影响隔膜压缩机膜片寿命的主要因素

路伟 王晓龙 丛雨飞 安俊霖

摘 要：本文介绍了隔膜压缩机的工作原理、影响膜片寿命的主要因素、延长膜片寿命的具体措施。

关键词：隔膜压缩机;工作原理;膜片;寿命;因素

中图分类号：TH45 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0093-02

1 概述

隔膜压缩机具有特设的膜片组和液压油系统，通过一组膜片将膜腔分隔为气体压缩腔和液压油腔。膜片在液压油推力的作用下完成膨胀、吸气、压缩、排气的循环过程。

由于气体压缩腔不需要润滑，密封性很好，压缩介质不与任何润滑剂接触，所以压缩介质不受任何污染，特别适用于压缩稀有气体、有毒有害气体、腐蚀性强、易燃、易爆气体、放射性气体等;隔膜压缩机气缸散热良好，压缩过程可接近等温，单级压缩比可达20：1（在特定情况下，压缩比可能高达100：1），工业应用中经过多级压缩，压力可从常压提升到300MPa。因此，隔膜压缩机广泛应用于食品工业、冶金、汽车工业、芯片制造、石油化工、工业气体灌装、加氢站、核电站以及科学研究等领域。但是，由于膜片的变形量有限，处理气量较小，单机指示功通常不超过220kW。

2 工作原理

隔膜压缩机膜头的结构。此时活塞处于上止点，膜片在液压油压力的作用下紧贴缸盖穹形表面。当活塞自上止点下行时，膜片跟随液压油向平衡位置运动，气腔容积逐渐增大，残留在余隙容积内的气体也随之膨胀，气腔内压力逐渐降低，当压力低于外部压力时，开始进气;活塞继续下行并最终到达下止点，膜片则通过平衡位置到达下侧极限位置，进气结束;接着活塞上行并通过液压油推动膜片压缩气体，气腔内压力逐渐上升，当气腔压力达到排气压力时，开始排气;最后膜片重新紧贴缸盖穹形表面，排气结束，膜腔内完成一个工作循环。

3 影响膜片寿命的主要因素

膜片寿命决定隔膜压缩机长周期运行的可靠性，可靠的膜片能有效的减少设备的检维修成本，保证装置开工率。影响隔膜压缩机膜片寿命的主要因素如下：

3.1 膜腔型面

膜腔型面要求使膜片在尽可能大的挠度下必须具有较小的、分布合理的内应力，膜片最佳的运动状态是在等应力下工作。目前广泛使用的膜腔型面曲线为单指数膜腔型面曲线，该型面曲线在膜片中央处和周边的应力接近，但是当叠加排气阀孔局部应力后，中间应力大于其他部位的应力，使膜片在中间部位提前破坏;某些制造厂为了尽可能的缩小膜腔直径，在保证膜腔容积不变的前提下只有增大膜片的最大挠度，从而导致膜片的周边应力高于其他部位，使膜片易在周边位置损坏。

为改善膜片的应力状态，西安交通大学相继提出了二指数膜腔型面曲线和三指数膜腔型面曲线。这两种膜腔型面曲线使得膜片径向应力最大值从膜片中心位置向外转移，解决了单指数膜腔型面曲线下膜片径向应力最大值与排气阀孔局部应力相互叠加的问题，在其他条件一致的情况下有效的提高了膜腔容积。但是这两种型面曲线并未完全建立膜片等应力工作环境，且膜片寿命的提升缺乏实践数据，仅为实验室研究成果，并未得到推广使用。进年来国外某些厂家提出双圆弧型面曲线，在型面轮廓上各点的应力值完全一致。

3.2 膜头的紧固力矩

通过降低密封面的粗糙度（粗糙度≤Ra0.4）或设置O型圈密封，降低膜头的紧固力矩，减小膜片预紧附加应力，提高膜片寿命。

3.3 材料

膜片材料应具有较高的弹性极限和疲劳极限。压缩常规介质时可选择301SS、00Cr15Ni5等材料;当压缩腐蚀性介质时气侧膜片可选用316SS、Monel、Hastelloy、高强度非金属聚合物等耐腐蚀材料。为提高膜片的疲劳强度，金属膜片可在热处理后进行深冷处理。

3.4 膜片表面粗糙度

膜片表面的粗糙度不仅影响压缩机密封的可靠性，还会引起应力集中，极大的影响膜片的应力分布。因此，膜片在使用前需进行热定型和抛光处理，使表面平整、无残渣、粗糙度≤Ra0.4。

3.5 气体介质和液压油清洁度

任何的微小颗粒参杂在气体或液压油中进入膜腔，将会集结在膜腔边缘，导致膜片变形时应力增加且不均匀;较大硬质颗粒通常会在膜片贴紧缸盖或配油盘时，在膜片表面撞击出小坑，形成早期裂纹源，膜片在较大应力或有裂纹存在的情况下会提前损坏。

为保证进入膜腔的介质和液压油清洁度。隔膜压缩机不仅要求按JB/T6905-2004《隔膜压缩机》标准的相关规定进行清洁度测量;还需在压缩机入口配置5μm进气过滤器、补油泵入口加装10μm的滤油器，机组投入运行前所有气管线进行彻底的吹扫;润滑油管线采用不锈钢材质并进行酸洗钝化处理。

3.6 膜片厚度

材料的厚度也会影响膜片应力，膜片的厚度与应力成反比。通常钢制膜片的厚度一般在0.3～0.5mm之间，过厚的膜片，其正应力将增加。为增加膜片工作的可靠性，可采用多層膜片（带泄漏检测系统的隔膜压缩机膜片组为三层结构）。当膜片厚度小于0.25mm时，材料将很难处理，而且易变形和断裂。

3.7 摩擦腐蚀

摩擦腐蚀是在某些摩擦条件下，由配合表面之间相对微小运行引起的一种化学反应。当两块金属彼此发生相对运动时，首先出现粘附磨损，这时金属表面的粒子被磨掉并与周围介质反应生成氧化物、氨化物或其它化合物。由于这些粒子硬度高，加剧了材料磨损，于是又出现新的摩擦腐蚀。在摩擦腐蚀过程中，腐蚀过程总是次要因素，但在附加腐蚀作用的情况下，材料更易出现疲劳断裂。摩擦腐蚀的程度主要是由彼此接触的一对物体材料的热处理方式、表面加工情况以及腐蚀介质的腐蚀性决定的。

为防止膜片间的摩擦腐蚀，可增加膜片间的润滑。PPI压缩机中间膜片衬有TEFLON涂层;PDC压缩机中间膜片由黄铜制成;若采用同种材料的膜片组，则在安装时，相互之间的表面上应涂抹油层。

3.8 温度

过高的排气温度会降低膜片材料的许用应力值，高温还将使膜片产生额外的热应力。当压缩安全介质时，排气温度需按JB/T6905-2004《隔膜压缩机》的规定要求不超过160℃，其他介质需根据介质的具体属性设定排气温度的限值。除了限制压缩机的排气温度，缸盖、缸体及油缸应通水冷却，降低膜头温度，延长膜片的使用寿命。

3.9 调压阀开启压力

调压阀的作用是控制膜头排油压力。其設定压力比该级排气压力高5～20%，高压级应取小值。增加的压力保证每个循环终了膜片紧贴缸盖的穹形表面，这样可最大限度地保证压缩机的容积效率。

过高的膜头排油压力不仅增加了压缩机的能耗，而且还会在进、排气口引起过量的局部应力，局部应力可按式1计算，阀孔处膜片的变形如图2所示;调压阀开启压力设定过低时则会造成排气不彻底或拍缸现象，调压阀开启压力设定过高或过低都不利于压缩机的稳定运行和提高膜片的寿命，因此根据压缩机的不同工况，设定合理的调压阀开启压力至关重要。

4 结语

目前，沈阳远大压缩机有限公司已独立研发出拥有自主知识产权的隔膜压缩机热动力计算选型程序、膜腔曲线计算程序、曲线坐标计算程序和管路脉动分析程序。整机含全自动PLC控制系统，提供可靠和完善的监控及故障保护功能，可以实现长期无人值守运行;易损件实施标准化、系列化、模块化设计，许多零部件在同系列之间都可以互换，具有最佳的通用性。其为空气化工（香港）有限公司生产的两台MD12-D-1287.5/20-230型氢气隔膜压缩机组在厂内满负荷延续运行72小时，各项技术参数均符合设计值，该机为平衡压缩机的受力，油缸活塞采用双作用结构，是目前世界上吨位最大的双作用隔膜压缩机，其电机功率达280kW。未来，超高压、多列、大排量将是隔膜压缩机的发展趋势。

参考文献

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