CFA34空压机三级进气阀损坏故障分析及改进

袁宗泽，聂 方，王福维，邓 斌

（中国空气动力研究与发展中心技术勤务站，四川绵阳 621000）

CFA34空压机三级进气阀损坏故障分析及改进

袁宗泽，聂 方，王福维，邓 斌

（中国空气动力研究与发展中心技术勤务站，四川绵阳 621000）

针对CFA34空压机三级进气阀频繁出现阀座断裂、阀片破裂及密封面磨损等故障，分别从阀片材料、气阀流通性、弹簧载荷3要素进行分析，设计新型气阀，采用新型PEEK非金属材料，改进密封面设计，优化弹簧性能。实验证明，新气阀改善了机组性能，设备故障率、生产和维护成本降低。

空压机；进气阀；PEEK材料；流通性能；弹簧载荷

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.33

0 引言

高压空气站5套美国卡麦隆（CAMERON）CFA34型活塞式空压机组，前级经阿特拉斯GR200W-20型螺杆机增压至1.9 MPa，四级压缩，流量45 m3/min，排气压力32 MPa，2012年7月陆续投入运行。空压机所用气阀均为进口贺尔碧格气阀，自投运以来三级进气阀的使用寿命平均仅有数十台时，损坏频率较高，出现了阀座损坏、阀杆断裂、阀片径向断裂等问题，增加了保运维护工作的复杂性。

1 CFA34型空压机简介

1.1 技术参数

CFA34型空压机为四列对称平衡式结构（图1），主要技术参数：排气量（入口状态）45 m3/min；气缸分布，1列（螺杆1 3/4级，3英寸/1.5英寸），2列（螺杆2 2级，3.875英寸），3列（螺杆3 3/4级，3英寸/1.5英寸），4列（螺杆4 1级，5.125英寸）1级吸气压力1.9 MPa；各级排气压力3.9/8.6/21/32 MPa；各级排气温度142/140/ 148/92℃；电机10 kV，355 kW，1490 r/min。

图1 CFA34压缩机机身结构

1.2 空压机气阀

气阀是压缩机的重要部件，作用是控制气体及时吸入与排出气缸[1]。气阀分为进气阀、排气阀及组合阀，一般由阀座、阀片、中心螺栓、弹簧片及升程限位器等组成。阀座上有可以被阀片覆盖的气流通道，可以与阀片共同闭锁进气通道；阀片根据两侧压力差自动交替开启关闭阀座通道；弹簧在关闭时推动阀片落向阀座，开启时抑制阀片撞击限位升程器[2]。活塞每往复运动1次，吸气阀、排气阀各开闭1次，从而控制活塞机完成吸气、压缩、排气等工作过程。

气阀中任何一个零件的损伤均会影响其性能。研究实践表明：①在高压、高温、高频下使用，气阀阀片与阀座撞击压力及颤振应力，极易造成阀片断裂；②阀座与阀片的密封面磨损造成气阀漏气，影响机组压缩气体温度；③气阀的弹簧力直接影响阀片的运动规律和气阀的能量损失，弹簧力的过大过小都会影响阀片的寿命[3]。文献总结，影响气阀可靠性的因素主要有3个，气阀材料、气阀流通性、阀片及弹簧载荷[4]。

2 故障原因分析

三级进气阀（52RLX型）为金属网状阀，运维中因三级进气阀导致机组报警或停机的故障主要有阀片碎裂、密封面磨损、中心螺栓破损及阀座损坏等（图2）。可分别从气阀材料、气阀流通性、阀片及弹簧载荷对气阀进行分析及计算。

图2 三级进气阀常见故障

2.1 材料方面

52RLX型阀阀片为金属钢片，为平面密封形式。钢制阀片有2个明显缺点：①对杂质敏感，采用平面密封形式时极易造成小颗粒卡在密封面导致密封不严而窜气，甚至撞击碎裂；②金属阀片与金属阀座之间冲击频繁，易造成损坏。阀座与中心螺栓为固定连接，阀片开启时，弹簧运动受到升程限位器的限制，中心螺栓与阀座连接处承受作用力较大，长期运行易造成疲劳损坏。三级气缸为有油润滑方式，运行中润滑油附着于阀片和阀座表面、产生粘滞力，平面密封的形式又进一步加大了粘滞力。当阀片开启吸气时，阀片必须克服润滑油的粘滞力，导致开启延迟，影响进气量。此外，阀片与阀座均为金属材料，在高转速下两者频繁冲击极易造成疲劳碎裂。

2.2 流通性方面

通过贺尔碧格气阀专业气阀设计软件ITKK对52RLX进行测算，得到部分气动数据：Pfo/Pfc，0.51/0.19；弹簧承载T90，1.5；固有频率281.8 Hz；q值4.71；压力损失率4.74%；功率损失率1.52%；压力损失208 kPa；dpmax=4.29；ΔT=3.01；其中q为气阀阀损综合因子。据此得出阀有效流通面积2.62 cm2，压力损失208 kPa，损失率4.74%，耐冲击速度2.5 m/s。压缩机中气体通过气阀时有消耗，损失的功率约为每一级功率的5%～20%，因此在设计时应尽减少阀损失，以提高经济效益。根据气阀设计标准，压力损失应控制在3%～5%。

2.3 弹簧载荷方面

通过ITKK对弹簧进行动态模拟仿真（图3），发现在180°曲柄转角时弹簧尚未关闭，即存在明显延迟现象。延迟关闭会导致在阀片尚未到达阀座密封面时，后面就有高压气体直接推动阀片以更高的速度撞向阀座，撞击力增加，阀片更易断裂。此外，金属阀片的撞击速度超出其允许值的70%。据此分析，52RLX弹簧存在延迟关闭问题，导致气阀阀片撞击速度大幅升高，造成阀片碎裂及阀座损坏。

图3 改进前气阀弹簧动态模拟图

3 改进措施

分别对阀片材料、阀型及弹簧进行重新选型及设计，开发出新型非金属环状碱级进气阀（CPS阀）。

3.1 改变阀片材料

针对金属阀片易损坏及易密封不严的缺点，选用非金属材料-增强型聚醚醚酮（Power PEEK），热变形温度250～300℃、柔韧性好、对交变应力的优良耐疲劳性可与合金媲美[6]。同时，该材料热膨胀系数低、不易变形、密封性好且稳定性高。由于PEEK材料密度、弹性模量比金属小，可用接触应力公式（1）计算[5]。

式中σ——接触应力

v——撞击速度

E——弹性模量

ρ——撞击物密度

增强型PEEK阀片与阀座、升程限位器接触应力小。据贺尔碧格提供的阀片耐冲击性试验结果，增强型PEEK和常规PEEK的耐冲击速度分别为10 m/s和4 m/s，金属阀片的耐冲击速度仅2.5 m/s。可见，改进后阀片的耐冲击性为改进前的4倍。

3.2 阀型优化

新型CPS阀的阀座及阀片采用斜面槽道设计，阀型采用整体阀环结构，同时采用非金属阀片和非金属缓冲片的双缓冲结构。新型CPS阀有3个优势：①与平面密封相比，斜面槽道设计可增强密封性并提高气流流通性能，降低压力损失（图4）；②气阀整体阀环结构型式，既摒弃了传统阀片流道非优化结构，同时避免了单独阀环结构的各个环间开启与关闭不同步问题；③非金属材料的阀片及缓冲片，可大大降低阀片的撞击速度和粘滞力，减少阀片脱离阀座及阀盖时的冲击力，双缓冲设计可减少和避免阀片与阀座的不平行撞击[4]。

通过模拟计算，改进前后气阀的流通面积对比见图5。由图 5可知，新型CPS阀的有效流通面积提高。通过ITKK软件，测算出改进前52RLX型阀与改进后CPS阀的关键数据（表1）。

图4 阀片型面密封形式

图5 改进前后流通面积曲线

表1 改进前后气阀参数对比

3.3 弹簧载荷优化

针对弹簧的延迟关闭问题，对弹簧力进行重新设计，改进后的动态模拟见图6。从图6可知，改进后气阀不存在延迟关闭现象，因阀片未到达阀座密封面时被高压气体强制推动冲击阀座的概率降低、撞击力减小，也降低了阀片断裂的概率。

4 实验对比

针对CFA34空气机开展开机运行实验（其他任何硬件及工况不变），观测二级排气压力与排气温度情况和三级进气阀寿命情况，得到图7、图8的实验结果。

从图7可看出，二级排气压力较改造前下降了5.2%，压力超压现象得到有效缓解，设备连续运行的稳定性提高，证明三级排气阀密封性能有所提升。从图8可知，改进后气阀的使用寿命大幅提高，设备故障率和维护成本降低。

图6 改进后弹簧动态模拟图

图7 改进前后二级排气压力对比

5 结束语

图8 改进前后三级进气阀使用寿命对比

针对CFA34空压机三级进气阀故障率高的问题，通过理论分析及数值计算，从采用新型PEEK材料、更换密封形式、优化弹簧性能等方面对气阀进行改进和设计，提高了气阀的使用寿命，有效缓解了二级排气压力超压问题，生产成本降低。由于系统内的高含油量、碳钢管道有锈渣等原因，气阀寿命短于常规转速往复活塞空压机的寿命，因此提高气阀寿命是未来的研究方向。

［1］曾宪山.气阀在活塞压缩机上的应用［J］.技术与市场，2011，18（7）：81.

［2］林梅，吴业正，吴丹青.压缩机环状阀原理［M］.北京：化学工业出版社，1982.

［3］王德忠，邢万坤.活塞压缩机气阀损坏原因分析［J］.压缩机技术，2008（5）：40-43.

［4］贺运初，孙属恺，潘树林.气阀对往复压缩机主要性能的影响分析［J］.压缩机技术，2010（6）：5-7.

［5］贺运初，潘树林，邹鹤.阀片材料为聚醚醚酮的压缩机气阀设计与应用［J］.压缩机技术，2011（3）：21-24.

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〔编辑 吴建卿〕