影響隔膜壓縮機膜片壽命的主要因素

路偉 王曉龍 叢雨飛 安俊霖

摘 要：本文介紹了隔膜壓縮機的工作原理、影響膜片壽命的主要因素、延長膜片壽命的具體措施。

關(guān)鍵詞：隔膜壓縮機;工作原理;膜片;壽命;因素

中圖分類號：TH45 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0093-02

1 概述

隔膜壓縮機具有特設(shè)的膜片組和液壓油系統(tǒng)，通過一組膜片將膜腔分隔為氣體壓縮腔和液壓油腔。膜片在液壓油推力的作用下完成膨脹、吸氣、壓縮、排氣的循環(huán)過程。

由于氣體壓縮腔不需要潤滑，密封性很好，壓縮介質(zhì)不與任何潤滑劑接觸，所以壓縮介質(zhì)不受任何污染，特別適用于壓縮稀有氣體、有毒有害氣體、腐蝕性強、易燃、易爆氣體、放射性氣體等;隔膜壓縮機氣缸散熱良好，壓縮過程可接近等溫，單級壓縮比可達20：1（在特定情況下，壓縮比可能高達100：1），工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)過多級壓縮，壓力可從常壓提升到300MPa。因此，隔膜壓縮機廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、冶金、汽車工業(yè)、芯片制造、石油化工、工業(yè)氣體灌裝、加氫站、核電站以及科學(xué)研究等領(lǐng)域。但是，由于膜片的變形量有限，處理氣量較小，單機指示功通常不超過220kW。

2 工作原理

隔膜壓縮機膜頭的結(jié)構(gòu)。此時活塞處于上止點，膜片在液壓油壓力的作用下緊貼缸蓋穹形表面。當(dāng)活塞自上止點下行時，膜片跟隨液壓油向平衡位置運動，氣腔容積逐漸增大，殘留在余隙容積內(nèi)的氣體也隨之膨脹，氣腔內(nèi)壓力逐漸降低，當(dāng)壓力低于外部壓力時，開始進氣;活塞繼續(xù)下行并最終到達下止點，膜片則通過平衡位置到達下側(cè)極限位置，進氣結(jié)束;接著活塞上行并通過液壓油推動膜片壓縮氣體，氣腔內(nèi)壓力逐漸上升，當(dāng)氣腔壓力達到排氣壓力時，開始排氣;最后膜片重新緊貼缸蓋穹形表面，排氣結(jié)束，膜腔內(nèi)完成一個工作循環(huán)。

3 影響膜片壽命的主要因素

膜片壽命決定隔膜壓縮機長周期運行的可靠性，可靠的膜片能有效的減少設(shè)備的檢維修成本，保證裝置開工率。影響隔膜壓縮機膜片壽命的主要因素如下：

3.1 膜腔型面

膜腔型面要求使膜片在盡可能大的撓度下必須具有較小的、分布合理的內(nèi)應(yīng)力，膜片最佳的運動狀態(tài)是在等應(yīng)力下工作。目前廣泛使用的膜腔型面曲線為單指數(shù)膜腔型面曲線，該型面曲線在膜片中央處和周邊的應(yīng)力接近，但是當(dāng)疊加排氣閥孔局部應(yīng)力后，中間應(yīng)力大于其他部位的應(yīng)力，使膜片在中間部位提前破壞;某些制造廠為了盡可能的縮小膜腔直徑，在保證膜腔容積不變的前提下只有增大膜片的最大撓度，從而導(dǎo)致膜片的周邊應(yīng)力高于其他部位，使膜片易在周邊位置損壞。

為改善膜片的應(yīng)力狀態(tài)，西安交通大學(xué)相繼提出了二指數(shù)膜腔型面曲線和三指數(shù)膜腔型面曲線。這兩種膜腔型面曲線使得膜片徑向應(yīng)力最大值從膜片中心位置向外轉(zhuǎn)移，解決了單指數(shù)膜腔型面曲線下膜片徑向應(yīng)力最大值與排氣閥孔局部應(yīng)力相互疊加的問題，在其他條件一致的情況下有效的提高了膜腔容積。但是這兩種型面曲線并未完全建立膜片等應(yīng)力工作環(huán)境，且膜片壽命的提升缺乏實踐數(shù)據(jù)，僅為實驗室研究成果，并未得到推廣使用。進年來國外某些廠家提出雙圓弧型面曲線，在型面輪廓上各點的應(yīng)力值完全一致。

3.2 膜頭的緊固力矩

通過降低密封面的粗糙度（粗糙度≤Ra0.4）或設(shè)置O型圈密封，降低膜頭的緊固力矩，減小膜片預(yù)緊附加應(yīng)力，提高膜片壽命。

3.3 材料

膜片材料應(yīng)具有較高的彈性極限和疲勞極限。壓縮常規(guī)介質(zhì)時可選擇301SS、00Cr15Ni5等材料;當(dāng)壓縮腐蝕性介質(zhì)時氣側(cè)膜片可選用316SS、Monel、Hastelloy、高強度非金屬聚合物等耐腐蝕材料。為提高膜片的疲勞強度，金屬膜片可在熱處理后進行深冷處理。

3.4 膜片表面粗糙度

膜片表面的粗糙度不僅影響壓縮機密封的可靠性，還會引起應(yīng)力集中，極大的影響膜片的應(yīng)力分布。因此，膜片在使用前需進行熱定型和拋光處理，使表面平整、無殘渣、粗糙度≤Ra0.4。

3.5 氣體介質(zhì)和液壓油清潔度

任何的微小顆粒參雜在氣體或液壓油中進入膜腔，將會集結(jié)在膜腔邊緣，導(dǎo)致膜片變形時應(yīng)力增加且不均勻;較大硬質(zhì)顆粒通常會在膜片貼緊缸蓋或配油盤時，在膜片表面撞擊出小坑，形成早期裂紋源，膜片在較大應(yīng)力或有裂紋存在的情況下會提前損壞。

為保證進入膜腔的介質(zhì)和液壓油清潔度。隔膜壓縮機不僅要求按JB/T6905-2004《隔膜壓縮機》標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定進行清潔度測量;還需在壓縮機入口配置5μm進氣過濾器、補油泵入口加裝10μm的濾油器，機組投入運行前所有氣管線進行徹底的吹掃;潤滑油管線采用不銹鋼材質(zhì)并進行酸洗鈍化處理。

3.6 膜片厚度

材料的厚度也會影響膜片應(yīng)力，膜片的厚度與應(yīng)力成反比。通常鋼制膜片的厚度一般在0.3～0.5mm之間，過厚的膜片，其正應(yīng)力將增加。為增加膜片工作的可靠性，可采用多層膜片（帶泄漏檢測系統(tǒng)的隔膜壓縮機膜片組為三層結(jié)構(gòu)）。當(dāng)膜片厚度小于0.25mm時，材料將很難處理，而且易變形和斷裂。

3.7 摩擦腐蝕

摩擦腐蝕是在某些摩擦條件下，由配合表面之間相對微小運行引起的一種化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)兩塊金屬彼此發(fā)生相對運動時，首先出現(xiàn)粘附磨損，這時金屬表面的粒子被磨掉并與周圍介質(zhì)反應(yīng)生成氧化物、氨化物或其它化合物。由于這些粒子硬度高，加劇了材料磨損，于是又出現(xiàn)新的摩擦腐蝕。在摩擦腐蝕過程中，腐蝕過程總是次要因素，但在附加腐蝕作用的情況下，材料更易出現(xiàn)疲勞斷裂。摩擦腐蝕的程度主要是由彼此接觸的一對物體材料的熱處理方式、表面加工情況以及腐蝕介質(zhì)的腐蝕性決定的。

為防止膜片間的摩擦腐蝕，可增加膜片間的潤滑。PPI壓縮機中間膜片襯有TEFLON涂層;PDC壓縮機中間膜片由黃銅制成;若采用同種材料的膜片組，則在安裝時，相互之間的表面上應(yīng)涂抹油層。

3.8 溫度

過高的排氣溫度會降低膜片材料的許用應(yīng)力值，高溫還將使膜片產(chǎn)生額外的熱應(yīng)力。當(dāng)壓縮安全介質(zhì)時，排氣溫度需按JB/T6905-2004《隔膜壓縮機》的規(guī)定要求不超過160℃，其他介質(zhì)需根據(jù)介質(zhì)的具體屬性設(shè)定排氣溫度的限值。除了限制壓縮機的排氣溫度，缸蓋、缸體及油缸應(yīng)通水冷卻，降低膜頭溫度，延長膜片的使用壽命。

3.9 調(diào)壓閥開啟壓力

調(diào)壓閥的作用是控制膜頭排油壓力。其設(shè)定壓力比該級排氣壓力高5～20%，高壓級應(yīng)取小值。增加的壓力保證每個循環(huán)終了膜片緊貼缸蓋的穹形表面，這樣可最大限度地保證壓縮機的容積效率。

過高的膜頭排油壓力不僅增加了壓縮機的能耗，而且還會在進、排氣口引起過量的局部應(yīng)力，局部應(yīng)力可按式1計算，閥孔處膜片的變形如圖2所示;調(diào)壓閥開啟壓力設(shè)定過低時則會造成排氣不徹底或拍缸現(xiàn)象，調(diào)壓閥開啟壓力設(shè)定過高或過低都不利于壓縮機的穩(wěn)定運行和提高膜片的壽命，因此根據(jù)壓縮機的不同工況，設(shè)定合理的調(diào)壓閥開啟壓力至關(guān)重要。

4 結(jié)語

目前，沈陽遠大壓縮機有限公司已獨立研發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的隔膜壓縮機熱動力計算選型程序、膜腔曲線計算程序、曲線坐標(biāo)計算程序和管路脈動分析程序。整機含全自動PLC控制系統(tǒng)，提供可靠和完善的監(jiān)控及故障保護功能，可以實現(xiàn)長期無人值守運行;易損件實施標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化設(shè)計，許多零部件在同系列之間都可以互換，具有最佳的通用性。其為空氣化工（香港）有限公司生產(chǎn)的兩臺MD12-D-1287.5/20-230型氫氣隔膜壓縮機組在廠內(nèi)滿負荷延續(xù)運行72小時，各項技術(shù)參數(shù)均符合設(shè)計值，該機為平衡壓縮機的受力，油缸活塞采用雙作用結(jié)構(gòu)，是目前世界上噸位最大的雙作用隔膜壓縮機，其電機功率達280kW。未來，超高壓、多列、大排量將是隔膜壓縮機的發(fā)展趨勢。

參考文獻

[1] 郁永章，孫嗣瑩，陳洪俊.容積式壓縮機技術(shù)手冊[M].機械工業(yè)出版社，2000：532-543.

[2] 曲光，趙曉華，林潔生.JB/T6905-2004隔膜壓縮機.中華人民共和國國家發(fā)展改革委員會，2004：1-6.

[3] 李霽陽，趙曉華，賈曉晗，彭學(xué)院.隔膜壓縮機二指數(shù)母線膜腔型面設(shè)計及實驗驗證[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2014，48（4）：127-132.

[4] 李霽陽，賈曉晗，江若玫，彭學(xué)院.隔膜壓縮機三指數(shù)母線膜腔輪廓優(yōu)化設(shè)計[J].壓縮機技術(shù)，2013，（04）：6-10.