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[摘 要]文中通过对膜片的各种理化检验数据分析，找出了膜片开裂的原因，并提出了相应的解决方案。
[关键词]隔膜压缩机 膜片 破裂
中图分类号：TQ051.210.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）36-0398-02
前言：某高压装置一台隔膜式往复压缩机多次出现隔膜破裂故障，严重影响该装置的平稳运行。该压缩机介质为氧气和乙烯混合气。由于工作介质中含有氧气，且注入量小，要求计量准确，因此在压缩机选型时采用隔膜式往复压缩机。该压缩机采用两级压缩，将1.5MPa介质升压至27MPa。在生产过程中多次发生二段膜片破裂的故障，膜片的寿命长短不一。最短使用周期仅数天。
一、隔膜压缩机工作原理简介
MKZ280-10/185-30往复式隔膜压缩机是金属膜片式压缩机，压缩机工作时，膜片的运动是由液压缸中的液體来驱动的.如图I所示膜式压缩机的工作过程实质上包括气体侧膜片压缩气体和液压油侧活塞压缩液压油两个过程组成，假设活塞位于上止点.此时膜片应处于上极限位置，即与气缸盖内表面贴近。当活塞自上止点下行时，膜片也同时向平衡位置复原.由膜片和缸盖组成的膜腔容积逐渐增大；残留在余隙中的气体完成膨胀过程后，膜腔中便开始由进气阀吸入气体，活塞继续下行到达下止点时，膜片通过平衡位置而到达下极限位置，膜腔中的吸气过程也随之结束，接着活塞再向上行，活塞通过液压油推动膜片压缩气体，当膜片气腔气体压力达到系统排气压力以上时开始排气，当膜片紧贴到缸盖内表面时，排气过程结束，膜腔完成了一个工作循环。（如图1所示）
二、破裂原因分析
1、膜片切割取样检查分析
为了找出膜片破裂的原因，我们队破裂膜片进行的切割取样。图1为破裂膜片。
由图2表面的微裂纹与标识线标示位置可以看出，该膜片的微裂纹共有三条，第一条位于膜片密封边线上，第二条位于靠近密封边线的条形灰斑上，与密封边线错开 3mm-4mm 距离，第三条位于膜片密封边线里侧附近。在第二 条微裂纹位置除了条形灰斑外，其对应密封边线外侧有一块区域表面布满划痕，应为膜片破裂后液压油冲刷造成。
图3膜片微裂纹区域切开后的拼合位置照片
图3--图6为膜片微裂纹切开后的试样形态，试样1含微裂纹1；试样2含微裂纹2；试样3和试样4含微裂纹3；试样5不含微裂纹。切开过程中发现，微裂纹1和微裂纹2为穿透性裂纹，裂纹断口表面颜色灰暗；微裂纹3为扩展阶段裂纹，未完全穿透膜片壁厚，裂纹断口表面颜色新鲜。由此可以确定，膜片微裂纹由气体侧萌生，而且微裂纹1和微裂纹2先萌生。
2、检测分析数据和结果
膜片切割取样与检查，利用体式显微镜对膜片认真观察，找出微裂纹位置，切割开膜片，切取试样，进一步观察分析。
由图7膜片试样2表面条形灰斑区域的微观形貌可以看出，该区域表面受到了腐蚀作用，而且，该区域发现较多的微裂纹。图8成分谱图表明， 膜片表面腐蚀成分除了铁的氧化物外，还含有微量的 K和Cl元素。断口附近二次微裂纹以及Cl元素存在，推测膜片开裂与Cl离子应力腐蚀有关。
3、膜片试样断口微观检测分析
将试样利用进口的扫描电镜和能谱仪观察分析试样断口微观形貌，检测断口成分。
由图9膜片试样2裂纹断口的微观形貌可以看出，断口微观表面平整，断口扩展区存在疲劳辉纹微观形态，由此可以确定膜片裂纹2为疲劳性质。图10 和图11成分谱图表明，膜片裂纹2断口靠近外表面的源区含有少量盐类和Cl元素，而断口扩展区无盐类和Cl元素。这说明膜片表面疲劳裂纹萌生初期时，由于膜片表面的条形灰斑含有Cl离子，参与了应力腐蚀联合作用，而后续疲劳裂纹扩展过程中，Cl离子未起作用。
4、膜片试样金相组织检测分析
膜片上截取试样，经过水砂纸和金相砂纸预磨、精磨、研磨和抛光，用王水溶液浸蚀，制备成金相试样，利用金相显 微镜对试样的金相组织进行观察分析。
由图12膜片金相组织中的微裂纹形貌可以看出，膜片的微裂纹平直，无树枝状分叉，属于疲劳裂纹扩展形式，不具有应力腐蚀裂纹扩展特征，由此可以确定，膜片裂纹扩展属于单一的机械疲劳。 同时对膜片试样化学成分检测分析，结果表明膜片材质成分符合其材质牌号1.4310 要求。
三、膜片开裂失效性质与原因分析
膜片材质成分和金相组织正常，因而排除材质问题造成开裂的因素。膜片裂纹断口大面积扩展区上均发现疲劳辉纹，而且断口扩展区未发现腐蚀产物，所以膜片开裂失效性质为机械疲劳。
在疲劳失效的整体寿命周期中，疲劳裂纹萌生期占了大部分时间，一般为 70%～90%，一旦裂纹产生，就可快速扩展，在较短时间内发生开裂。影响疲劳 裂纹萌生的因素很多，其中腐蚀因素作用最大，有腐蚀因素参与的腐蚀疲劳基 本没有疲劳强度极限，短时间内就会迅速产生疲劳裂纹，因而疲劳寿命很短。
在膜片断口近表面的裂纹源区发现有Cl元素，膜片材质为奥氏体不锈钢，对Cl离子应力腐蚀十分敏感，在拉应力作用下，即使没有疲劳载荷也会在膜片表面产生应力腐蚀微裂纹。因此，膜片表面很快萌生微裂纹的失效机理是应力腐蚀和疲劳联合作用。
膜片裂纹断口扩展区无Cl元素，金相组织中裂纹扩展也未出现分叉现象，说明膜片裂纹扩展过程中无应力腐蚀参与，只是单一的机械疲劳。分析膜片3 条裂纹布局位置（参见图 2）发现，裂纹2不是位于膜片应力最大的密封边线处，而是位于间隔3mm-4mm的一个较大条形灰斑处，而条形灰斑处检测出较高含量Cl元素。这说明条形灰斑处的Cl元素导致的应力腐蚀 加上疲劳应力促使微裂纹在此处优先萌生扩展，而后促进裂纹 1 以及裂纹 3 的 萌生和扩展。因此判断膜片裂纹萌生次序为：裂纹2→裂纹1→裂纹3。膜片表面裂纹2处的条形灰斑推测可能是在膜片安装过程中，技术人员不小心滴落的汗液或者是未清洗干净的污垢，导致膜片安装后在拉应力作用下发生了应力腐蚀。
四、建议措施
1. 膜片安装前清洗干净膜片表面残留物；
2. 清洗剂避免使用含卤素介质（尤其是 Cl）；
3. 膜片清洗和安装过程中，避免粘附汗液。
[关键词]隔膜压缩机 膜片 破裂
中图分类号：TQ051.210.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）36-0398-02
前言：某高压装置一台隔膜式往复压缩机多次出现隔膜破裂故障，严重影响该装置的平稳运行。该压缩机介质为氧气和乙烯混合气。由于工作介质中含有氧气，且注入量小，要求计量准确，因此在压缩机选型时采用隔膜式往复压缩机。该压缩机采用两级压缩，将1.5MPa介质升压至27MPa。在生产过程中多次发生二段膜片破裂的故障，膜片的寿命长短不一。最短使用周期仅数天。
一、隔膜压缩机工作原理简介
MKZ280-10/185-30往复式隔膜压缩机是金属膜片式压缩机，压缩机工作时，膜片的运动是由液压缸中的液體来驱动的.如图I所示膜式压缩机的工作过程实质上包括气体侧膜片压缩气体和液压油侧活塞压缩液压油两个过程组成，假设活塞位于上止点.此时膜片应处于上极限位置，即与气缸盖内表面贴近。当活塞自上止点下行时，膜片也同时向平衡位置复原.由膜片和缸盖组成的膜腔容积逐渐增大；残留在余隙中的气体完成膨胀过程后，膜腔中便开始由进气阀吸入气体，活塞继续下行到达下止点时，膜片通过平衡位置而到达下极限位置，膜腔中的吸气过程也随之结束，接着活塞再向上行，活塞通过液压油推动膜片压缩气体，当膜片气腔气体压力达到系统排气压力以上时开始排气，当膜片紧贴到缸盖内表面时，排气过程结束，膜腔完成了一个工作循环。（如图1所示）
二、破裂原因分析
1、膜片切割取样检查分析
为了找出膜片破裂的原因，我们队破裂膜片进行的切割取样。图1为破裂膜片。
由图2表面的微裂纹与标识线标示位置可以看出，该膜片的微裂纹共有三条，第一条位于膜片密封边线上，第二条位于靠近密封边线的条形灰斑上，与密封边线错开 3mm-4mm 距离，第三条位于膜片密封边线里侧附近。在第二 条微裂纹位置除了条形灰斑外，其对应密封边线外侧有一块区域表面布满划痕，应为膜片破裂后液压油冲刷造成。
图3膜片微裂纹区域切开后的拼合位置照片
图3--图6为膜片微裂纹切开后的试样形态，试样1含微裂纹1；试样2含微裂纹2；试样3和试样4含微裂纹3；试样5不含微裂纹。切开过程中发现，微裂纹1和微裂纹2为穿透性裂纹，裂纹断口表面颜色灰暗；微裂纹3为扩展阶段裂纹，未完全穿透膜片壁厚，裂纹断口表面颜色新鲜。由此可以确定，膜片微裂纹由气体侧萌生，而且微裂纹1和微裂纹2先萌生。
2、检测分析数据和结果
膜片切割取样与检查，利用体式显微镜对膜片认真观察，找出微裂纹位置，切割开膜片，切取试样，进一步观察分析。
由图7膜片试样2表面条形灰斑区域的微观形貌可以看出，该区域表面受到了腐蚀作用，而且，该区域发现较多的微裂纹。图8成分谱图表明， 膜片表面腐蚀成分除了铁的氧化物外，还含有微量的 K和Cl元素。断口附近二次微裂纹以及Cl元素存在，推测膜片开裂与Cl离子应力腐蚀有关。
3、膜片试样断口微观检测分析
将试样利用进口的扫描电镜和能谱仪观察分析试样断口微观形貌，检测断口成分。
由图9膜片试样2裂纹断口的微观形貌可以看出，断口微观表面平整，断口扩展区存在疲劳辉纹微观形态，由此可以确定膜片裂纹2为疲劳性质。图10 和图11成分谱图表明，膜片裂纹2断口靠近外表面的源区含有少量盐类和Cl元素，而断口扩展区无盐类和Cl元素。这说明膜片表面疲劳裂纹萌生初期时，由于膜片表面的条形灰斑含有Cl离子，参与了应力腐蚀联合作用，而后续疲劳裂纹扩展过程中，Cl离子未起作用。
4、膜片试样金相组织检测分析
膜片上截取试样，经过水砂纸和金相砂纸预磨、精磨、研磨和抛光，用王水溶液浸蚀，制备成金相试样，利用金相显 微镜对试样的金相组织进行观察分析。
由图12膜片金相组织中的微裂纹形貌可以看出，膜片的微裂纹平直，无树枝状分叉，属于疲劳裂纹扩展形式，不具有应力腐蚀裂纹扩展特征，由此可以确定，膜片裂纹扩展属于单一的机械疲劳。 同时对膜片试样化学成分检测分析，结果表明膜片材质成分符合其材质牌号1.4310 要求。
三、膜片开裂失效性质与原因分析
膜片材质成分和金相组织正常，因而排除材质问题造成开裂的因素。膜片裂纹断口大面积扩展区上均发现疲劳辉纹，而且断口扩展区未发现腐蚀产物，所以膜片开裂失效性质为机械疲劳。
在疲劳失效的整体寿命周期中，疲劳裂纹萌生期占了大部分时间，一般为 70%～90%，一旦裂纹产生，就可快速扩展，在较短时间内发生开裂。影响疲劳 裂纹萌生的因素很多，其中腐蚀因素作用最大，有腐蚀因素参与的腐蚀疲劳基 本没有疲劳强度极限，短时间内就会迅速产生疲劳裂纹，因而疲劳寿命很短。
在膜片断口近表面的裂纹源区发现有Cl元素，膜片材质为奥氏体不锈钢，对Cl离子应力腐蚀十分敏感，在拉应力作用下，即使没有疲劳载荷也会在膜片表面产生应力腐蚀微裂纹。因此，膜片表面很快萌生微裂纹的失效机理是应力腐蚀和疲劳联合作用。
膜片裂纹断口扩展区无Cl元素，金相组织中裂纹扩展也未出现分叉现象，说明膜片裂纹扩展过程中无应力腐蚀参与，只是单一的机械疲劳。分析膜片3 条裂纹布局位置（参见图 2）发现，裂纹2不是位于膜片应力最大的密封边线处，而是位于间隔3mm-4mm的一个较大条形灰斑处，而条形灰斑处检测出较高含量Cl元素。这说明条形灰斑处的Cl元素导致的应力腐蚀 加上疲劳应力促使微裂纹在此处优先萌生扩展，而后促进裂纹 1 以及裂纹 3 的 萌生和扩展。因此判断膜片裂纹萌生次序为：裂纹2→裂纹1→裂纹3。膜片表面裂纹2处的条形灰斑推测可能是在膜片安装过程中，技术人员不小心滴落的汗液或者是未清洗干净的污垢，导致膜片安装后在拉应力作用下发生了应力腐蚀。
四、建议措施
1. 膜片安装前清洗干净膜片表面残留物；
2. 清洗剂避免使用含卤素介质（尤其是 Cl）；
3. 膜片清洗和安装过程中，避免粘附汗液。