壓縮機(jī)氣缸閥孔產(chǎn)生裂紋原因分析

馬靜 龐巖衛(wèi)

摘 要：氣缸閥孔密封形式不同，導(dǎo)致缸體閥腔受力情況不同，在對正在服役的氣缸密封形式進(jìn)行改造前，應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析計算后再行改造，并應(yīng)嚴(yán)格按照要求的緊固力矩緊固，避免氣缸閥腔因受力過大，導(dǎo)致裂紋失效。

關(guān)鍵詞：往復(fù)壓縮機(jī);氣缸;O形圈密封;缸體有限元分析

中圖分類號：TQ05 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0074-02

0 概述

我公司為某用戶生產(chǎn)的2D16型氣體壓縮機(jī)，在一次檢修回裝時，對各級氣缸的承壓腔進(jìn)行氣密試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一級氣缸閥孔蓋螺栓處漏氣。拆卸閥孔蓋后，經(jīng)查看，在各別螺紋孔處發(fā)現(xiàn)肉眼可見的裂紋。當(dāng)?shù)弥饲闆r后，我公司第一時間派出售后和技術(shù)人員到達(dá)用戶現(xiàn)場。經(jīng)過對現(xiàn)場的勘察、詢問及計算分析，找出了閥孔產(chǎn)生裂紋的原因。

1 原因分析

首先對缸體進(jìn)行了拆解，對閥孔處清洗后進(jìn)行著色探傷，在各別螺紋孔處發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋貫穿至氣缸內(nèi)部，導(dǎo)致氣缸漏氣。該氣缸共有8個閥孔，每個閥孔都有裂紋產(chǎn)生。經(jīng)對比，發(fā)現(xiàn)裂紋的位置比較有規(guī)律。裂紋情況見圖1。

另外，我公司技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)缸體上閥孔處結(jié)構(gòu)與閥孔蓋的結(jié)構(gòu)存在異樣。缸體閥孔處結(jié)構(gòu)為墊密封結(jié)構(gòu)，而閥孔蓋的結(jié)構(gòu)為O形圈密封結(jié)構(gòu)，與我公司常規(guī)設(shè)計不一致。常規(guī)這兩種密封結(jié)構(gòu)不會同時出現(xiàn)在一個氣缸部件上。經(jīng)詢問現(xiàn)場工作人員及查找我公司對已售出產(chǎn)品的后期調(diào)查記錄，了解到該壓縮機(jī)的氣缸在此次檢修時，業(yè)主對閥孔密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，將原來的墊密封結(jié)構(gòu)改為O形圈密封結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)對兩種密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比說明：

閥孔墊密封結(jié)構(gòu)，如圖2所示，通過若干螺栓將閥孔蓋壓緊在缸體閥孔處，閥孔蓋與缸體之間采用墊密封，螺栓的規(guī)格是根據(jù)閥腔內(nèi)的密封壓力和閥孔蓋的密封面積計算而選取，當(dāng)壓力高時往往需要更大規(guī)格或更多數(shù)量的螺栓來提供足夠的預(yù)緊力達(dá)到有效的密封，預(yù)緊力是通過力矩扳手預(yù)緊到給定的緊固力矩來控制的。對于此種結(jié)構(gòu)，氣閥的固定是通過閥孔上的頂絲螺栓來實(shí)現(xiàn)的，通過緊固頂絲壓緊壓閥罩，壓閥罩將力傳遞給氣閥，從而使氣閥壓緊在缸體上，頂絲螺栓的規(guī)格是根據(jù)氣閥兩側(cè)密封壓差和氣閥的密封面積計算而選取，同樣通過力矩扳手預(yù)緊到給定的緊固力矩來控制頂絲的預(yù)緊力。

閥孔O形圈密封結(jié)構(gòu)，如圖3所示，在閥孔蓋上設(shè)有徑向密封的O形圈。閥孔蓋即要起到密封閥孔的作用，還起到壓緊氣閥的作用。通過擰緊螺栓，使閥孔蓋壓緊壓閥罩，再壓緊氣閥，實(shí)現(xiàn)雙重密封作用。

兩種結(jié)構(gòu)相比之下，墊密封結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，多出一套頂絲，且操作繁瑣、漏點(diǎn)多，工作過程中頂絲處常發(fā)生泄漏。而O形圈密封結(jié)構(gòu)相對簡單、操作簡潔、無多余漏點(diǎn)，工作過程中密封效果優(yōu)于墊密封結(jié)構(gòu)。目前我公司氣缸閥孔已全部采用O形圈密封結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)國、內(nèi)外壓縮機(jī)廠商，也都將閥孔改為O形圈密封結(jié)構(gòu)。此次產(chǎn)生裂紋的氣缸是我公司2008年的產(chǎn)品，那個時期出廠的產(chǎn)品仍采用墊密封結(jié)構(gòu)。閥孔螺栓的數(shù)量和規(guī)格是按墊密封結(jié)構(gòu)選取的。

對兩種結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行比較，兩種結(jié)構(gòu)傳遞到缸體上的力是不同的。墊密封結(jié)構(gòu)，當(dāng)頂絲頂緊壓閥罩時會給缸體閥腔一個等大相反的拉力，而閥孔螺栓的緊固對缸體閥腔不會產(chǎn)生拉力。O形圈密封結(jié)構(gòu)，當(dāng)擰緊閥孔螺栓壓緊壓閥罩時會給缸體閥腔一個等大相反的拉力。也就是說兩種密封結(jié)構(gòu)，缸體閥腔所受的拉力一種是來自頂絲的預(yù)緊力，一種是來自閥孔螺栓的預(yù)緊力，而閥孔螺栓的預(yù)緊力必然要大于頂絲的預(yù)緊力。每一個氣缸在設(shè)計時，不管是哪種密封結(jié)構(gòu)，設(shè)計師都會對閥孔螺栓的預(yù)緊力、螺栓本身應(yīng)力及缸體的應(yīng)力情況進(jìn)行校核，給定合適的緊固力矩。所以當(dāng)墊密封結(jié)構(gòu)整改為O形圈密封結(jié)構(gòu)時，閥孔螺栓的預(yù)緊力應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)計算，安裝時也應(yīng)嚴(yán)格按照要求的緊固力矩緊固，防止預(yù)緊力過大導(dǎo)致缸體破壞。

此次產(chǎn)生裂紋的氣缸每個閥孔有8個螺栓，螺栓規(guī)格為M27，對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)緊固力矩為520Nm。通過力矩扳手，測得該缸體實(shí)際施加的緊固力矩高達(dá)1000Nm。在此種情況下，我們進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果顯示缸體產(chǎn)生裂紋處的應(yīng)力為157MPa。該缸體材料為合金鑄鐵，附鑄試棒的抗拉強(qiáng)度為210MPa，缸體本體預(yù)期抗拉強(qiáng)度為195MPa。與缸體本體預(yù)期抗拉強(qiáng)度相比，在1000Nm緊固力矩下的安全系數(shù)僅為1.24。應(yīng)力分析情況見圖4。缸體裂紋位置與缸體有限元分析中應(yīng)力最大位置相同。

2 結(jié)語

通過以上分析可知，缸體在1000Nm緊固力矩時安全系數(shù)僅為1.24，一般經(jīng)過有限元分析的合金鑄鐵氣缸的安全系數(shù)應(yīng)不低于2.7～3.3。本缸體安全系數(shù)過低，裂紋從螺栓孔應(yīng)力集中處產(chǎn)生，最終擴(kuò)展至缸體閥腔內(nèi)部。由此可見，此次氣缸閥孔產(chǎn)生裂紋的根本原因，就是實(shí)際緊固力矩過大導(dǎo)致。氣缸閥孔密封形式整改之后，用戶的操作人員對閥孔受力情況的改變沒有認(rèn)知。在閥孔螺栓緊固時仍然按以往的緊固經(jīng)驗(yàn)緊固，導(dǎo)致實(shí)際施加的緊固力矩過大，引起氣缸破壞。

3 建議

氣缸做為承壓件，其強(qiáng)度指標(biāo)直接關(guān)系著壓縮機(jī)組現(xiàn)場運(yùn)行的安全。氣缸的各個位置、缸體上各零件的強(qiáng)度校核尤為重要，尤其是缸體、缸蓋、缸座、閥孔蓋、壓閥罩、閥孔螺栓、缸蓋螺栓、缸座螺栓等。對于螺栓因結(jié)構(gòu)簡單其強(qiáng)度校核一般采用理論計算公式，對于缸體、缸蓋、缸座、壓閥罩等一般采用有限元分析的方法。在每個氣缸的設(shè)計過程中以上提到的計算都是必不可少的。壓縮機(jī)出廠后，若需要對以上部位進(jìn)行整改時，首先需進(jìn)行有效的分析計算做為整改可行性的理論支撐，在強(qiáng)度滿足的情況下再進(jìn)行整改，涉及到螺栓力矩的整改，需重新復(fù)核出適合的緊固力矩，在安裝緊固時，一定要嚴(yán)格按照重新核算的緊固力矩進(jìn)行緊固。因以上提到的計算和分析專業(yè)性較強(qiáng)，建議用戶在整改前詢求專業(yè)壓縮機(jī)廠家的幫助，由壓縮機(jī)廠家協(xié)助進(jìn)行分析計算，確保整改的安全性。

參考文獻(xiàn)

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