 气 阀 改 进 实 例 分 析某 化 肥 厂 氮 氢 气 压 缩 机 ,是 20世 纪 80年 代 国内 生 产 的 大 型 设 备 ,投 入 生 产 以 来 ,经 常 因 阀 片 损 坏而 停 车 ,阀 片 寿 命 一 般 在 1000 h左 右 ,最 短 的 寿 命仅 有 500 h左 右 。 针 对 这 种 情 况 ,对 该 机 气 阀 进 行理 论 分 析 和 拆 检 调 查

21、。 根 据 分 析 出 的 主 要 原 因 ,对气 阀 进 行 了 改 进 ,主 要 改 进 措 施 如 下 :(1)对 阀 片 寿 命 短 的 二 段 、 三 段 的 阀 片 运 动 规律 进 行 计 算 机 模 拟 ,发 现 在 实 际 工 况 下 ,气 阀 弹 簧 力不 适 当 ,阀 片 颤 振 或 延 迟 关 闭 现 象 (参 见 图 9) ,造 成第 5期 王 德 忠 ,等 :活 塞 压 缩 机 气 阀 损 坏 原 因 分 析 43 阀 片 在 工 作 时 撞 击 频 率 过 于 严 重 ,是 阀 片 损 坏 的 主要 原 因 之 一 。 重 新 对 阀 弹 簧 进 行 设 计 。

22、对 弹 簧 刚度 、 弹 簧 力 都 按 实 际 工 况 进 行 了 调 整 ,使 改 进 后 阀 片运 动 规 律 趋 于 合 理 。 图 10为 改 进 后 该 段 排 气 阀 阀片 的 运 动 规 律 。(2)加 强 阀 片 、 弹 簧 的 质 量 检 查 。 经 拆 检 和 对新 阀 片 、 弹 簧 性 能 检 查 ,发 现 弹 簧 硬 度 普 遍 过 大 ,阀片 翘 曲 度 超 标 严 重 。 对 此 ,严 格 按 技 术 要 求 予 以 纠正 ,并 对 弹 簧 提 出 表 面 强 化 和 松 驰 处 理 ,提 高 弹 簧 、阀 片 的 疲 劳 寿 命 。(3)改 善 排 气 阀 阀

23、 座 通 流 面 积 。 为 使 气 流 分 布均 匀 ,使 阀 片 受 均 布 载 荷 ,对 原 气 阀 阀 座 的 环 形 通 道改 为 密 排 孔 形 通 道 。经 改 造 后 ,机 器 运 行 稳 定 ,气 阀 的 使 用 寿 命 提 高了 2 3倍 ,使 用 寿 命 超 过 了 4000 h,节 约 了 检 修 和备 件 的 费 用 ,并 且 节 约 了 因 故 障 停 车 而 造 成 的 损 失 ,收 到 了 较 好 的 效 果 。参 考 文 献 : 1 郁 永 章 . 容 积 式 压 缩 机 技 术 手 册 M . 北 京 . 机 械 工 业 出 版 社 ,2000. 308.

24、2 朱 圣 东 ,等 . 无 油 润 滑 压 缩 机 M . 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,2001. 18. 3 邢 万 坤 . 工 艺 用 压 缩 机 网 状 阀 使 用 寿 命 探 讨 J . 压 缩 机 技 术 ,2002 (1) : 1. 4 林 梅 . 压 缩 机 环 状 阀 原 理 M . 北 京 :化 学 工 业 出 版 社 , 1982. 5 (日 )松 板 . 压 缩 机 环 状 阀 应 力 分 析 J . 压 缩 机 技 术 , 1987.作 者 简 介 :王 德 忠 ,男 ,副 教 授 ,从 事 过 程 装 备 与 控 制 工 程 专 业 的 教 学和 科 研

25、 工 作 。(上 接 第 22页 )表 4 工 作 压 力 MPa (A) 冷 却 方 式 润 滑 方 式 漏 气 回 收 氮 气 保 护 温 度 监 控 活 塞 杆 位 移 监 控Pn 018 水 冷 有 油 /无 油 回 收 气 体 防 止 气 体 外 漏 铂 热 电 阻 接 近 开 关018 Pn 216 水 冷 有 油 /无 油 回 收 气 体 防 止 气 体 外 漏 铂 热 电 阻 接 近 开 关216 Pn 516 水 冷 有 油 /无 油 回 收 气 体 防 止 气 体 外 漏 铂 热 电 阻 接 近 开 关516 Pn 16 水 冷 有 油 /无 油 回 收 气 体 防 止 气

26、 体 外 漏 铂 热 电 阻 接 近 开 关16 Pn 23 水 冷 有 油 回 收 气 体 防 止 气 体 外 漏 铂 热 电 阻 接 近 开 关23 Pn 32 水 冷 有 油 回 收 气 体 防 止 气 体 外 漏 铂 热 电 阻 接 近 开 关(4)填 料 盒 密 封 面 应 保 证 密 封 可 靠 ,它 是 产 生泄 漏 的 主 要 途 径 之 一 ,对 于 低 压 可 采 用 磨 削 ,中 高 压填 料 盒 密 封 面 最 好 采 用 研 磨 的 加 工 工 艺 。(5)填 料 设 计 和 安 装 过 程 中 要 确 保 填 料 密 封 环与 填 料 盒 的 轴 向 间 隙 尺 寸

27、 。 尺 寸 若 不 匹 配 ,轴 向 间隙 尺 寸 过 大 ,撞 击 速 度 增 大 ,减 少 环 的 使 用 寿 命 ;尺寸 过 小 ,会 在 槽 中 胀 死 ,导 致 气 体 的 泄 漏 。(6)密 封 环 和 填 料 盒 的 材 料 选 择 ,应 根 据 实 际工 况 及 压 缩 介 质 情 况 选 用 ,不 恰 当 的 选 材 将 使 填 料中 的 阻 流 环 和 节 流 环 使 用 寿 命 短 易 产 生 变 形 。 节 流环 失 去 节 流 减 压 的 功 能 ,导 致 主 密 封 环 受 到 高 压 气体 的 冲 击 ,同 时 由 于 阻 流 环 的 变 形 失 效 ,使 主 密 封 环在 高 温 和 高 压 下 变 形 ,导 致 了 密 封 环 的 早 期 损 坏 。填 料 盒 材 料 要 选 择 具 有 抗 磨 损 、 强 度 高 、 抗 腐 蚀 及 导热 好 的 材 料 ,最 常 用 的 材 料 是 锻 件 45、 2Cr13钢 ,青铜 和 铸 铁 。