摘 要：根据系统需求研制高压空气减压阀，并依据标准规范开展了动静态密封性能、调压性能、压力特性、流量特性等试验，试验表明阀门在减压、调压稳定性、流量等性能方面均可满足系统需求。同时根据相关手册对减压阀流量进行了计算分析，发现计算结果与工程经验差异较大，针对该问题进行了分析及试验验证。另外，针对该阀在使用过程中多次出现出口压力持续上升的故障问题，结合其结构及密封特性，进行故障分析研究，并提出了针对性改进措施。
关键词：高压空气减压阀；结构型式；密封；故障分析
引言
CB/T 3656-1994《船用空气减压阀》规定了船用空气减压阀的参数，其进口压力1.0～3.0 MPa、出口压力0.05～1.0 MPa[1]，主要应用于中压空气系统。而对于高压空气源(25 MPa)用减压阀，需根据系统需求开展专门研制。新研制的高压空气减压阀进口压力5～25 MPa、出口压力3.5～6 MPa，并对其流量进行了理论分析计算，同时按CB/T 3396-1992《船用减压阀性能试验》进行动静态密封性能、调压性能、压力特性、流量特性等试验[2-3]。试验表明，该型减压阀在减压、调压稳定性、流量等性能方面均可满足系统需求。
但该型减压阀应用于系统后，多次出现出口压力持续上升而无法保压的现象。针对此问题，结合该阀的结构特点及密封形式进行了分析研究，提出改进措施。
1 减压阀结构型式简介
高压空气减压阀的结构如图1所示，属活塞式减压阀，具有体积小、活塞允许的行程大等特点。主要由阀体、活门、主辅弹簧等组成，通过活门及密封垫与阀体形成的节流口对空气进行节流，将空气压力降低；阀门出口空气压力作用在活塞上，与主弹簧的一部分力相平衡，利用空气本身压力，通过主弹簧、辅弹簧作为传感件带动活门升降运动，使出口压力稳定在一定的范围内。
1.辅弹簧 2.活门 3.密封垫 4.顶杆 5.阀体 6.活塞 7.主弹簧
图1 高压空气减压阀结构图
减压阀可通过调节活塞在阀门中的上下位置，从而调节节流口大小，达成调节出口压力的目的。出口压力调定后，可锁定活塞在阀体内的位置，通过主辅弹簧的弹簧力及空气压力达到平衡，并保持阀门出口压力的稳定性。
减压阀活动密封副采用平面型、软-硬密封结构形式：“软”为聚三氟氯乙烯(PCTFE)材料，采用模压工艺集成在活门上； “硬”为金属材料制成的具有平面圆环刃口的阀座。该结构具有优异的加工工艺性，装配后易于获得良好的密封性能，可以满足多次启动工作及长寿命的使用要求[4]。其不足之处在于活塞在缸体内摩擦力加增大，因此其灵敏度较低。
2 减压阀流量计算及试验验证
减压阀研制过程中，流量是关注重点。根据文献[5]空气质量流量计算公式：
(1)
式中， DN —— 公称直径，取15 mm
u —— 空气流动速度，按照手册取10～20 m/s
ρ —— 干空气的密度，kg/m3
(2)
式中， ρ0 —— 0 ℃，压力0.1013 MPa状态下干燥空气的密度， ρ0=1.293 kg/m3
p —— 绝对压力，MPa
(273+t) —— 热力学温度，K
根据上述公式计算减压阀的空气质量流量：qm=(0.076～0.151)kg/s。
上述计算结果与工程经验相差较大。经查，主要是因其空气流动速度取值不合理造成的。根据文献[6]相关计算，分析认为减压阀的空气流速在音速与亚音速之间，因此减压阀的流量至少可增大一个数量级。为验证上述分析，进行了台架试验验证。如图2、图3所示，图2为减压阀流量测试台架原理图，图3为实物照片。
1.空气压缩机 2.空气瓶 3.截止阀 4.压力表 5.测试减压阀 6.压力表 7.截止阀 8.流量计
图2 减压阀流量测试试验台架原理图
图3 减压阀流量测试试验台架实物照片
如表1所示，减压阀的空气质量流量理论计算结果为0.41～0.7 kg/s，陆上台架流量测量为0.281～0.396 kg/s，验证了理论分析的正确性。
表1 减压阀流量测试试验结果 kg·s-1
3 减压阀故障原因分析
减压阀工程应用后，运行初期效果良好，阀门出口压力稳定、流量大，可满足系统使用需求。运行一段时间后曾出现出口压力不断升高而无法保压的现象，初步考虑是阀体和密封面密封不严的可能性较大[7]。但多套减压阀投入系统运行后，多次出现上述问题。因此对故障减压阀及配套阀件进行了拆检，并进行故障原因分析，具体情况如下。
3.1 减压阀拆检情况
减压阀拆检发现，阀内有杂质存在，虽然每次故障阀的杂质量不定，但杂质成分主要为铁屑、油脂等，同时拆检发现活门密封工作面(聚三氟氯乙烯材料)有明显磨痕。详细情况如图4、图5所示。
图4 减压阀活门实物照片
图5 减压阀拆检实物照片
3.2 减压阀前端过滤器拆检情况
由于减压阀节流口密封面对于空气流体中的固体颗粒较为敏感，因此减压阀的进口一般单独设置过滤器，或者设置滤网/滤芯，用于过滤空气中的杂质，达到提高可靠性，延长使用寿命等目的。
在系统设计时，减压阀前端设置有独立的过滤器。鉴于减压阀内部有杂质出现，对前端设置的过滤器也进行了拆检，发现过滤器滤网已损坏(如图6所示)，进一步检查发现，过滤器壳体内侧，有块状油脂存在(如图7所示)，同时过滤器出口接头处有铁屑等杂质存在。
图6 过滤器滤网拆检实物照片
图7 过滤器壳体内侧拆检实物照片
3.3 减压阀故障原因分析
减压阀多次故障拆检均发现了铁屑、油脂，经分析，正是由于铁屑的存在导致活门密封软材料压痕，并导致减压阀动密封泄漏，最终使减压阀减压失效。
铁屑来自于系统管路内杂质，因为系统安装时没有经过吹除处理。过滤器在减压阀前起到一定的过滤作用，但减压阀故障时发现大量铁屑杂质，铁屑在高压空气吹除下高速运动，破坏了滤器滤网，也是减压阀失效的元凶。经过系统长期运行、吹除，系统内的杂质虽已大量减少，但残存于过滤器与减压阀之间的铁屑仍导致了减压阀再次发生故障问题。
4 改进措施
根据上述故障原因分析，有针对性地采取了如下改进措施：
(1) 系统运行前，应对所有空气系统管路进行清洗，并吹除干净(注意吹除时的安全)。系统试运行阶段或系统运行一段时间后(系统运行过程中，建议使用中低压气源，防止高压气源击穿滤网/滤芯)，检查系统管路中设置的滤网情况，确保滤网无击穿破损，并保持滤网洁净；发现滤网上有大量杂质、油污的情况时，应立即对系统管路进行重新清洗。
工程实践表明，系统管路内杂质、油污对系统阀件的使用可靠性具有“致命性”影响，同时若不对系统管路杂质、油污进行清洗，将以牺牲系统阀件为代价，大大增加了系统阀件故障发生率。
(2) 安装减压阀等阀件及系统管路前，应对其进出口及相关空气管路接头进出口的杂质(包括油脂)进行清理，保持接口处的干净状态，再予以安装。
(3) 定期拆检过滤器/滤网，清除过滤器滤网表面杂质(某些过滤器滤芯结构原因不允许对其反向吹除、冲洗，否则会损坏滤网)；检查滤网完整性，并视情换新处理。
根据上述改进措施，对系统管路、滤器进行了清洗处理，同时在修复故障减压阀后重新启动系统运行。实验结果表明改进措施合理、可行、有效，大大降低了减压阀故障率，提高了减压阀的使用可靠性，有力保障了系统的长期稳定运行。
5 结论
本研究针对研制的高压空气减压阀在使用过程中出现的出口压力持续上升问题，结合其结构及密封特性，开展故障分析。研究表明：系统管路中的固体颗粒杂质破坏减压阀动密封，导致减压阀无法保压，同时提出了清洗系统管路并定期清除滤网杂质等改进措施，可有效降低减压阀故障率，措施合理、可行、有效。
