膜壓機(jī)膜片系統(tǒng)泄漏原因及國產(chǎn)化探究

馮君宏

作者通聯(lián):液化空氣（天津）有限公司 天津市河西區(qū)中鐵十八局家屬樓23-3-602 300222

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一、膜壓機(jī)出現(xiàn)的問題

一臺(tái)BURTON CORBLIN公司生產(chǎn)的 D123LG6.3-25型膜片式壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱膜壓機(jī)）。1997年投用，設(shè)計(jì)壓縮量為100 m3/h。2004年因生產(chǎn)量加大，膜壓機(jī)的壓縮量不夠，重新購置一臺(tái)壓縮量為150m3/h的D164LG 6.3-25型的膜壓機(jī)作為備機(jī)使用，由于使用頻率很低，其間一直沒有大修過。2008年公司業(yè)務(wù)擴(kuò)大，新建了一個(gè)氣體充裝站，D123LG6.3-25型的膜壓機(jī)又重新安裝到新氣站使用，由于該機(jī)已使用多年，經(jīng)常出現(xiàn)O形圈漏氣報(bào)警問題，更換原裝進(jìn)口O形圈和膜片后，依然出現(xiàn)漏氣報(bào)警現(xiàn)象。這臺(tái)壓縮機(jī)及備件全部采用法國原裝進(jìn)口，維修安裝都嚴(yán)格按照隨機(jī)說明書操作，依然解決不了漏氣報(bào)警問題。

分析原因主要有兩個(gè)，一是進(jìn)口O形圈庫存時(shí)間過長(zhǎng)（已超過6年），橡膠老化，性能降低。二是機(jī)器運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)，且維修保養(yǎng)次數(shù)太少，氣缸蓋和缸體精加工的曲面及O形圈的安裝溝槽可能出現(xiàn)輕微劃痕，原先的密封圈尺寸已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的要求，有必要將其O形圈和膜片國產(chǎn)化。

二、O形圈膜片系統(tǒng)泄漏原因分析

1.膜壓機(jī)壓縮腔工作原理

膜式壓縮機(jī)的電機(jī)通過皮帶帶動(dòng)飛輪，驅(qū)動(dòng)曲軸連桿機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊?qū)動(dòng)液壓油，經(jīng)活塞缸套后，再經(jīng)配油盤，將液壓油的壓力均勻地傳遞至膜片，使膜片在壓縮腔內(nèi)往復(fù)彎曲振動(dòng)來壓縮和輸送介質(zhì)氣體（公司介質(zhì)為氫氣）。

壓縮腔由氣缸蓋、膜片和缸體組成。氣缸蓋與缸體上各有一精加工的曲面，膜片安裝在氣缸蓋和缸體中間，分別形成了兩個(gè)空腔，位于缸蓋一側(cè)的空腔是氣腔，位于缸體一側(cè)是油腔。缸體上布有環(huán)形油槽，俗稱配油盤。配油盤使得油缸內(nèi)油壓均勻地傳給膜片。隔膜在油壓的驅(qū)動(dòng)下在氣缸中往復(fù)振動(dòng)，從而達(dá)到提高介質(zhì)氣體壓力的目的。金屬膜片把氣腔和油腔隔離開來，膜片自身來回往復(fù)彎曲振動(dòng)，起到壓縮氣體的作用。由于氣體壓縮過程不存在相對(duì)磨擦，因而無需在氣缸中加任何潤(rùn)滑劑。這樣在整個(gè)壓縮過程中，被壓縮的氣體只和膜片發(fā)生接觸，能夠有效地避免被液壓油污染，從而保證了壓縮介質(zhì)的純凈。由于膜片壓縮機(jī)具有良好的安全性和密封性，特別適用于壓縮和輸送有毒氣體、易燃易爆氣體、強(qiáng)腐蝕性氣體、高純氣體、稀有氣體等介質(zhì)。常見的膜壓機(jī)通常為單級(jí)膜壓機(jī)和兩級(jí)膜壓機(jī)，公司所用的壓縮機(jī)為兩級(jí)壓縮，第一級(jí)最高排氣壓力6.3MPa，最高排氣溫度90℃，第二級(jí)最高排氣壓力25MPa，最高排氣溫度130℃。

2.機(jī)器中O形密封圈的服役條件及密封作用

機(jī)器的壓縮腔剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示，在缸蓋和缸體之間夾有三片膜片，靠油側(cè)的膜片由一條O形密封圈密封，靠近氣側(cè)的膜片由兩條O形密封圈密封。

圖1 膜壓機(jī)O形圈膜片系統(tǒng)壓縮腔剖面圖

3.O形圈膜片系統(tǒng)泄漏原因

O形圈用于密封液壓油和介質(zhì)氣體，如果膜壓機(jī)工作時(shí)間過長(zhǎng)、負(fù)荷過大或者缸體冷卻系統(tǒng)效果不好以及O形圈安裝不符合技術(shù)要求就很容易引起O形圈破損和失效。一旦氣側(cè)或油側(cè)O形圈破損，氣體或油通過O形圈破損處進(jìn)入膜片中間層，會(huì)引起中間層壓力上升，觸動(dòng)壓力開關(guān)將驅(qū)動(dòng)馬達(dá)關(guān)閉。如果探測(cè)系統(tǒng)失靈，進(jìn)入膜片中間層的油不斷積累后，會(huì)將隔膜打穿，引起壓縮機(jī)故障并且污染產(chǎn)品。

三、O形密封圈國產(chǎn)化

測(cè)量原裝進(jìn)口O形圈尺寸，將壓縮機(jī)一二級(jí)缸蓋打開，測(cè)定O形圈安裝溝槽尺寸，然后確定O形圈的材料。查閱隨機(jī)說明書，得知原裝O形圈的材料是丁腈橡膠。化驗(yàn)用過的舊原裝O形圈，分析結(jié)果也顯示其材料主要成分為丁腈橡膠，按照原裝進(jìn)口O形圈的尺寸制造出仿制的O形圈。將仿制的O形圈用于膜壓機(jī)上，發(fā)現(xiàn)同樣的尺寸、材料，仿制的O形圈使用很短時(shí)間就發(fā)生漏氣報(bào)警，不能滿足使用要求。懷疑國外原件材料中加入了能夠改變材料性質(zhì)的添加劑，無法得知。同時(shí)，在測(cè)定O形圈安裝溝槽的槽深和槽寬時(shí)，發(fā)現(xiàn)O形圈安裝溝槽有輕微劃痕。要想提高仿制O形圈的密封性能，嘗試了三種方案：改變O形圈的幾何尺寸、更改制造O形圈的材料及加大缸蓋緊固螺栓的扭矩。

改變仿制O形圈的幾何尺寸后，效果有所改善，但還是不夠理想。于是嘗試更換材料和加大缸蓋緊固螺栓的扭矩。將丁腈橡膠更換為耐熱、耐腐蝕和耐老化性更佳的氟橡膠。安裝時(shí)將螺栓扭矩由說明書規(guī)定的一級(jí)1000N·m，二級(jí)1300N·m加大到一級(jí)1150N·m，二級(jí)1450N·m。這次密封效果很好，基本上能達(dá)到生產(chǎn)要求。

O形圈國產(chǎn)化后大大縮減采購成本和供貨周期，原裝的O形圈約1500元一個(gè)，供貨期25周。國產(chǎn)化的O形圈80元，供貨期三天。

四、膜片失效原因分析及國產(chǎn)化

（1）固定缸蓋的螺栓強(qiáng)度不夠或沒有達(dá)到要求的擰緊扭矩，造成缸蓋和缸體的曲面不能保持設(shè)計(jì)的精度，造成膜片壓縮介質(zhì)時(shí)實(shí)際運(yùn)動(dòng)路徑和設(shè)計(jì)有偏差，導(dǎo)致膜片在工作過程中泄漏甚至產(chǎn)生裂紋。

（2）吸排氣閥損壞或吸排氣閥蓋緊力不當(dāng)。每次在更換O形圈和膜片時(shí)，都需要檢查吸排氣閥并且需要將其拆卸，檢查彈簧、密封面、清洗閥座等，檢查完后需要重新組裝氣閥。重裝時(shí)為防止泄漏，需要將閥蓋緊固牢靠。如果緊固力度太小，就會(huì)壓不緊閥蓋而使氣閥密封效果不良，導(dǎo)致氣閥漏氣，進(jìn)而造成介質(zhì)中的雜質(zhì)顆粒進(jìn)入膜片系統(tǒng)而膜片損壞。如果緊固力度太大，又容易使氣閥內(nèi)部彈簧變形，導(dǎo)致氣閥不能完全打開或開啟時(shí)間延遲，而氣體壓縮過程中又伴隨著高壓和高溫，很容易導(dǎo)致氣閥附近形成應(yīng)力集中而使膜片損壞。

（3）油路工作壓力過高。由于膜壓機(jī)是通過活塞往復(fù)推動(dòng)液壓油來迫使膜片在腔體內(nèi)來回彎曲而壓縮氣體的，如果油路堵塞或油止回閥、溢流閥、調(diào)壓閥等失效，就會(huì)導(dǎo)致工作油壓過高，影響膜片正常工作，甚至造成膜片破裂。

（4）氣體介質(zhì)存在固體顆粒。如果管道或介質(zhì)中有雜質(zhì)或氣體過濾器太臟，就會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)顆粒進(jìn)入O形圈膜片系統(tǒng)，隨著氣體壓縮的高壓沖擊膜片，很可能導(dǎo)致膜片在某一點(diǎn)上應(yīng)力集中而損壞。

（5）膜片質(zhì)量不良或安裝過程中出現(xiàn)問題。隔膜壓縮機(jī)膜片的往復(fù)運(yùn)動(dòng)直接對(duì)介質(zhì)氣體做功，達(dá)到壓縮和輸送介質(zhì)的目的。膜片材料應(yīng)該具有較高的彈性極限和疲勞極限，并有較長(zhǎng)的使用壽命，但如果安裝或操作不當(dāng)，就會(huì)引起膜片系統(tǒng)泄漏或膜片提前損壞。膜壓機(jī)用的是金屬膜片，三塊膜片做成“三明治”式的夾層結(jié)構(gòu)。每塊膜片的直徑相同，厚度約0.5mm。油壓側(cè)膜片與氣壓側(cè)膜片形式一樣，都具有平整平面，中間側(cè)膜片開有泄漏通道，目的是氣體或液壓油有泄漏時(shí)可以被探測(cè)到。如果膜片的直徑厚度比選擇不當(dāng)，膜片所受載荷超過其允許承載能力，就會(huì)導(dǎo)致膜片過早損壞。再者，膜片材料選擇不當(dāng)，無法適應(yīng)疲勞載荷所要求的機(jī)械性能，也會(huì)導(dǎo)致膜片過早損壞。另外，在庫房長(zhǎng)期存儲(chǔ)過程中或在安裝過程中不小心造成膜片局部缺陷，比如被尖銳物壓出的小凹陷，劃出的劃痕或局部腐蝕，也是導(dǎo)致膜片過早損壞的重要原因。

受公司自身技術(shù)條件所限，無能力獨(dú)立國產(chǎn)化膜片，提供膜片尺寸及技術(shù)要求，選擇北京京城環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司合作，由京城環(huán)保公司提供材料和制作工藝。仿制好的膜片投用后，可以滿足要求，但還是和原裝膜片有差距。原裝膜片可以用4～6個(gè)月，仿制膜片只能用兩個(gè)月。原裝膜片拆卸后，通過清洗脫脂，可以再次使用，仿制膜片只要拆卸、清洗、脫脂后再次安裝，用不了多久就會(huì)出現(xiàn)漏氣報(bào)警。但仿制的膜片優(yōu)點(diǎn)還是很多的，比如成本低，供貨期短。