CN105308369A - 填料盘制造 - Google Patents

Abstract

描述了一种制造用于超高压压缩机的填料盘的方法。该方法包括以下步骤：提供内盘(25)，其具有相对的第一前面(25X)和第二前面(25Y)、中心轴向孔(18)和至少一个润滑油导管(23)；使润滑油导管(23)自增强；在自增强之后，除去其两个面上的内盘的厚度(D)。

Description

填料盘制造

技术领域

本文中公开的主题涉及制造经受高压应力的机械构件。具体而言，本公开涉及制造用于往复式压缩机(尤其是超高压压缩机)的填料盘。

背景技术

超高压压缩机(能够产生高达或高于3,000bar的气体压力水平的那些)广泛用于工业应用，包括但不限于生产低密度聚乙烯或LDPE。超高压压缩机必须耐受非常高的输送压力和排放与吸入之间的压力波动，并且可认作是本行业中的最大应力的压力容器中的一种。由于非常高的脉动压力和随后的疲劳应力，故超高压压缩机需要缸构件的预先施加应力，以防止裂缝扩散。填料盘在超高压压缩机的最关键构件之间。

预先施加应力通过收缩配合和自增强来获得。收缩配合是外筒或外盘和内筒或内盘以高度相互干扰组装在一起的技术。内盘冷却至非常低的温度，例如，大约-190℃，并且外盘加热至高温，例如，370℃。内盘接着配合到外盘的孔中。当两个盘再次被带至环境温度时，内盘的热膨胀和外盘的热收缩将在内盘上生成压缩应力。常见的填料盘通过将内盘和外盘收缩配合在一起来制造。

自增强在于借助于几百MPa的液压压力使构件的内表面或内层塑性屈服。当释放压力时，屈服的部分由未屈服的周围材料的弹性恢复高度压缩。这是因为材料的内部部分经受超过弹性屈服极限的变形，并且因此不可返回到其原始的形状和尺寸。结果，由周围的材料施加的弹性应力将内部弹性屈服的材料保持在压缩状态下。

自增强通常用于在超高压压缩机填料盘的润滑油导管中引起预压缩应力。

自增强涉及复杂的技术问题，如，选择适合的密封件来耐受所需的高压值、选择适当的压力传送油，以及压力测量的准确性。

经受高压和压力波动的构件的预先施加应力是防止裂缝扩散的基本措施。在构件中引起的压缩预应力的值将使得在由容纳在构件中的流体(例如，润滑油)操作期间防止拉伸应力在材料中引起。存在于构件的内表面中的可能的裂缝因此保持在"闭合"状态。裂纹或裂缝内的压缩应力并未有助于裂缝增长。然而，如果构件内的流体的压力大于实际的压缩应力(在模块中)，则压力在裂纹中扩散，并且可有助于裂缝扩散。如果压力波动并且峰值高于压缩应力，则疲劳在构件中引起，这可最终导致裂缝扩散和构件的故障。

超高压压缩机填料盘通常通过使外盘和内盘收缩配合在一起并且随后使存在于内盘中的润滑油导管经受自增强以在包绕润滑油导管的材料中生成压缩预应力来制造。关于制造用于超高压压缩机的填料盘的更多细节例如在E.Giacomelli等人的"AutofrettagingproceduresonLDPEHyper-CompressorComponents"(2006ASMEPressureVesselsandPipingDivisionConference的会议录，2006年7月23日到27日，Vancouver,Canada)中公开。该论文还提出了自增强可在使外盘和内盘收缩配合在一起之前执行，以便减小所需的自增强压力。然而，该论文提出了颠倒收缩配合和自增强的步骤可引起包欣格效应并且导致不可预知的预应力值。由于这些困难，故当前优选的制造工艺提供了在自增强之前的收缩配合。

在对由脉动压力引起的故障的机械阻力方面通过该技术实现的结果不是完全令人满意的，并且仍存在对制造填料盘的改进的需要。

发明内容

本文中公开的方法的实施例提供了制造填料盘(具体是用于超高压压缩机的填料盘)的附加加工步骤。附加的加工步骤目的在于在自增强之后除去填料盘的内盘的两面上的最外层。这导致了除去包绕内盘的(多个)润滑油导管的一定体积的材料，其中由自增强引起的残余环向应力和/或残余当量应力不足以防止意外裂缝的潜在扩张，该意外裂缝可存在于(多个)润滑油导管的内表面上。

根据一些实施例，提供了一种制造用于超高压压缩机的填料盘的方法，包括以下步骤：

提供具有相对的第一前面和第二前面、中心轴向孔和至少一个润滑油导管的内盘；轴向开孔和润滑油导管从第一前面延伸至第二前面；

使润滑油导管自增强；

在自增强之后，除去第一前面和第二前面两者上的内盘的厚度(即，外层)。

该方法作为优选包括在使润滑油导管自增强之后使内盘和外盘收缩配合以及除去内盘的第一前面和第二前面两者上的厚度的步骤。

根据又一个方面，本文中公开的本主题还涉及一种用于超高压压缩机的填料盘和包括根据上文公开的方法制造的一个或更多个填料盘的超高压压缩机。

特征和实施例在这里的下文中公开，并且在所附权利要求中进一步阐明，该所附权利要求形成了本描述的组成部分。以上简要描述阐明了本发明的各种实施例的特征，以便随后的详细描述可更好理解，并且以便对本领域的本贡献可被更好认识到。当然，存在将在下文中描述并且将在所附权利要求中阐明的本发明的其它特征。在该方面中，在详细地阐释本发明的若干实施例之前，理解的是，本发明的各种实施例在它们的应用上不限于构造的细节和以下描述中阐明或附图中示出的构件的布置。本发明能够有其它实施例，并且能够以各种方式实践和执行。另外，将理解的是，本文中使用的用语和术语为了描述的目的，并且不应当认作是限制。

就此而言，本领域技术人员将认识到本公开所基于的构想可容易地用作设计用于执行本发明的若干目的的其它结构、方法和/或系统的基础。因此，重要的是，权利要求被认作是包括在它们并未脱离本发明的精神和范围的范围内的此类等同构造。

附图说明

本发明的公开实施例和其所附优点中的许多个的更完整认识将容易获得，因为它们在结合附图考虑时通过参照以下详细描述而变得更好理解，在该附图中：

图1示出了包括包绕往复式柱塞的填料盘的布置的超高压压缩机的截面视图；

图2示出了图1的超高压压缩机的截面透视图；

图3示出了图1中的超高压压缩机的填料盘布置的放大图；

图4示出了填料盘的透视图；

图5示出了用于制造填料盘的方法的框图；

图6A-6C示意性地示出了一系列制造步骤；

图7示出了填料盘中的径向应力和环向应力的图表；

图7A示出了围绕润滑油孔的典型的应力分布；

图8A,8B和8C示出了在自增强之后和在除去内盘的外层之前根据本文中公开的方法制造的填料盘的润滑油导管的末端部分中的残余环向应力、残余径向应力和残余冯米斯应力；

图9A,9B和9C示出了在自增强和除去内盘的外层之后的根据本文中公开的方法制造的填料盘的润滑油导管的末端部分中的残余环向应力、残余径向应力和残余冯米斯应力；

图10A,10B示出了显示分别在除去内盘的外层之前和之后的残余当量应力的曲线的图表；

图11A,11B示出了分别在除去内盘的外层之前和之后的残余当量塑性应变的图表；

图12A,12B示出了显示分别在除去内盘的外层之前和之后的残余环向应力的曲线的图表；

图13A,13B示出了显示分别在除去内盘的外层之前和之后的残余环向应变的曲线的图表。

具体实施方式

示例性实施例的以下详细描述提到了附图。不同示图中的相同附图标记识别相同或相似的元件。此外，示图不一定按比例绘制。另外，以下详细描述并不限制本发明。替代地，本发明的范围由所附权利要求限定。

说明书各处提到的"一个实施例"或"实施例"或"一些实施例"是指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因此，在说明书各处的各种位置的短语"在一个实施例中"或"在实施例中"或"在一些实施例中"的出现不一定是指相同的(多个)实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以以任何适合的方式在一个或更多个实施例中组合。

图1示出了超高压压缩机1的一部分的截面视图，并且图2示出了其透视断面图。超高压压缩机包括缸或填料隔离物3，柱塞或活塞杆5布置在其中。柱塞在缸3中往复地滑动。附图标记7和9指出了压缩机1的相应的吸入端口和排出端口。缸3中的柱塞5的移动通过吸入端口7吸入流体，并且在较高压力下通过排出端口9排出流体。提升阀7A布置在吸入端口7中，并且提升阀9A布置在排出端口9中。提升阀7A,9A布置在收纳于缸盖13中的阀体11中。缸3锁定在缸盖13与凸缘15之间。

填料盘17叠堆布置在缸3与凸缘15之间。示例性填料盘17在图4中以透视图示出。各个填料盘17包括中心孔18。在一些实施例中，中心孔18由座17A包绕，用于垫圈(未示出)抵靠柱塞5的圆柱表面滑动地密封，柱塞5往复地移动穿过填料盘17。润滑油通过润滑套管19输送至填料盘17。提供了一个或更多个润滑管线21，其形成为横跨填料盘17。各个填料盘17包括从其第一面到第二面延伸穿过填料盘17的一个或更多个润滑油导管23。润滑油导管23和填料盘17布置成使得一个或更多个连续润滑管线21通过填料盘17的对准的润滑油导管23形成为横跨填料盘17的整个叠堆，如图3中所示。

在图4的示例性实施例中，三个润滑油导管23设在填料盘17中。然而，应当理解的是，可提供不同数量的润滑油导管。大体上，润滑油导管的数量可从一个填料盘到另一个不同，以润滑不同的密封环。

在一些实施例中，各个填料盘17包括两个收缩配合盘。更具体而言，内盘25收缩配合在外盘27中。中心孔18和润滑油导管23形成在内盘25中。

根据本公开，填料盘17根据如图5,6A-6C中概括的步骤顺序制造。在第一步骤中，提供了具有中心孔18和润滑油导管23的内盘25；见图5，步骤101和图6A。附图标记25X,25Y分别指示内盘25的第一前平面和第二前平面。在随后的步骤中，润滑油导管23通过在高压下将油引入其中而经受自增强(图5，步骤102)。润滑油导管23中的加压油引起包绕各个润滑油导管的材料的最内层塑性地屈服，同时最外侧材料经受弹性变形。一旦释放自增强油压力，则外部弹性变形材料恢复，同时内部弹性塑性屈服的材料不恢复其原来的形状。这在包绕润滑油导管23的内盘25的材料中生成了压缩预应力。

在润滑油导管23的自增强之后，内盘25加工(图5，步骤103)成从内盘25的两个平面25X,25Y除去材料的外部厚度。从具有厚度S1的内盘25(图6A)开始，因此获得了具有厚度S2的较薄的盘(图6B)。作为优选，具有厚度D的层从内盘25的两侧除去。各个除去的层的厚度D在0到50%之间，例如，有利的是在1%到30%之间，例如，在内盘25的总轴向尺寸S1的5到20%或5到30%之间。在一些实施例中，总厚度S1的7%到15%之间从内盘25的各个面或侧除去。

最终，内盘25和外盘27根据标准程序收缩配合；见图5，步骤104，以及图6C。在收缩配合之后，可加工垫圈座17A。

为了更好地理解以上文概述的方法实现的优点，应当首先论述自增强残余应力分布的主要特征。

如上文简要提到的，自增强通过借助于自增强装备在填料盘17的内盘25中提供的润滑油导管23中施加在例如13,000Bar的范围中的高压力而获得。润滑油导管23内的压力引起包绕润滑油导管的材料的最内层的塑性变形。在不定的轴向长度的盘中，即，不管润滑油导管的端部处的边界效应，自增强将在包绕孔的材料中生成残余径向应力和残余环向应力，其随如图7中所示的离润滑油导管的轴线的距离而变化。图7A分别提供了径向应力(σ_τ)和环向应力(σ_θ)的图示限定。径向应力为沿径向方向的应力，并且环向应力为沿切向方向的应力。拉伸应力常规地表示为正(+)值，压缩应力常规地表示为负(-)值。

图7中所示的应力分布通过处理包绕润滑油导管的盘材料的塑性变形的内层，应用根据ASME规范的弹塑性模型来评估屈服材料中的应力/应变分布而获得，并且引入了包欣格效应的校正，以便正确地评估由自增强引起的最大残余压缩应力(因此塑性区域尺寸)。

在图7中，离润滑油导管的轴线的距离在水平轴线上报告，并且应力在垂直轴线上报告。R1表示润滑油导管的内半径，并且R2表示所谓的塑性半径，即，包绕润滑油导管的塑性变形的材料的半径。在图7的图表上报告的两条曲线分别代表径向应力和环向应力。由于包绕润滑油导管的内层中的局部塑性变形，故残余环向应力在内半径R1处获得，

即，在润滑油导管的表面处。

疲劳寿命改进的至关重要特性在于内半径处的残余环向应力和塑性半径尺寸，因此塑性变形层的深度。

作为上文所述的新颖制造方法的第一优点，应当提到的是，由于自增强在使内盘和外盘收缩配合在一起时执行，故全部自增强压力对于生成塑性半径的目的而言有用。不同于标准制造工艺，其中自增强在已经通过收缩配合变形的润滑油导管上执行，在根据本公开的方法中，不必克服由收缩配合引起的残余应力。此外，润滑油导管具有大致圆形的截面，而非如填料盘中的椭圆截面，该填料盘在自增强之前收缩配合。因此，在自增强之后的应力分布围绕润滑油导管的轴线更一致。

由于边界效应，故实际塑性半径和残余应力沿润滑油导管的轴向延伸是非恒定的。更具体而言，残余环向应力和残余径向应力由于轴向应力而朝润滑油导管的端部减小。在一些情况中，残余应力可相反，即，它们可变为正的拉伸应力。图8示出了在润滑油导管23的端部区域中的残余环向应力(图8A)和残余径向应力(图8B)。图8C示出了润滑油导管的末端部分中的所谓的"冯米斯应力"(也称为"当量应力")。

在附图中，残余应力分布由恒定应力曲线代表，各个曲线代表相应(环向和径向)应力具有恒定值的位置，值在各个曲线上报告，并且表示为MPa。

如可从这些附图认识到的，残余径向应力以及残余环向应力两者变为在润滑油导管的端部处的边界区域中为正的(拉伸应力)。在位于边界区域附近的相邻区域中，残余环向应力并未相反(即，仍为负)。然而，在所述相邻区域中，残余环向应力具有比润滑油导管的中心区域中少得多的模量，并且因此不足以用于防止疲劳促进的裂缝扩散的目的。没有任何后续加工步骤，在操作期间，由润滑油导管内的压力波动在材料中引起的拉伸应力变得大于残余压缩预应力。材料中存在的任何裂纹接着将扩张，并且加压油将穿透其中。润滑油压力的周期性波动将导致裂缝形成和扩散，并且最终导致填料盘的故障。

加工步骤的目的在于除去这些区域，其中，边界效应减小或使包绕润滑油导管的材料中的残余应力相反。图9A,9B和9C类似于图8A-8C，并且示出了在除去内盘25的最外层之后的润滑油导管的相同末端区域。表现了相等残余应力的曲线，其中以MPa表达的残余应力的值在各个曲线上报告。如可从这些图认识到的，在加工之后形成盘的材料的部分中的残余压缩环向和径向应力以及冯米斯应力比除去的层中的那些显著更高。

图10A和10B示出了残余冯米斯应力，即，自增强之后和除去形成内盘的材料的外层之前(图10A)以及除去外层之后(图10B)的包绕润滑油导管的一端的区域中的残余当量应力。在润滑油导管的相对端处，存在类似的情形。在独立曲线上报告的值表示以MPa测量的残余当量应力。在水平轴线上，从导管的中心点开始，报告沿润滑油导管的轴向坐标。轴向坐标相对于导管的总长度标准化(%长度)。径向坐标，即，离润滑油导管的轴线的距离，在垂直轴线上报告。

图11A和11B示出了分别在从内盘25除去外部材料层之前(图11A)和之后(图11B)，在自增强之后的残余当量塑性应变。垂直轴线和水平轴线分别报告径向和轴向坐标。各个曲线上的值以分数应变(mm/mm)表达。

图12A和12B以类似于图10A和10B的方式示出了润滑油导管的自增强之后的残余环向应力。更具体而言，图12A示出了在加工盘用于除去外层之后的残余环向应力。图12B示出了加工之后的残余环向应力。两个图中的曲线为恒定应力值的曲线，即，残余环向应力沿其保持恒定的曲线。应力值在各个曲线上报告，并且以MPa表达。水平轴线代表轴向坐标(以%，以mm/mm表达，从润滑油导管的中心开始)，即，在轴向方向上离导管中心的距离。垂直轴线代表径向坐标(以mm)，即，在径向方向上离润滑油导管的轴线的距离。

图13A和13B示出了分别在盘的外层的加工和除去之前(图13A)和之后(图13B)，在自增强之后的残余环向应变。垂直轴线和水平轴线示出了与图12A,12B中相同的参数。残余应力(以MPa表达)和残余应变(以mm表达)在各条曲线上报告。

如可从图8到13认识到的，加工除去了润滑油导管的各端处的最关键的边界区域，其中，存在不足的残余应力。因此，润滑油导管的其余部分能够更好地阻止疲劳应力，并且不太易于裂缝形成和扩散。

如可从图8到13中的图表认识到的，在除去包绕润滑油导管的端部体积之后，残余当量应力值在沿润滑油导管的轴向延伸的各个径向距离处保持大致恒定。这具体从图10中的曲线清楚。各条曲线代表残余当量应力的值，即，冯米斯应力。各个曲线大致平行于横坐标，即，平行于润滑油导管的轴线。更更具体而言，尤其是在较接近润滑油导管的体积中，残余当量应力沿平行于润滑油导管的轴线的方向变化小于25%。例如，沿1.6mm纵坐标移动，在自增强之后的残余当量冯米斯应力波动大约500MPa。在加工盘和除去其最外层之前，沿1.6mm纵坐标的冯米斯应力从润滑油导管的轴向延伸的中心(横坐标=50)的500MPa减小至待除去的外层上的0-100MPa。包绕润滑油导管的最内侧体积示出了残余应力的甚至更恒定的值，其具有等于或小于15%或甚至等于或小于10%的波动。

根据一些实施例，如可在图10A,10B中观察到的，在自增强和除去外材料层之后，在离润滑油导管的给定径向距离处，残余当量应力沿轴向坐标的变化显著小于现有技术的填料盘中的。具体而言，沿轴向坐标移动，从盘表面开始，残余当量(冯米斯)应力在轴向长度的头10%中变化小于15%，并且优选小于10%。

应当注意的是，上述图表中报告的应力和应变数据在外盘25和内盘27的收缩配合之前确定。然而，即使收缩配合将修改残余应力和应变分布，主要在围绕润滑油导管(由于其椭圆变形)的周向方向上，沿导管的轴向延伸的这些值的百分比变化大致不由收缩配合影响。换言之，残余应力和应变的轴向分布的修改为可忽略的，直至考虑关于改进的抗疲劳性的效果。

此外，根据一些实施例，如可在图12A,12B中观察到的，在自增强和除去外材料层之后沿润滑油导管的内表面的残余环向应力将总是保持为负，即，残余环向应力将总是为压缩应力。此外，沿润滑油导管的整个表面的残余环向应力将在润滑油导管的中心处总是为最大残余环向应力的至少20%。两个盘25,27的随后的收缩配合不显著地影响该情形。

包绕润滑油导管的材料中的残余应力和应变可由中子散射技术测量。因此，执行用于制造填料盘的方法可甚至在收缩配合之后从加工的填料盘上测得的残余应变和应力确定。

尽管本文中所述的主题的公开实施例在附图中示出并且结合若干示例性实施例具体且详细地在上文完整描述，但对本领域技术人员而言将显而易见的是，许多改型、变化和省略是可能的，而实质上不脱离新颖的教导、本文中阐明的原理和构想，以及所附权利要求中叙述的主题的优点。因此，公开的创新的适当范围应当仅由所附权利要求的最宽解释确定，以便包含所有此类改型、变化和省略。

Claims (9)

1.一种制造用于超高压压缩机的填料盘的方法，包括以下步骤：

提供具有相对的第一前面和第二前面、中心轴向孔和至少一个润滑油导管的内盘；所述轴向孔和所述至少一个润滑油导管从所述第一前面延伸至所述第二前面；

使所述至少一个润滑油导管自增强；

在自增强之后，除去所述第一前面和所述第二前面两者上的所述内盘的厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在使所述至少一个润滑油导管自增强之后使所述内盘和外盘收缩配合，以及除去所述内盘的第一前面和第二前面两者上的所述厚度的步骤。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述内盘的整个轴向尺寸的1%到30%之间在各个所述第一面和所述第二面上除去。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述内盘的总体轴向尺寸的5%到30%之间并且优选7%到15%之间在各个所述第一面和所述第二面上除去。

5.一种根据前述权利要求中的一项或更多项的方法制造的用于超高压压缩机的填料盘。

6.一种包括收缩配合的内盘和外盘的超高压压缩机填料盘，所述内盘具有从所述盘的第一前面延伸至第二前面的中心孔和至少一个润滑油导管；其中所述至少一个润滑油导管通过自增强来预选施加应力，包绕所述至少一个润滑油导管的一定体积的材料具有残余当量应力，其沿所述润滑油导管的轴向延伸的至少一部分从所述第一前面或所述第二前面开始，沿平行于所述润滑油导管的轴线的方向大致恒定。

7.根据权利要求6所述的超高压压缩机填料盘，其特征在于，从所述第一前面和从所述第二前面开始，所述残余当量应力沿所述至少一个润滑油导管的所述轴向延伸的头10%波动25%或更小，并且优选20%或更小，并且优选不大于15%，并且甚至更优选不大于10%。

8.一种包括收缩配合的内盘和外盘的超高压压缩机填料盘，所述内盘具有从所述内盘的第一前面延伸至第二前面的中心孔和至少一个润滑油导管；其中所述至少一个润滑油导管通过自增强预先施加应力，包绕所述至少一个润滑油导管的一定体积的材料具有沿所述润滑油导管的整个轴向延伸的残余压缩环向应力；其中所述残余环向应力具有在所述第一前面与所述第二前面中间的中心位置处的第一值；并且其中沿所述润滑油导管的内表面的所述残余环向应力不小于所述第一值的20%，并且优选不小于40%，并且甚至更优选不小于60%。

9.一种超高压压缩机，包括缸、在所述缸中滑动地移动的柱塞，以及根据权利要求5至权利要求8中任一项所述的多个填料盘。