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的膜片組和液壓油系統，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、排氣的循環過程。

由于氣體壓縮腔不需要潤滑，密封性很好，壓縮介質不與任何潤滑劑接觸，所以壓縮介質不受任何污染，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），工業應用中經過多級壓縮，壓力可從常壓提升到300MPa。因此，隔膜壓縮機廣泛應用于食品工業、冶金、汽車工業、芯片制造、石油化工、工業氣體灌裝、加氫站、核電站以及科學研究等領域。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構。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，殘留在余隙容積內的氣體也隨之膨脹，氣腔內壓力逐漸降低，當壓力低于外部壓力時，開始進氣;活塞繼續下行并最終到達下止點，膜片則通過平衡位置到達下側極限位置，進氣結束;接著活塞上行并通過液壓油推動膜片壓縮氣體，氣腔內壓力逐漸上升，當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，排氣結束，膜腔內完成一個工作循環。

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、分布合理的內應力，膜片最佳的運動狀態是在等應力下工作。目前廣泛使用的膜腔型面曲線為單指數膜腔型面曲線，該型面曲線在膜片中央處和周邊的應力接近，但是當疊加排氣閥孔局部應力后，中間應力大于其他部位的應力，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，從而導致膜片的周邊應力高于其他部位，使膜片易在周邊位置損壞。

為改善膜片的應力狀態，西安交通大學相繼提出了二指數膜腔型面曲線和三指數膜腔型面曲線。這兩種膜腔型面曲線使得膜片徑向應力最大值從膜片中心位置向外轉移，解決了單指數膜腔型面曲線下膜片徑向應力最大值與排氣閥孔局部應力相互疊加的問題，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力工作環境，且膜片壽命的提升缺乏實踐數據，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）或設置O型圈密封，降低膜頭的緊固力矩，減小膜片預緊附加應力，提高膜片壽命。

3.3 材料

膜片材料應具有較高的彈性極限和疲勞極限。壓縮常規介質時可選擇301SS、00Cr15Ni5等材料;當壓縮腐蝕性介質時氣側膜片可選用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，還會引起應力集中，極大的影響膜片的應力分布。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，將會集結在膜腔邊緣，導致膜片變形時應力增加且不均勻;較大硬質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》標準的相關規定進行清潔度測量;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力，膜片的厚度與應力成反比。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（帶泄漏檢測系統的隔膜壓縮機膜片組為三層結構）。當膜片厚度小于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反應。當兩塊金屬彼此發生相對運動時，首先出現粘附磨損，這時金屬表面的粒子被磨掉并與周圍介質反應生成氧化物、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力值，高溫還將使膜片產生額外的熱應力。當壓縮安全介質時，排氣溫度需按JB/T6905-2004《隔膜壓縮機》的規定要求不超過160℃，其他介質需根據介質的具體屬性設定排氣溫度的限值。除了限制壓縮機的排氣溫度，缸蓋、缸體及油缸應通水冷卻，降低膜頭溫度，延長膜片的使用壽命。

3.9 調壓閥開啟壓力

調壓閥的作用是控制膜頭排油壓力。其設定壓力比該級排氣壓力高5～20%，高壓級應取小值。增加的壓力保證每個循環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力，局部應力可按式1計算，閥孔處膜片的變形如圖2所示;調壓閥開啟壓力設定過低時則會造成排氣不徹底或拍缸現象，調壓閥開啟壓力設定過高或過低都不利于壓縮機的穩定運行和提高膜片的壽命，因此根據壓縮機的不同工況，設定合理的調壓閥開啟壓力至關重要。

4 結語

目前，沈陽遠大壓縮機有限公司已獨立研發出擁有自主知識產權的隔膜壓縮機熱動力計算選型程序、膜腔曲線計算程序、曲線坐標計算程序和管路脈動分析程序。整機含全自動PLC控制系統，提供可靠和完善的監控及故障保護功能，可以實現長期無人值守運行;易損件實施標準化、系列化、模塊化設計，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）有限公司生產的兩臺MD12-D-1287.5/20-230型氫氣隔膜壓縮機組在廠內滿負荷延續運行72小時，各項技術參數均符合設計值，該機為平衡壓縮機的受力，油缸活塞采用雙作用結構，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展趨勢。

參考文獻

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