膜压机膜片系统泄漏原因及国产化探究

冯君宏

作者通联:液化空气（天津）有限公司 天津市河西区中铁十八局家属楼23-3-602 300222

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一、膜压机出现的问题

一台BURTON CORBLIN公司生产的 D123LG6.3-25型膜片式压缩机（以下简称膜压机）。1997年投用，设计压缩量为100 m3/h。2004年因生产量加大，膜压机的压缩量不够，重新购置一台压缩量为150m3/h的D164LG 6.3-25型的膜压机作为备机使用，由于使用频率很低，其间一直没有大修过。2008年公司业务扩大，新建了一个气体充装站，D123LG6.3-25型的膜压机又重新安装到新气站使用，由于该机已使用多年，经常出现O形圈漏气报警问题，更换原装进口O形圈和膜片后，依然出现漏气报警现象。这台压缩机及备件全部采用法国原装进口，维修安装都严格按照随机说明书操作，依然解决不了漏气报警问题。

分析原因主要有两个，一是进口O形圈库存时间过长（已超过6年），橡胶老化，性能降低。二是机器运行时间过长，且维修保养次数太少，气缸盖和缸体精加工的曲面及O形圈的安装沟槽可能出现轻微划痕，原先的密封圈尺寸已经不能满足现在的要求，有必要将其O形圈和膜片国产化。

二、O形圈膜片系统泄漏原因分析

1.膜压机压缩腔工作原理

膜式压缩机的电机通过皮带带动飞轮，驱动曲轴连杆机构，将旋转运动转换为活塞的往复运动。活塞驱动液压油，经活塞缸套后，再经配油盘，将液压油的压力均匀地传递至膜片，使膜片在压缩腔内往复弯曲振动来压缩和输送介质气体（公司介质为氢气）。

压缩腔由气缸盖、膜片和缸体组成。气缸盖与缸体上各有一精加工的曲面，膜片安装在气缸盖和缸体中间，分别形成了两个空腔，位于缸盖一侧的空腔是气腔，位于缸体一侧是油腔。缸体上布有环形油槽，俗称配油盘。配油盘使得油缸内油压均匀地传给膜片。隔膜在油压的驱动下在气缸中往复振动，从而达到提高介质气体压力的目的。金属膜片把气腔和油腔隔离开来，膜片自身来回往复弯曲振动，起到压缩气体的作用。由于气体压缩过程不存在相对磨擦，因而无需在气缸中加任何润滑剂。这样在整个压缩过程中，被压缩的气体只和膜片发生接触，能够有效地避免被液压油污染，从而保证了压缩介质的纯净。由于膜片压缩机具有良好的安全性和密封性，特别适用于压缩和输送有毒气体、易燃易爆气体、强腐蚀性气体、高纯气体、稀有气体等介质。常见的膜压机通常为单级膜压机和两级膜压机，公司所用的压缩机为两级压缩，第一级最高排气压力6.3MPa，最高排气温度90℃，第二级最高排气压力25MPa，最高排气温度130℃。

2.机器中O形密封圈的服役条件及密封作用

机器的压缩腔剖面结构如图1所示，在缸盖和缸体之间夹有三片膜片，靠油侧的膜片由一条O形密封圈密封，靠近气侧的膜片由两条O形密封圈密封。

图1 膜压机O形圈膜片系统压缩腔剖面图

3.O形圈膜片系统泄漏原因

O形圈用于密封液压油和介质气体，如果膜压机工作时间过长、负荷过大或者缸体冷却系统效果不好以及O形圈安装不符合技术要求就很容易引起O形圈破损和失效。一旦气侧或油侧O形圈破损，气体或油通过O形圈破损处进入膜片中间层，会引起中间层压力上升，触动压力开关将驱动马达关闭。如果探测系统失灵，进入膜片中间层的油不断积累后，会将隔膜打穿，引起压缩机故障并且污染产品。

三、O形密封圈国产化

测量原装进口O形圈尺寸，将压缩机一二级缸盖打开，测定O形圈安装沟槽尺寸，然后确定O形圈的材料。查阅随机说明书，得知原装O形圈的材料是丁腈橡胶。化验用过的旧原装O形圈，分析结果也显示其材料主要成分为丁腈橡胶，按照原装进口O形圈的尺寸制造出仿制的O形圈。将仿制的O形圈用于膜压机上，发现同样的尺寸、材料，仿制的O形圈使用很短时间就发生漏气报警，不能满足使用要求。怀疑国外原件材料中加入了能够改变材料性质的添加剂，无法得知。同时，在测定O形圈安装沟槽的槽深和槽宽时，发现O形圈安装沟槽有轻微划痕。要想提高仿制O形圈的密封性能，尝试了三种方案：改变O形圈的几何尺寸、更改制造O形圈的材料及加大缸盖紧固螺栓的扭矩。

改变仿制O形圈的几何尺寸后，效果有所改善，但还是不够理想。于是尝试更换材料和加大缸盖紧固螺栓的扭矩。将丁腈橡胶更换为耐热、耐腐蚀和耐老化性更佳的氟橡胶。安装时将螺栓扭矩由说明书规定的一级1000N·m，二级1300N·m加大到一级1150N·m，二级1450N·m。这次密封效果很好，基本上能达到生产要求。

O形圈国产化后大大缩减采购成本和供货周期，原装的O形圈约1500元一个，供货期25周。国产化的O形圈80元，供货期三天。

四、膜片失效原因分析及国产化

（1）固定缸盖的螺栓强度不够或没有达到要求的拧紧扭矩，造成缸盖和缸体的曲面不能保持设计的精度，造成膜片压缩介质时实际运动路径和设计有偏差，导致膜片在工作过程中泄漏甚至产生裂纹。

（2）吸排气阀损坏或吸排气阀盖紧力不当。每次在更换O形圈和膜片时，都需要检查吸排气阀并且需要将其拆卸，检查弹簧、密封面、清洗阀座等，检查完后需要重新组装气阀。重装时为防止泄漏，需要将阀盖紧固牢靠。如果紧固力度太小，就会压不紧阀盖而使气阀密封效果不良，导致气阀漏气，进而造成介质中的杂质颗粒进入膜片系统而膜片损坏。如果紧固力度太大，又容易使气阀内部弹簧变形，导致气阀不能完全打开或开启时间延迟，而气体压缩过程中又伴随着高压和高温，很容易导致气阀附近形成应力集中而使膜片损坏。

（3）油路工作压力过高。由于膜压机是通过活塞往复推动液压油来迫使膜片在腔体内来回弯曲而压缩气体的，如果油路堵塞或油止回阀、溢流阀、调压阀等失效，就会导致工作油压过高，影响膜片正常工作，甚至造成膜片破裂。

（4）气体介质存在固体颗粒。如果管道或介质中有杂质或气体过滤器太脏，就会导致杂质颗粒进入O形圈膜片系统，随着气体压缩的高压冲击膜片，很可能导致膜片在某一点上应力集中而损坏。

（5）膜片质量不良或安装过程中出现问题。隔膜压缩机膜片的往复运动直接对介质气体做功，达到压缩和输送介质的目的。膜片材料应该具有较高的弹性极限和疲劳极限，并有较长的使用寿命，但如果安装或操作不当，就会引起膜片系统泄漏或膜片提前损坏。膜压机用的是金属膜片，三块膜片做成“三明治”式的夹层结构。每块膜片的直径相同，厚度约0.5mm。油压侧膜片与气压侧膜片形式一样，都具有平整平面，中间侧膜片开有泄漏通道，目的是气体或液压油有泄漏时可以被探测到。如果膜片的直径厚度比选择不当，膜片所受载荷超过其允许承载能力，就会导致膜片过早损坏。再者，膜片材料选择不当，无法适应疲劳载荷所要求的机械性能，也会导致膜片过早损坏。另外，在库房长期存储过程中或在安装过程中不小心造成膜片局部缺陷，比如被尖锐物压出的小凹陷，划出的划痕或局部腐蚀，也是导致膜片过早损坏的重要原因。

受公司自身技术条件所限，无能力独立国产化膜片，提供膜片尺寸及技术要求，选择北京京城环保产业发展有限责任公司合作，由京城环保公司提供材料和制作工艺。仿制好的膜片投用后，可以满足要求，但还是和原装膜片有差距。原装膜片可以用4～6个月，仿制膜片只能用两个月。原装膜片拆卸后，通过清洗脱脂，可以再次使用，仿制膜片只要拆卸、清洗、脱脂后再次安装，用不了多久就会出现漏气报警。但仿制的膜片优点还是很多的，比如成本低，供货期短。