压缩机气缸阀孔产生裂纹原因分析

马静 庞岩卫

摘 要：气缸阀孔密封形式不同，导致缸体阀腔受力情况不同，在对正在服役的气缸密封形式进行改造前，应进行准确的分析计算后再行改造，并应严格按照要求的紧固力矩紧固，避免气缸阀腔因受力过大，导致裂纹失效。

关键词：往复压缩机;气缸;O形圈密封;缸体有限元分析

中图分类号：TQ05 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0074-02

0 概述

我公司为某用户生产的2D16型气体压缩机，在一次检修回装时，对各级气缸的承壓腔进行气密试验，发现一级气缸阀孔盖螺栓处漏气。拆卸阀孔盖后，经查看，在各别螺纹孔处发现肉眼可见的裂纹。当得知此情况后，我公司第一时间派出售后和技术人员到达用户现场。经过对现场的勘察、询问及计算分析，找出了阀孔产生裂纹的原因。

1 原因分析

首先对缸体进行了拆解，对阀孔处清洗后进行着色探伤，在各别螺纹孔处发现裂纹，裂纹贯穿至气缸内部，导致气缸漏气。该气缸共有8个阀孔，每个阀孔都有裂纹产生。经对比，发现裂纹的位置比较有规律。裂纹情况见图1。

另外，我公司技术人员发现缸体上阀孔处结构与阀孔盖的结构存在异样。缸体阀孔处结构为垫密封结构，而阀孔盖的结构为O形圈密封结构，与我公司常规设计不一致。常规这两种密封结构不会同时出现在一个气缸部件上。经询问现场工作人员及查找我公司对已售出产品的后期调查记录，了解到该压缩机的气缸在此次检修时，业主对阀孔密封结构进行了改造，将原来的垫密封结构改为O形圈密封结构。

现对两种密封结构进行对比说明：

阀孔垫密封结构，如图2所示，通过若干螺栓将阀孔盖压紧在缸体阀孔处，阀孔盖与缸体之间采用垫密封，螺栓的规格是根据阀腔内的密封压力和阀孔盖的密封面积计算而选取，当压力高时往往需要更大规格或更多数量的螺栓来提供足够的预紧力达到有效的密封，预紧力是通过力矩扳手预紧到给定的紧固力矩来控制的。对于此种结构，气阀的固定是通过阀孔上的顶丝螺栓来实现的，通过紧固顶丝压紧压阀罩，压阀罩将力传递给气阀，从而使气阀压紧在缸体上，顶丝螺栓的规格是根据气阀两侧密封压差和气阀的密封面积计算而选取，同样通过力矩扳手预紧到给定的紧固力矩来控制顶丝的预紧力。

阀孔O形圈密封结构，如图3所示，在阀孔盖上设有径向密封的O形圈。阀孔盖即要起到密封阀孔的作用，还起到压紧气阀的作用。通过拧紧螺栓，使阀孔盖压紧压阀罩，再压紧气阀，实现双重密封作用。

两种结构相比之下，垫密封结构相对复杂，多出一套顶丝，且操作繁琐、漏点多，工作过程中顶丝处常发生泄漏。而O形圈密封结构相对简单、操作简洁、无多余漏点，工作过程中密封效果优于垫密封结构。目前我公司气缸阀孔已全部采用O形圈密封结构。经过多年的运行经验，大多数国、内外压缩机厂商，也都将阀孔改为O形圈密封结构。此次产生裂纹的气缸是我公司2008年的产品，那个时期出厂的产品仍采用垫密封结构。阀孔螺栓的数量和规格是按垫密封结构选取的。

对两种结构的受力情况进行比较，两种结构传递到缸体上的力是不同的。垫密封结构，当顶丝顶紧压阀罩时会给缸体阀腔一个等大相反的拉力，而阀孔螺栓的紧固对缸体阀腔不会产生拉力。O形圈密封结构，当拧紧阀孔螺栓压紧压阀罩时会给缸体阀腔一个等大相反的拉力。也就是说两种密封结构，缸体阀腔所受的拉力一种是来自顶丝的预紧力，一种是来自阀孔螺栓的预紧力，而阀孔螺栓的预紧力必然要大于顶丝的预紧力。每一个气缸在设计时，不管是哪种密封结构，设计师都会对阀孔螺栓的预紧力、螺栓本身应力及缸体的应力情况进行校核，给定合适的紧固力矩。所以当垫密封结构整改为O形圈密封结构时，阀孔螺栓的预紧力应进行详细计算，安装时也应严格按照要求的紧固力矩紧固，防止预紧力过大导致缸体破坏。

此次产生裂纹的气缸每个阀孔有8个螺栓，螺栓规格为M27，对应标准紧固力矩为520Nm。通过力矩扳手，测得该缸体实际施加的紧固力矩高达1000Nm。在此种情况下，我们进行了有限元分析，结果显示缸体产生裂纹处的应力为157MPa。该缸体材料为合金铸铁，附铸试棒的抗拉强度为210MPa，缸体本体预期抗拉强度为195MPa。与缸体本体预期抗拉强度相比，在1000Nm紧固力矩下的安全系数仅为1.24。应力分析情况见图4。缸体裂纹位置与缸体有限元分析中应力最大位置相同。

2 结语

通过以上分析可知，缸体在1000Nm紧固力矩时安全系数仅为1.24，一般经过有限元分析的合金铸铁气缸的安全系数应不低于2.7～3.3。本缸体安全系数过低，裂纹从螺栓孔应力集中处产生，最终扩展至缸体阀腔内部。由此可见，此次气缸阀孔产生裂纹的根本原因，就是实际紧固力矩过大导致。气缸阀孔密封形式整改之后，用户的操作人员对阀孔受力情况的改变没有认知。在阀孔螺栓紧固时仍然按以往的紧固经验紧固，导致实际施加的紧固力矩过大，引起气缸破坏。

3 建议

气缸做为承压件，其强度指标直接关系着压缩机组现场运行的安全。气缸的各个位置、缸体上各零件的强度校核尤为重要，尤其是缸体、缸盖、缸座、阀孔盖、压阀罩、阀孔螺栓、缸盖螺栓、缸座螺栓等。对于螺栓因结构简单其强度校核一般采用理论计算公式，对于缸体、缸盖、缸座、压阀罩等一般采用有限元分析的方法。在每个气缸的设计过程中以上提到的计算都是必不可少的。压缩机出厂后，若需要对以上部位进行整改时，首先需进行有效的分析计算做为整改可行性的理论支撑，在强度满足的情况下再进行整改，涉及到螺栓力矩的整改，需重新复核出适合的紧固力矩，在安装紧固时，一定要严格按照重新核算的紧固力矩进行紧固。因以上提到的计算和分析专业性较强，建议用户在整改前询求专业压缩机厂家的帮助，由压缩机厂家协助进行分析计算，确保整改的安全性。

参考文献

[1] 郁永章.容积式压缩机技术手册.北京：机械工业出版社，2000.

[2] 《活塞式压缩机设计》编写组.活塞式压缩机设计[M].北京：机械工业出版社，1974.