壓縮機氣缸閥孔產生裂紋原因分析

馬靜 龐巖衛

摘 要：氣缸閥孔密封形式不同，導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行改造前，應進行準確的分析計算后再行改造，并應嚴格按照要求的緊固力矩緊固，避免氣缸閥腔因受力過大，導致裂紋失效。

關鍵詞：往復壓縮機;氣缸;O形圈密封;缸體有限元分析

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

0 概述

我公司為某用戶生產的2D16型氣體壓縮機，在一次檢修回裝時，對各級氣缸的承壓腔進行氣密試驗，發現一級氣缸閥孔蓋螺栓處漏氣。拆卸閥孔蓋后，經查看，在各別螺紋孔處發現肉眼可見的裂紋。當得知此情況后，我公司第一時間派出售后和技術人員到達用戶現場。經過對現場的勘察、詢問及計算分析，找出了閥孔產生裂紋的原因。

1 原因分析

首先對缸體進行了拆解，對閥孔處清洗后進行著色探傷，在各別螺紋孔處發現裂紋，裂紋貫穿至氣缸內部，導致氣缸漏氣。該氣缸共有8個閥孔，每個閥孔都有裂紋產生。經對比，發現裂紋的位置比較有規律。裂紋情況見圖1。

另外，我公司技術人員發現缸體上閥孔處結構與閥孔蓋的結構存在異樣。缸體閥孔處結構為墊密封結構，而閥孔蓋的結構為O形圈密封結構，與我公司常規設計不一致。常規這兩種密封結構不會同時出現在一個氣缸部件上。經詢問現場工作人員及查找我公司對已售出產品的后期調查記錄，了解到該壓縮機的氣缸在此次檢修時，業主對閥孔密封結構進行了改造，將原來的墊密封結構改為O形圈密封結構。

現對兩種密封結構進行對比說明：

閥孔墊密封結構，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，螺栓的規格是根據閥腔內的密封壓力和閥孔蓋的密封面積計算而選取，當壓力高時往往需要更大規格或更多數量的螺栓來提供足夠的預緊力達到有效的密封，預緊力是通過力矩扳手預緊到給定的緊固力矩來控制的。對于此種結構，氣閥的固定是通過閥孔上的頂絲螺栓來實現的，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，頂絲螺栓的規格是根據氣閥兩側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緊到給定的緊固力矩來控制頂絲的預緊力。

閥孔O形圈密封結構，如圖3所示，在閥孔蓋上設有徑向密封的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，實現雙重密封作用。

兩種結構相比之下，墊密封結構相對復雜，多出一套頂絲，且操作繁瑣、漏點多，工作過程中頂絲處常發生泄漏。而O形圈密封結構相對簡單、操作簡潔、無多余漏點，工作過程中密封效果優于墊密封結構。目前我公司氣缸閥孔已全部采用O形圈密封結構。經過多年的運行經驗，大多數國、內外壓縮機廠商，也都將閥孔改為O形圈密封結構。此次產生裂紋的氣缸是我公司2008年的產品，那個時期出廠的產品仍采用墊密封結構。閥孔螺栓的數量和規格是按墊密封結構選取的。

對兩種結構的受力情況進行比較，兩種結構傳遞到缸體上的力是不同的。墊密封結構，當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生拉力。O形圈密封結構，當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構，缸體閥腔所受的拉力一種是來自頂絲的預緊力，一種是來自閥孔螺栓的預緊力，而閥孔螺栓的預緊力必然要大于頂絲的預緊力。每一個氣缸在設計時，不管是哪種密封結構，設計師都會對閥孔螺栓的預緊力、螺栓本身應力及缸體的應力情況進行校核，給定合適的緊固力矩。所以當墊密封結構整改為O形圈密封結構時，閥孔螺栓的預緊力應進行詳細計算，安裝時也應嚴格按照要求的緊固力矩緊固，防止預緊力過大導致缸體破壞。

此次產生裂紋的氣缸每個閥孔有8個螺栓，螺栓規格為M27，對應標準緊固力矩為520Nm。通過力矩扳手，測得該缸體實際施加的緊固力矩高達1000Nm。在此種情況下，我們進行了有限元分析，結果顯示缸體產生裂紋處的應力為157MPa。該缸體材料為合金鑄鐵，附鑄試棒的抗拉強度為210MPa，缸體本體預期抗拉強度為195MPa。與缸體本體預期抗拉強度相比，在1000Nm緊固力矩下的安全系數僅為1.24。應力分析情況見圖4。缸體裂紋位置與缸體有限元分析中應力最大位置相同。

2 結語

通過以上分析可知，缸體在1000Nm緊固力矩時安全系數僅為1.24，一般經過有限元分析的合金鑄鐵氣缸的安全系數應不低于2.7～3.3。本缸體安全系數過低，裂紋從螺栓孔應力集中處產生，最終擴展至缸體閥腔內部。由此可見，此次氣缸閥孔產生裂紋的根本原因，就是實際緊固力矩過大導致。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知。在閥孔螺栓緊固時仍然按以往的緊固經驗緊固，導致實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，其強度指標直接關系著壓縮機組現場運行的安全。氣缸的各個位置、缸體上各零件的強度校核尤為重要，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。對于螺栓因結構簡單其強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。在每個氣缸的設計過程中以上提到的計算都是必不可少的。壓縮機出廠后，若需要對以上部位進行整改時，首先需進行有效的分析計算做為整改可行性的理論支撐，在強度滿足的情況下再進行整改，涉及到螺栓力矩的整改，需重新復核出適合的緊固力矩，在安裝緊固時，一定要嚴格按照重新核算的緊固力矩進行緊固。因以上提到的計算和分析專業性較強，建議用戶在整改前詢求專業壓縮機廠家的幫助，由壓縮機廠家協助進行分析計算，確保整改的安全性。

參考文獻

[1] 郁永章.容積式壓縮機技術手冊.北京：機械工業出版社，2000.

[2] 《活塞式壓縮機設計》編寫組.活塞式壓縮機設計[M].北京：機械工業出版社，1974.