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摘要：往复压缩机作为机械设备领域的一部分，由于其结构复杂，激励源多，对其实施故障诊断比较困难，尽管人们己对其开展了不少研究并取得了一些研究成果，但总的诊断水平还不是很高。本文就对往复式压缩机排气阀阀片断裂原因进行了深入分析。
关键词：往复式压缩机；排气阀；阀片；断裂
一、故障概述
（一）气阀
气阀由阀座、启闭元件、升程限制器和弹簧组成。2HA/2型往复式压缩机阀座和升程限制器均采用2Crl3材料，材料成分（重量百分比）含C，0.16%～0.25%，Si≤1%，Mn≤l%，S≤0.03%，P≤0.035%。Cr，12%～14%，Ni≤0.6%。
（二）阀片
2HA/2往复式压缩机，从柴油加氢装置改造成航煤加氢装置以来，根据气阀的运行、开发和制造情况，先后采用过金属环状阀、金属网状阀，网状塑料阀等。在对其进行改造时，采用的网状阀片材料为3Crl3，材料成分（重量百分比），含C，0.26%～0.35%，Mn≤1%，Si≤1%，S≤0.03%，P≤0.035%，Cr，12%～14%，Ni≤0.6%，阀片外径121 mm，内径27 mm，厚度2mm，内外边缘圆角半径0.2 mm，阀片经过精磨和去应力处理，阀片设计寿命为4500 h。
（三）阀片工况
煤加氢装置2HA/2新氢往复式压缩机工作介质为重整氢气，主要包括H2、烷烃、芳香烃等。阀片在阀腔内外的气流压差和弹簧的联合作用下，活塞每运动一个行程，阀片就要撞击升程限制器和阀座各一次，转速为740 r/min时，阀片每分钟各撞击升程限制器和阀座740次。在阀座和升程限制器的来回撞击中，阀片一直处于高频撞击状态，该压缩机一级排气温度为100～130℃，排气阀阀片长期处于较高温度工作条件，由于阀座在运动过程中伴随一定频率的弹性变形和振动，阀片与撞击零件之间也存在磨损。总的来说，阀片处于高频撞击应力、高温和磨损工况。
二、阀片断裂原因分析
阀片失效主要原因为疲劳损坏、阀片磨损、材料缺陷和介质腐蚀。
（一）阀片硬度测试
使用DHT一100便携式硬度计，对使用前和使用后的阀片上下表面各9个不同位置点进行HKC测试，根据测试结果得出，使用后阀片弹簧侧显微硬度升高，阀座侧降低。主要原因为阀片弹簧侧受到弹簧撞击硬化作用，阀座侧受到磨损，表面粗糙度增大，导致显微硬
度降低。测试结果表明，未经投用阀片表面显微硬度均匀，阀片表面制造质量合格。
（二）阀片断口分析
（1）外观
断裂部位都处在阀片最外环加强筋之间，断口表面为大部分的光亮层和少部分无金属光泽的纤维状断口，断口表面有细小麻点、没有金属光泽且有“积碳”层，断口侧面有明显不规则的小块脱落。
（2）断口性质
采用JSM-6700F扫描电子显微镜和GenesisXMZ型能谱仪对断口进行分析。试验前，将断口放在酒精溶液中，采用KQ-100型超声波清洗器清洗5min。
从微观上看，断口中部主要是平整的大块和韧窝状的纤维组织，断口边缘为大块晶粒状的纤维组织。断口边缘部位的组织表明，材料最后受剪切力作用断裂，断口上存在卷皮说明材料断裂后受到挤压产生塑性变形，卷皮下部就是断口断裂的初始状态，是脆性沿晶断裂。
对阀片初始断裂的晶粒部位、晶粒脱离部位、断口高出部分产生塑性变形部位，裂纹扩展后产生塑性变形部位，产生塑性变形边缘进行能谱分析。根据能谱分析得知，晶间没有Cr富集或贫瘠，断口没有发生晶间腐蚀而导致断裂。经过塑性变形区域和塑性变形边缘初始断裂部位，除了增加一些氧化物夹杂外组织成分没有太大变化。另外测试点表明，断口中存在氧化物、氯化物。其中，Cl元素可能正是重整加氢中所含的C1离子，能谱分析还表明，阀片材料组织成分均匀，没有明显的冶金缺陷。
（三）阀片运动及受力模型
阀片在开启和关闭过程中，除了作向升程限制器或阀座平动外，由于气流的不均匀作用力还要做倾侧运动。阀片向下平动产生的撞击力很小，并不足以使阀片产生破坏的应力。阀片破坏的冲击应力主要取决于倾侧运动产生的撞击力。
通过对阀片的倾侧运动及受力的数学模型分析可知，阀片碰撞过程所受应力与阀片的碰撞速度、倾侧运动的幅度、阀片的结构参数等因素有关。阀片所受撞击应力随碰撞速度及倾侧运动幅度的增大而增大。通过撞击应力分析可知，阀片的撞击应力随阀片的厚度的增大而迅速增大。这些结论为阀片的改造提供了理论依据。
阀片的另一面也受腐蚀性介质和应力作用，产生麻点和点坑（裂纹源），在随后的撞击瞬间发生脆性断裂。断裂后阀片残片并不马上与阀片脱离，而是与阀片断口相互作用产生塑性变形。脱落的阀片碎片是阀片的加强筋和弹簧接触部位，在断裂之前其--flu的碎片已经断裂，该加强筋部位由于受阀片侧向下落应力作用，阀片形状突变部位产生应力集中，导致阀片脆性断裂。换句话说，加强筋部位脱落的阀片碎片裂纹形成与典型的阀片裂纹形成过程有所不同。
三、阀片改造方案
根据以上分析，该压缩机气阀对阀片的要求为：（1）耐撞击应力。阀片材料的强度较大，可以承受较大的撞击应力；（2）耐介质腐蚀。能抗介质的腐蚀性作用；（3）耐磨损。能耐气体介质或者由于气缸磨损的微小颗粒；（4）耐一定的温度。前期试用塑料阀片，经常由于出口温度较高产生变形而不能使用。
因此需要寻找符合这些要求的阀片材料，目前正在得到广泛应用的PEEK材料阀片的弹性模量小，且密度低，较3Crl3金属阀片更耐冲击。PEEK材料几乎不溶于任何有机溶剂，PEEK阀片更耐介质腐蚀性。在阀片与阀座和升程限制器来回撞击过程中，介质中或者由于气缸制造过程中表面粗糙度造成的颗粒，对阀片造成一定的磨损，PEEK阀片表面能够使微小颗粒镶嵌在内，而减少了颗粒对阀片的磨损作用。从阀片运动和受力分析可知，气阀升程对阀片的受力有很大影响，在加工制造阀片过程中，采用较厚的PEEK阀片，在相对于金属阀片没有质量增加的情况下，减少了升程，改善了阀片的受力状态。PEEK阀片能耐温度<250℃，而塑料阀片仅耐170—200℃。机组压缩介质为氢气，阀片断裂原因是在交变载荷作用下疲劳失效。对钢阀片而言随着裂纹扩展会发生脆性断裂，而PEEK阀片对裂纹不敏感，裂
纹扩展速度较慢，一旦阀片断裂掉入气缸也不会造成气缸的损坏，考虑到机组压缩介质是氢气，安全性显得尤为重要。
四、结论
往复压缩机作为一种复杂的动力机械，广泛应用于石油炼制、化工、钢铁、航天及动力发电等多个领域，一旦出现故障，造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此，必须找出其排气阀阀片断裂原因，并制定出解决措施，从而确保其能够安全运用。
参考文献：
【1】章晓剑 往复式压缩机排气阀阀片断裂原因分析[J]-设备管理与维修，2014（08）
【2】刘立平 2HA/2往复式氢气压缩机气阀阀片断裂原因分析及改进[J]-化工机械2012（06）
关键词：往复式压缩机；排气阀；阀片；断裂
一、故障概述
（一）气阀
气阀由阀座、启闭元件、升程限制器和弹簧组成。2HA/2型往复式压缩机阀座和升程限制器均采用2Crl3材料，材料成分（重量百分比）含C，0.16%～0.25%，Si≤1%，Mn≤l%，S≤0.03%，P≤0.035%。Cr，12%～14%，Ni≤0.6%。
（二）阀片
2HA/2往复式压缩机，从柴油加氢装置改造成航煤加氢装置以来，根据气阀的运行、开发和制造情况，先后采用过金属环状阀、金属网状阀，网状塑料阀等。在对其进行改造时，采用的网状阀片材料为3Crl3，材料成分（重量百分比），含C，0.26%～0.35%，Mn≤1%，Si≤1%，S≤0.03%，P≤0.035%，Cr，12%～14%，Ni≤0.6%，阀片外径121 mm，内径27 mm，厚度2mm，内外边缘圆角半径0.2 mm，阀片经过精磨和去应力处理，阀片设计寿命为4500 h。
（三）阀片工况
煤加氢装置2HA/2新氢往复式压缩机工作介质为重整氢气，主要包括H2、烷烃、芳香烃等。阀片在阀腔内外的气流压差和弹簧的联合作用下，活塞每运动一个行程，阀片就要撞击升程限制器和阀座各一次，转速为740 r/min时，阀片每分钟各撞击升程限制器和阀座740次。在阀座和升程限制器的来回撞击中，阀片一直处于高频撞击状态，该压缩机一级排气温度为100～130℃，排气阀阀片长期处于较高温度工作条件，由于阀座在运动过程中伴随一定频率的弹性变形和振动，阀片与撞击零件之间也存在磨损。总的来说，阀片处于高频撞击应力、高温和磨损工况。
二、阀片断裂原因分析
阀片失效主要原因为疲劳损坏、阀片磨损、材料缺陷和介质腐蚀。
（一）阀片硬度测试
使用DHT一100便携式硬度计，对使用前和使用后的阀片上下表面各9个不同位置点进行HKC测试，根据测试结果得出，使用后阀片弹簧侧显微硬度升高，阀座侧降低。主要原因为阀片弹簧侧受到弹簧撞击硬化作用，阀座侧受到磨损，表面粗糙度增大，导致显微硬
度降低。测试结果表明，未经投用阀片表面显微硬度均匀，阀片表面制造质量合格。
（二）阀片断口分析
（1）外观
断裂部位都处在阀片最外环加强筋之间，断口表面为大部分的光亮层和少部分无金属光泽的纤维状断口，断口表面有细小麻点、没有金属光泽且有“积碳”层，断口侧面有明显不规则的小块脱落。
（2）断口性质
采用JSM-6700F扫描电子显微镜和GenesisXMZ型能谱仪对断口进行分析。试验前，将断口放在酒精溶液中，采用KQ-100型超声波清洗器清洗5min。
从微观上看，断口中部主要是平整的大块和韧窝状的纤维组织，断口边缘为大块晶粒状的纤维组织。断口边缘部位的组织表明，材料最后受剪切力作用断裂，断口上存在卷皮说明材料断裂后受到挤压产生塑性变形，卷皮下部就是断口断裂的初始状态，是脆性沿晶断裂。
对阀片初始断裂的晶粒部位、晶粒脱离部位、断口高出部分产生塑性变形部位，裂纹扩展后产生塑性变形部位，产生塑性变形边缘进行能谱分析。根据能谱分析得知，晶间没有Cr富集或贫瘠，断口没有发生晶间腐蚀而导致断裂。经过塑性变形区域和塑性变形边缘初始断裂部位，除了增加一些氧化物夹杂外组织成分没有太大变化。另外测试点表明，断口中存在氧化物、氯化物。其中，Cl元素可能正是重整加氢中所含的C1离子，能谱分析还表明，阀片材料组织成分均匀，没有明显的冶金缺陷。
（三）阀片运动及受力模型
阀片在开启和关闭过程中，除了作向升程限制器或阀座平动外，由于气流的不均匀作用力还要做倾侧运动。阀片向下平动产生的撞击力很小，并不足以使阀片产生破坏的应力。阀片破坏的冲击应力主要取决于倾侧运动产生的撞击力。
通过对阀片的倾侧运动及受力的数学模型分析可知，阀片碰撞过程所受应力与阀片的碰撞速度、倾侧运动的幅度、阀片的结构参数等因素有关。阀片所受撞击应力随碰撞速度及倾侧运动幅度的增大而增大。通过撞击应力分析可知，阀片的撞击应力随阀片的厚度的增大而迅速增大。这些结论为阀片的改造提供了理论依据。
阀片的另一面也受腐蚀性介质和应力作用，产生麻点和点坑（裂纹源），在随后的撞击瞬间发生脆性断裂。断裂后阀片残片并不马上与阀片脱离，而是与阀片断口相互作用产生塑性变形。脱落的阀片碎片是阀片的加强筋和弹簧接触部位，在断裂之前其--flu的碎片已经断裂，该加强筋部位由于受阀片侧向下落应力作用，阀片形状突变部位产生应力集中，导致阀片脆性断裂。换句话说，加强筋部位脱落的阀片碎片裂纹形成与典型的阀片裂纹形成过程有所不同。
三、阀片改造方案
根据以上分析，该压缩机气阀对阀片的要求为：（1）耐撞击应力。阀片材料的强度较大，可以承受较大的撞击应力；（2）耐介质腐蚀。能抗介质的腐蚀性作用；（3）耐磨损。能耐气体介质或者由于气缸磨损的微小颗粒；（4）耐一定的温度。前期试用塑料阀片，经常由于出口温度较高产生变形而不能使用。
因此需要寻找符合这些要求的阀片材料，目前正在得到广泛应用的PEEK材料阀片的弹性模量小，且密度低，较3Crl3金属阀片更耐冲击。PEEK材料几乎不溶于任何有机溶剂，PEEK阀片更耐介质腐蚀性。在阀片与阀座和升程限制器来回撞击过程中，介质中或者由于气缸制造过程中表面粗糙度造成的颗粒，对阀片造成一定的磨损，PEEK阀片表面能够使微小颗粒镶嵌在内，而减少了颗粒对阀片的磨损作用。从阀片运动和受力分析可知，气阀升程对阀片的受力有很大影响，在加工制造阀片过程中，采用较厚的PEEK阀片，在相对于金属阀片没有质量增加的情况下，减少了升程，改善了阀片的受力状态。PEEK阀片能耐温度<250℃，而塑料阀片仅耐170—200℃。机组压缩介质为氢气，阀片断裂原因是在交变载荷作用下疲劳失效。对钢阀片而言随着裂纹扩展会发生脆性断裂，而PEEK阀片对裂纹不敏感，裂
纹扩展速度较慢，一旦阀片断裂掉入气缸也不会造成气缸的损坏，考虑到机组压缩介质是氢气，安全性显得尤为重要。
四、结论
往复压缩机作为一种复杂的动力机械，广泛应用于石油炼制、化工、钢铁、航天及动力发电等多个领域，一旦出现故障，造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此，必须找出其排气阀阀片断裂原因，并制定出解决措施，从而确保其能够安全运用。
参考文献：
【1】章晓剑 往复式压缩机排气阀阀片断裂原因分析[J]-设备管理与维修，2014（08）
【2】刘立平 2HA/2往复式氢气压缩机气阀阀片断裂原因分析及改进[J]-化工机械2012（06）