超高壓往復式壓縮機填料密封的失效及其對策

劉尚明（本溪市化學工業學校)

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超高壓往復式壓縮機填料密封的失效及其對策

劉尚明*
（本溪市化學工業學校)

摘要對于超高壓往復式壓縮機，其填料密封的失效是化工企業設備維護需要面對的一個重要問題。從填料密封原理入手，介紹了常見的密封失效在填料函、填料環和柱塞上的表現形式，分析了填料密封的失效原因，并從設計、安裝、維護和操作等幾方面提出了預防填料密封失效的措施。

關鍵詞往復式壓縮機超高壓填料密封失效磨損疲勞斷裂

*劉尚明，男，1971年生，工學碩士，高級講師。本溪市，117000。

填料密封又叫壓蓋填料密封，是阻止氣缸內氣體自活塞桿與氣缸之間泄漏的部件。填料密封因其結構簡單、成本低廉、維修方便而在流體密封領域應用非常廣泛。超高壓往復式壓縮機作為化工企業的核心設備，填料密封是影響其運行的重要部件，它的工作可靠性決定了壓縮機的運行周期。但是高壓填料密封在氣體作用、機械運動沖擊、摩擦等引起的周期性交變載荷作用下工作，常發生疲勞損壞和失效，致使密封的使用壽命大大縮短，甚至造成停車等生產事故。有資料顯示，因填料密封泄漏造成壓縮機系統停車的占各種原因停車次數的42%，因此對填料密封失效的研究顯得尤為重要。

1　密封原理

超高壓往復式壓縮機的填料密封主要作用是防止氣缸中的氣體沿著活塞桿方向泄漏。填料密封多由多級密封元件組成，主要由密封元件、導向環、氣體節流環、填料函、熱裝缸套、注油冷卻系統和低壓填料等部分組成。在每個密封單元中兩填料環都是由彈簧提供徑向壓力而對柱塞表面產生預緊，填料環與填料函室間充滿密封氣體，形成第一密封面。在此條件下被密封的氣體因不能通過柱塞與填料環的間隙，便進入填料環與環槽即填料函之間的側隙，并充滿背隙空間。側隙內氣體壓力使填料環與下一道填料函的密封端面壓緊，形成第二密封面。同時，背隙中的氣體壓力作用于填料環的背面，又加強了第一密封面密封效果。

2　填料密封的失效形式

失效在填料密封各組成部分都有可能發生，但是表現形式各不相同。

2.1填料函的磨損及損壞

主要是密封面表面出現麻點、小坑、凹痕等。損壞的進一步表現是出現過度磨損，甚至出現裂紋。

2.2填料環的磨損及破壞

填料環磨損，即出現嚴重的毛邊、偏磨等現象。填料環表面變色，即出現大量的麻點、麻坑等現象，嚴重時填料環還會出現裂紋甚至斷裂。填料的過度腐蝕也是一種主要的失效形式。

2.3柱塞的損傷

柱塞的損傷有：柱塞表面出現粘結、裂紋，外形出現偏磨等尺寸及形位公差變化。另外，柱塞掛銅，也就是柱塞表面與填料接觸部位出現填料中銅錫等元素與柱塞融合的現象，例如在柱塞表面形成一層銅衣，這會使柱塞的使用壽命大大降低。

3　失效原因分析

3.1微動疲勞磨損引起的失效

超高壓往復式壓縮機工作時各級填料盤所承受的內部壓力是不同的。當壓縮機吸氣時，靠近氣缸的填料盤受到的壓力大于遠離氣缸的填料盤，產生的形變也大。當壓縮機排氣時，氣缸內部壓力升高，填料盤的內壓進一步升高，相鄰填料盤的形變增大，而且相鄰兩填料盤形變不相同。每一次壓力波動都會使相鄰填料盤接觸面產生滑動和摩擦，進而產生磨損。從失效的形式來看，填料盤的變化是微米級的，產生的磨損是微動疲勞磨損，磨損失效產生的裂紋是微動疲勞裂紋。微動疲勞裂紋的延伸會造成填料盤的開裂和報廢。

3.2疲勞斷裂造成的失效

在活塞運動方向突然發生轉向后，填料環會隨著填料裝置的振動而周期性地振動，速度越大振幅也越大[1]。這種振動壓力從宏觀上來看，是作用在填料函整個密封面上的，但是其主要作用在過渡圓角、空洞等處。特別是該波動壓力作用在填料盤內部輸油孔上，引起輸油孔應力集中，當超過填料盤材料疲勞強度后就會在孔邊緣處產生裂紋，裂紋逐步成長，最后填料盤斷裂。

3.3填料環的密封失效

在運行過程中，潤滑油與工作過程中生成的低聚物易形成黏度大、流動性差的混合物，它會影響填料環內的潤滑油存量，阻塞填料環間隙，降低潤滑效果[2]。另外，壓縮機的潤滑油在工作時會產生氧化現象，并形成酸性物質，這會引起填料環腐蝕。正常工作時，填料環與柱塞合理配合，可減少氣體的泄漏。這個過程產生一定的熱量，這個熱量和氣體壓縮產生的熱量共同作用，促進了填料環的腐蝕，使密封面在徑向和軸向都產生腐蝕麻點。

填料密封對顆粒介質較為敏感[3]。壓縮機的工藝氣體有時夾帶雜質進入填料函，正常工作狀態下可以在允許范圍內夾帶雜質。但是當壓縮機停車后雜質在填料函內冷卻，雜質會變硬，再次開車時就會加劇磨損。

3.4柱塞的損壞

柱塞的損壞主要是填料失效后沒有及時停車，發生了較長時間的磨損，引起了柱塞偏磨，或者出現了坑凹、裂紋等。柱塞掛銅的原因主要是潤滑不良，或新填料緊箍在柱塞上，造成柱塞水平、垂直擺動幅度較大，造成填料與柱塞直接接觸，填料中的銅就很容易進入柱塞表面的間隙內。

4　防止填料密封失效的措施

4.1設計對策

設計中盡可能避免出現尖角等應力集中的部位，以免造成疲勞裂紋引起失效。同時，在密封接觸面采用鍍特殊金屬的方法可以有效改善接觸面的摩擦特性，降低接觸面微動磨損的危險性。

4.2維修對策

（1）維護檢查

維修中應注重對填料函內部進行詳細檢查，可以用目視或放大鏡重點檢查尖銳角、溝槽、空洞等部位，觀察是否出現裂紋、麻坑、磨損等現象，也可以用磁粉探傷等方法檢查各密封面，檢查是否出現微裂紋。

對檢查發現的問題要及時修復，如對微裂紋可以研磨10 μm后再進行探傷，在確定無裂紋或磨損達到要求后，可進行下一步操作。對油孔、油槽等部位進行手工油石修復。對一些易產生應力集中的部位可以噴丸硬化，提高關鍵區域的疲勞強度。

（2）填料安裝

每個填料函在維修之后都會發生一定的偏差和變形，因此在維修中要嚴格遵守檢查維修標準，控制有關間隙尺寸，確保裝配精度，盡可能地減小變形。各密封面的平面度、平行度、垂直度、粗糙度達不到要求的，絕不能安裝。認真按照檢修規程進行操作，拆卸及組裝填料密封時，做到文明施工，一定要用專用工具進行施工。

檢修柱塞和更換填料時要避免水接觸柱塞，在發現柱塞掛銅后要及時更換。對拆卸下來的柱塞要注意保護，盡力避免用手直接接觸柱塞表面，拆卸的柱塞應放在專用的容器內。

4.3操作對策

開車初期泄漏量有增大現象。開車初期填料密封泄漏量較大，柱塞溫度上升并在較高溫度下運行，柱塞水平、垂直振動波動極大，甚至上升至高報警點。這些現象在開車初期是正常的，因為開車初期內部油潤滑系統、潤滑油和高壓填料、柱塞相互之間有一個趨于平衡的過程[4]。因此，開停車時可適當加大潤滑油的注入量，并加大冷卻能力。

在日常工作中，應加大壓縮機前段過濾器的檢查，盡可能減少壓縮氣體的雜質夾帶量，保證在填料函內的雜質量處于可接受的范圍。更換新填料和柱塞時必須保證一定的跑合時間，以提高填料的使用壽命。做好柱塞溫度、振動、氣體泄漏量和泄漏氣溫度等的實時監控，盡可能減少因工藝波動造成的壓力波動對填料的影響。

填料密封在超高壓下工作，一般的潤滑油在此工況下已經接近固態，因此選用的潤滑油應具有良好的黏壓特性，以保證在超高壓下油品仍具有優良的輸送性和潤滑性[5]。此外，填料密封正常工作時潤滑油油量應充足，這樣就可使填料函內各元件和柱塞形成的間隙空間充滿油，在柱塞和填料表面形成油膜，以確保填料密封穩定工作。

5　結語

超高壓往復式壓縮機填料密封的失效形式、失效特征多種多樣，失效的原因主要集中在設計、使用、維護和工藝狀況發生改變等方面。因此，超高壓往復式壓縮機填料密封需要在設計、制造、安裝、使用、維護等多方面努力，推動填料密封技術和理論的進一步完善，促使其應用更加成熟。

參考文獻

[1]楊學賓，晉新橋，杜志敏，等.往復式無油潤滑壓縮機填料密封的摩擦力研究[J] .上海交通大學學報，2009,43（4）：669-673.

[2]李群松，易衛國，楊謙.新氫壓縮機填料密封故障分析及改進[J] .潤滑與密封，2011,36（12）：96-99.

[3]晉文濤.柱塞泵填料密封的改進[J] .化工裝備技術，2014,35（5）：60-61.

[4]張紹武，耿東方.超高壓往復式壓縮機常見故障及對策[J] .化工機械，2014,41（5）：683-686.

[5]范鐵生，劉永偉.LEPD裝置超高壓壓縮機氣缸潤滑油使用研究[J] .甘肅石油和化工，2013，（3）：44-46.

化工機泵

Failure of the Packing Seal of Ultrahigh Pressure Reciprocating Compressor and Its Countermeasures

Liu Shangming

Abstract：The failure of the packing seal of the ultrahigh pressure reciprocating compressor is a crucial problem for the equipment maintenance to the chemical enterprises.According to the principle of the packing seal, the expression forms of the common seal failure in the stuffing box, packing ring and plunger are introduced and the reasons are analyzed.Furthermore, the countermeasures to avoid the failure of the packing seal are presented from the aspects of design, installation, maintenance and operation.

Key words：Reciprocating compressor; Ultrahigh pressure; Packing seal; Failure; Wear; Fatigue break

收稿日期：（2015-07-07）

中圖分類號TQ 051.21

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.02.011