6M16-110/31.4氮氫氣活塞式壓縮機四級氣閥的改造

杭玉宏 王崇祿

(1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2. 蘭州寰球工程公司)

6M16-110/31.4氮氫氣活塞式壓縮機四級氣閥的改造

杭玉宏*1王崇祿2

(1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2. 蘭州寰球工程公司)

闡述了對某型號氮氫氣活塞式壓縮機四級氣閥設計方案的選擇過程。通過對環狀閥、網狀閥、菌狀閥和小片狀氣閥特點的對比，提出一種具有彈簧及閥片工作應力小、流量系數大、氣流阻力小、節能、噪音低以及壽命長等優點的小片狀氣閥的改造設計思路。

活塞式壓縮機 氣閥 改造

山西某化工廠的6M16-110/31.4氮氫氣活塞式壓縮機四級氣閥在使用過程中經常出現閥片、彈簧斷裂，有時甚至出現閥座斷裂的情況，使用壽命一般在兩個月左右(該機原配氣閥為環狀閥)。該化工廠先后使用網狀閥和菌狀閥進行改造，但情況均未好轉。筆者對此問題進行分析并提出解決方案。

1 基本要求

氣閥是壓縮機中最重要的部件，也是易損部件之一，其質量直接影響壓縮機的排氣量、功率消耗和運轉的可靠性。氣閥的基本要求是： 阻力損失小、壽命長、余隙容積小、關閉時具有良好的密封性，以減少氣體的泄漏量。

2 失效原因

活塞式壓縮機運轉時轉速很高，閥片在啟閉時的側傾產生的撞擊以及閥片旋轉時承受的沖擊應力、彎曲疲勞應力過大時就會使其出現裂紋或斷裂而發生損壞。經常會看到閥座密封面被閥片整個“打下去”的現象，導致氣閥對應環的升程加大而加快氣閥的損壞。閥片落在閥體上后由于撞擊產生的自振現象也加劇了閥片的損壞速度。

在環狀閥和網狀閥中，每個彈簧受力不均導致閥片對閥體和彈簧的撞擊力加大以及彈簧受到軸向的彎曲應力作用，都會加劇彈簧和閥片的損壞。

當閥片撞擊升程限制器時必然也與彈簧發生撞擊，使得彈簧在很高的變形速率下達到最大變形量，因此也就很容易損壞。事實上，大多數情況下是由于彈簧的斷裂或彈性的減小(或消失)導致并加劇了閥片的損壞。

彈簧與彈簧孔壁之間、彈簧和彈簧底座之間存在的偏磨對彈簧的使用壽命影響很大。

在環狀閥和網狀閥中，閥座氣流通道采用環形槽造成閥座強度較低而發生閥座的斷裂破壞。

3 環狀閥和網狀閥特點分析

閥片對閥座的撞擊力為[1]：

式中h——氣閥升程，m；

m——閥片與1/3彈簧質量之和；

n——壓縮機的轉速，r/min；

qa——氣流壓力速度降低值；

t——沖擊時間，s。

對公式進行分析，可以得出：

a. 環狀閥和網狀閥的閥片尺寸很大而截面尺寸較小，其質量較菌狀閥塑料閥片要大得多(尤其是氣閥外側的閥片)，所以環狀閥和網狀閥對彈簧和閥體最終的沖擊力和閥片承受的最大彎曲應力值也比菌狀閥的閥片大很多，因此采用環狀閥和網狀閥的結構是不可取的。

b. 環狀閥和網狀閥的彈簧之間受力不均勻，造成閥片不能很好地與升程限制器貼合而產生振蕩，增加了能量的總損失。

c. 升程大時，沖擊力也大。因此應盡可能地減小升程。但對改造氣閥來說，通過大幅度減小閥片質量使得其與升程的乘積大幅度減小的方法也能極大地降低沖擊力。

從以上分析來看，環狀閥和網狀閥不是最佳的選擇。

4 菌狀閥片的特點

現在使用的比較典型的菌狀閥片有兩種，如圖1a、b所示。

圖1 菌狀閥片

菌狀閥片存在著以下缺陷：

a. 菌狀閥片的直徑較大，整個菌狀閥片的厚度達20mm左右，由此決定了其質量較大，氣閥關閉會相對比較遲緩，沖擊力也比較大；

b. 圖1a形式的菌狀閥的密封面與閥片軸線呈45°或60°角，密封面磨損或損壞后不易修復；

c. 四段的使用場合下要達到要求的比較大彈簧力時只能通過增加彈簧的絲徑、減小彈簧中徑或加大彈簧的壓縮量等措施來實現。

對菌狀閥而言，如采取增加彈簧絲徑和加大彈簧的壓縮量增大彈簧力而又要實現氣閥全開時，彈簧各圈之間有一定的間隙以避免壓緊，這就必然要增加彈簧的自由高度，這對于改造氣閥來說受到升程限制器厚度的極大限制，是不可取的。而采取減小彈簧絲徑的方法必然使彈簧承受較大的剪切應力造成損壞。所以只有在提高彈簧中徑的情況下，才能提高彈簧鋼絲直徑，從而降低彈簧的最大剪切應力。

5 方案選取和改造措施

經過分析得到以下結論：

a. 為提高閥座的強度，采用每個閥片能單獨獨立運動的結構形式；

b. 采用氣墊閥的結構形式(圖2)可以緩沖閥片對氣閥的沖擊從而減小沖擊載荷；

c. 采用非金屬閥片，最好能在結構上使閥片尺寸較小以減小閥片質量，減輕閥片對閥座、升程限制器和彈簧的撞擊力，而菌狀閥的閥片尺寸仍比較大，故不采用菌狀閥的結構。

圖2 氣墊閥結構示意圖

基于以上分析，筆者開發并采用小片狀閥片(圖3)氣墊閥。

圖3 小片狀閥片

與菌狀閥片相比，小片狀閥片的優點有：

a. 小片狀閥片的質量比菌狀閥小很多，小片狀閥的升程比菌狀閥的小或相同，所以升程與質量的乘積比菌狀閥的小得多，因此，小片狀閥片的沖擊力也比菌狀閥的沖擊力小得多；

b. 由于結構尺寸較小，小片狀閥彈簧中徑和絲徑比菌狀閥的要大，而彈簧的自由高度也比菌狀閥的增加至少4mm以上，使彈簧在最大壓縮量下，各圈之間的間隙增大，改善了彈簧的受力狀況，減小了彈簧承受的最大剪切力強度；

c. 由于每個閥片單獨獨立運動不受其他閥片的影響，不會發生像環狀閥和網狀閥里的彈簧受力不均勻的現象，避免和改善了彈簧承受附加軸向彎曲應力的作用和偏磨現象，彈簧壽命大幅度提高；

d. 小片狀閥片承受的最大彎曲應力雖然比菌狀閥大但卻在其材料的強度范圍內，而且不會出現菌狀閥片在上下運動時彈簧座外側與升程限制器之間以及彈簧與閥片彈簧座孔之間的刮擦磨損現象，這種刮擦和磨損影響了閥片的及時關閉同時對閥片的壽命和彈簧的正常使用有很大的影響；

e. 從氣閥阻力來看，小片狀氣閥也比環狀閥、網狀閥和菌狀閥有很大的優勢。

氣閥相對壓力損失可以表示為[1]：

式中Cm——活塞平均速度，m/s；

fv——閥隙通流面積，m2；

F——活塞面積，m2；

g——重力加速度，m/s2；

R——氣體常數，J/(mol·K)；

T——進氣閥絕對溫度，K；

z——同時作用的氣閥數目，個；

αv——氣閥的流量系數,無量綱。

對于同一壓縮機同一級的同名側氣閥來講，F、Cm、g、z、R、T、fv均為定值，不同結構的氣閥只需要進行αv的對比。 由于菌狀閥片的尺寸比小片狀閥片的尺寸大，為同時保證閥隙通流面積和升程限制器的通流面積，在排列時其數量比小片狀閥片要少，菌狀閥片之間的間距和升程比小片狀閥片的大，其流量系數一定比小片狀閥片的小，那么它的相對壓力損失就一定比小片狀閥要大。同樣，環狀閥和網狀閥更無法與小片狀閥片氣閥相比。

除此以外, 由于閥座和升程限制器的氣流通道均采用圓柱形孔，尺寸較小，小片狀氣墊閥比環狀閥、網狀閥和菌狀閥的余積容積都有一定的降低。

6 結束語

通過對影響氣閥使用壽命因素的討論,并對比各種氣閥的特點，最終采用設計了非金屬閥片和小片狀閥片的氣墊閥結構，在φ190mm的升程限制器上共布置50個小片狀閥片，其外徑φ18mm、厚度6mm、升程3mm，彈簧中徑φ10mm、絲徑φ1.0mm、自由高度19mm，總圈數10.5圈。裝機連續運行8個月后在使用單位停車大修時拆下氣閥檢查，發現閥片、彈簧、閥座及其密封面均完好。

[1] 西安交通大學壓縮機教研室.活塞式壓縮機[M].西安：西安交通大學，1972.

*杭玉宏，男，1966年11月生，高級工程師。甘肅省蘭州市，730060。

TQ051.21

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0254-6094(2015)02-0289-03

2014-10-08，

2015-03-09)