往復式壓縮機閥片材質選擇的變革

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往復式(活塞式)壓縮機對工業的發展起到至關重要的作用，特別是在制冷領域的設備中。其中壓縮機核心的零件是氣閥，閥片作為氣閥的重要組成部分，由于承擔著反復的載荷、腐蝕性環境、高壓和高溫等因素的影響，它的壽命決定壓縮機的故障維修時間。所以，閥片材質的選擇是影響到氣閥可靠性的關鍵因素之一。

往復式壓縮機閥片材質選擇的變革

圖1：氣閥的結構圖

壓縮機閥片對材料的要求

n  高韌性：閥片需要具有較高的韌性，當承受到沖擊力量時，能夠吸收一定的熱量，或者當有裂紋產生，能夠阻止裂紋繼續拓展。

n 抗疲勞：閥片需要承受高頻率的往復沖擊，所以閥片需要具有優異的抗疲勞性能。

n 耐磨：閥片需要具有較好的耐磨性能，在運動過程中，堅守閥片與升程限制器導向凸臺接觸的摩擦損耗。

n 耐腐蝕：能夠承受多種腐蝕環境，避免因為腐蝕導致材料強度減弱，進而發生脆斷。

n 耐高溫：在高溫下仍能夠保持優良性能。

n 尺寸穩定性：在高溫下依然能夠保持尺寸穩定性，保證氣閥的密閉性。

壓縮機閥片的材質變革

早期，壓縮機閥片的材質為金屬，金屬價格低廉，能夠承受高溫、高壓，但是在強

腐蝕環境里，性能降低，或者因為腐蝕產生

凹坑，影響到氣密性。氫脆是金屬閥片的有一個缺點，會大幅度降低閥片的壽命。在壓縮易燃、易爆氣體時如果使用金屬閥片，閥片在工作時容易產生火花，引發事故。此外，腐蝕后斷裂的閥片的碎屑也會對設備內部其他部件產生不可恢復的損壞。

在上個世紀60年代，有聚合物被嘗試替代金屬材料應用于閥片材料。其中嘗試的聚合物材料有尼龍、聚醚酰亞胺、聚酰亞胺酰亞胺。他們都有各自的優點和缺點，具體如下：

由于聚醚醚酮具有優異的機械性能、耐磨性能、耐高溫、耐腐蝕性能，被認為是很好的閥片材料。在20世紀90年代，中國每年需要進口閥片材料需要花費5000萬元。近年來，隨著聚醚醚酮生產量的逐步提升，銷售價格的降低，使用量和需求量也逐步增長。

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為什么聚醚醚酮是適合的閥片材料呢?

兩種物體相撞，撞擊能量全部由撞擊物體吸收，接觸的應力公式如下：

σ=v(3Eρ)1/2

其中v為撞擊速度，E為彈性模量，ρ為撞擊物密度。

從公式可以看出，撞擊應力與撞擊物的模量以及密度呈現正比關系。

PEEK的密度小，彈性模量比金屬小，在撞擊速度相同時，接觸應力要比金屬閥片小得多。

此外，聚醚醚酮的機械性能優異，抗沖擊性能優良。缺口不敏感，即使產生裂紋，裂紋發展的速度也較慢。

聚醚醚酮的抗疲勞性能是金屬的2倍以上。

聚醚醚酮表面較難粘附微小異物，所以不會因為微小異物產生斷裂，進而影響到系統內的其他部件磨損加快。

聚醚醚酮的耐磨性能優良。

聚醚醚酮的耐腐蝕性能優異，在高溫環境下依然能夠保持較強的耐腐蝕性能。

適用聚醚醚酮能耗較低，因為聚醚醚酮的密度僅為1.3g/cm3，可以減少因為撞擊產生的功率消耗。同時也因為密度低，噪音更小。

不能使用聚醚醚酮的工作環境

當氣閥的壓差超過22.5MPa,排氣溫度同時高于250℃環境時，不能使用聚醚醚酮。

不能使用含有氧氣或氯氣的壓縮機。

聚醚醚酮的熱膨脹系數較大，對尺寸精度要求非常高的環境不能適用聚醚醚酮。

閥片材質的型號選擇

由于閥片的應用環境，應選擇高強度的復合材料，一般增加聚醚醚酮的強度，可選擇玻璃纖維和碳纖維復合的聚醚醚酮材料。

在威格斯高性能材料貿易(上海)有限公司和上海環天壓縮機有限公司參加起草，臺州環天機械有限公司起草的《JB/T  12952-2016往復活塞壓縮機用聚醚醚酮(PEEK)閥片》標準中閥片采用的原材料為威格斯的450GL30和450GL30black(對應中研股份770GL30和770GL30H)，具體性能如下：

1材料的密度范圍為1.49-1.53

2 拉伸強度應大于等于165MPa

3 彎曲強度應大于等于245MPa

4彎曲模量應大于等于7.6GPa

5 懸臂梁沖擊強度應大于7.5kJ/m2

6 結晶度應不低于30%。

最初應用到閥片材料的聚醚醚酮為30%玻璃纖維添加的聚醚醚酮，該材料的使用壽命是金屬閥片的12倍。

中研股份的30%添加玻璃纖維(770GL30)和30%碳纖維(770CA30)的性能數據對比如下：

吉林省中研高分子材料股份有限公司從性能上看，兩種型號各有利弊，但是對于閥片，耐沖擊性能是很關鍵的性能，因為閥片的壽命主要取決于沖擊斷裂的時間。所以770GL30應比770CA30更適合于閥片專用料。

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