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往复式压缩机阀片材质选择的变革

发表时间:2020-09-25   责任编辑:吉林省中研高分子材料股份有限公司   

往复式(活塞式)压缩机对工业的发展起到至关重要的作用,特别是在制冷领域的设备中。其中压缩机核心的零件是气阀,阀片作为气阀的重要组成部分,由于承担着反复的载荷、腐蚀性环境、高压和高温等因素的影响,它的寿命决定压缩机的故障维修时间。所以,阀片材质的选择是影响到气阀可靠性的关键因素之一。  


往复式压缩机阀片材质选择的变革  
图1:气阀的结构图  
  压缩机阀片对材料的要求    
n高韧性:阀片需要具有较高的韧性,当承受到冲击力量时,能够吸收一定的热量,或者当有裂纹产生,能够阻止裂纹继续拓展。  
n抗疲劳:阀片需要承受高频率的往复冲击,所以阀片需要具有优异的抗疲劳性能。  
n耐磨:阀片需要具有较好的耐磨性能,在运动过程中,坚守阀片与升程限制器导向凸台接触的摩擦损耗。  
n耐腐蚀:能够承受多种腐蚀环境,避免因为腐蚀导致材料强度减弱,进而发生脆断。  
n耐高温:在高温下仍能够保持优良性能。  

n尺寸稳定性:在高温下依然能够保持尺寸稳定性,保证气阀的密闭性。 

 

  压缩机阀片的材质变革    
    早期,压缩机阀片的材质为金属,金属价格低廉,能够承受高温、高压,但是在强  
    腐蚀环境里,性能降低,或者因为腐蚀产生  
    凹坑,影响到气密性。氢脆是金属阀片的有一个缺点,会大幅度降低阀片的寿命。在压缩易燃、易爆气体时如果使用金属阀片,阀片在工作时容易产生火花,引发事故。此外,腐蚀后断裂的阀片的碎屑也会对设备内部其他部件产生不可恢复的损坏。  

    在上个世纪60年代,有聚合物被尝试替代金属材料应用于阀片材料。其中尝试的聚合物材料有尼龙、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺酰亚胺。他们都有各自的优点和缺点,具体如下:  


由于聚醚醚酮具有优异的机械性能、耐磨性能、耐高温、耐腐蚀性能,被认为是很好的阀片材料。在20世纪90年代,中国每年需要进口阀片材料需要花费5000万元。近年来,随着聚醚醚酮生产量的逐步提升,销售价格的降低,使用量和需求量也逐步增长。  
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为什么聚醚醚酮是适合的阀片材料呢?  
两种物体相撞,撞击能量全部由撞击物体吸收,接触的应力公式如下:  
σ=v(3Eρ)1/2  
其中v为撞击速度,E为弹性模量,ρ为撞击物密度。  
从公式可以看出,撞击应力与撞击物的模量以及密度呈现正比关系。  
PEEK的密度小,弹性模量比金属小,在撞击速度相同时,接触应力要比金属阀片小得多。  
此外,聚醚醚酮的机械性能优异,抗冲击性能优良。缺口不敏感,即使产生裂纹,裂纹发展的速度也较慢。  
聚醚醚酮的抗疲劳性能是金属的2倍以上。  
聚醚醚酮表面较难粘附微小异物,所以不会因为微小异物产生断裂,进而影响到系统内的其他部件磨损加快。  
聚醚醚酮的耐磨性能优良。  
聚醚醚酮的耐腐蚀性能优异,在高温环境下依然能够保持较强的耐腐蚀性能。  

适用聚醚醚酮能耗较低,因为聚醚醚酮的密度仅为1.3g/cm3,可以减少因为撞击产生的功率消耗。同时也因为密度低,噪音更小。  


不能使用聚醚醚酮的工作环境  
当气阀的压差超过22.5MPa,排气温度同时高于250℃环境时,不能使用聚醚醚酮。  
不能使用含有氧气或氯气的压缩机。  

聚醚醚酮的热膨胀系数较大,对尺寸精度要求非常高的环境不能适用聚醚醚酮。  


阀片材质的型号选择  
由于阀片的应用环境,应选择高强度的复合材料,一般增加聚醚醚酮的强度,可选择玻璃纤维和碳纤维复合的聚醚醚酮材料。  
在威格斯高性能材料贸易(上海)有限公司和上海环天压缩机有限公司参加起草,台州环天机械有限公司起草的《JB/T12952-2016往复活塞压缩机用聚醚醚酮(PEEK)阀片》标准中阀片采用的原材料为威格斯的450GL30和450GL30black(对应中研股份770GL30和770GL30H),具体性能如下:  
1材料的密度范围为1.49-1.53  
2拉伸强度应大于等于165MPa  
3弯曲强度应大于等于245MPa  
4弯曲模量应大于等于7.6GPa  
5悬臂梁冲击强度应大于7.5kJ/m2  
6结晶度应不低于30%。  
最初应用到阀片材料的聚醚醚酮为30%玻璃纤维添加的聚醚醚酮,该材料的使用寿命是金属阀片的12倍。  

中研股份的30%添加玻璃纤维(770GL30)和30%碳纤维(770CA30)的性能数据对比如下:  


    吉林省中研高分子材料股份有限公司从性能上看,两种型号各有利弊,但是对于阀片,耐冲击性能是很关键的性能,因为阀片的寿命主要取决于冲击断裂的时间。所以770GL30应比770CA30更适合于阀片专用料。