無泄漏壓縮機填料環的材料及形式的選用

刁品龍 侯超 龐巖衛 楊天鑫(沈陽遠大壓縮機股份有限公司,遼寧沈陽 110027)

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無泄漏壓縮機填料環的材料及形式的選用

刁品龍 侯超 龐巖衛 楊天鑫
(沈陽遠大壓縮機股份有限公司,遼寧沈陽 110027)

【摘 要】填料是非計劃停機原因中僅次于氣閥的第二大因素,填料環的可靠性是機組長期穩定運行的關鍵因素之一。同時,無泄漏壓縮機對填料處的泄漏抑制的要求比普通的往復式壓縮機的要求更高。本文綜述了無泄漏壓縮機填料環在迷宮機和普通往復機中的應用特點;簡介了新型油封環的使用場合;以及針對檢修的便捷性,對漏氣回收流程的改進。

【關鍵詞】迷宮密封環 無泄漏 填料函 填料環 漏氣回收

無泄漏壓縮機通常用于壓縮對泄漏量的要求較嚴格的氣體壓縮，如冷劑壓縮機、高純度氮氣壓縮機等。以冷劑、混合冷劑壓縮機為例，曾用于BOG再液化、LNG、合成焊割氣體等裝置。

冷劑、混合冷劑中的丙烷等烴類組分易溶于油，通過填料泄漏到機身油池后會使潤滑油的閃點和粘度下降。本文對無泄漏壓縮機填料環與普通填料環的異同加以探討。

1 迷宮壓縮機填料密封形式:迷宮環

許多無泄漏壓縮機采用閉式迷宮壓縮機的形式，迷宮壓縮機的填料均采用迷宮密封環。迷宮密封是通過增加流體流動的局部動能損失來減少流體的泄漏量，其形式如圖1。迷宮槽可以增加節流效果，它的密封性是由節流口數目確定的。在非接觸式密封中，迷宮密封的節流口結構可大大減少間隙密封那種桿與填料環互相接觸的危險。[1]

純粹從熱力學角度來看，迷宮流動是由節流截面上的等熵膨脹和空腔內的等壓回熱構成的。非接觸密封必須產生一個極高的流阻，以保持很小的泄漏損失。密封間距若太大，則空腔內湍流動能小，摩擦損失的熱能也少，密封性能差。[2]

迷宮環通常使用浸漬的石墨材料制造。對于常規的氣體溫度不大于200℃情況下的迷宮環，使用浸漬呋喃樹脂材料的石墨環。氣體由于渦流和碰撞，速動能轉換成摩擦熱，加之密封間距小、活塞在運行過程中會有細微傾角，導致長期運行中可能會有石墨粉進入漏氣回收孔道。而且由于疲勞應力，或在安裝、檢修過程中穿過活塞桿，石墨環容易產生裂紋，因此目前的迷宮環普遍增設周向箍緊彈簧，如圖1。機組維護過程中，需關注迷宮環是否完整，以及漏氣回收通道的暢通。

在臥式壓縮機中，迷宮環的密封間隙在活塞桿普遍存在下沉及跳動的情況下無法起到可靠的密封作用，所以迷宮環僅限于迷宮壓縮機中使用。

2 常規臥式壓縮機填料密封形式:組合密封環

如圖1，常規臥式壓縮機填料的密封結構同樣適用于一般的臥式無泄漏壓縮機，即包括漏氣密封環組、主密封環組和節流環。其區別是，通常無泄漏壓縮機整機不充保護氣，漏氣通過過濾、除油后返回工藝氣入口，實現無泄漏；為加強密封效果，適當增加主密封環組數量。

有油潤滑的填料，節流環可以采用錫青銅ZCuSn10Pb1。無油潤滑的條件下為避免燒研，則選用聚醚醚酮PEEK。PEEK具有自潤滑性，彈性遠大于金屬，耐溫性、熱穩定性好，線脹系數與金屬接近，冷流性小。主密封環組則按照常規，均選用填充聚四氟乙烯材料，活塞桿徑40mm以上的活塞式壓縮機普遍使用接觸式平面密封環。[3]

每組填料部件的各填料盒密封環，從理論上分析，其受力情況與活塞環相同，靠近氣缸側的填料環承受大部分的壓差，所以壽命最短。當其密封能力逐步降低后，再由下一盒承受主要負荷。因此，漏氣密封環在長時間內，兩側的壓力差不足以使密封環與填料盒接觸面良好貼合。針對這一點，一般臥式無泄漏壓縮機的填料漏氣密封環組可選用壓力環(或稱推力環)來提供軸向推力。壓力環與迷宮環一樣，采用浸漬樹脂或金屬的石墨材料，配合周向箍緊彈簧和軸向推力彈簧。

活塞桿采用表面陶瓷或碳化鎢處理，平時運行時接觸面溫度在120℃以內，但機組運行初期，填料環與活塞桿在前期磨合階段，或由于冷卻液冷卻效果不良、活塞下沉等原因，溫度會偏高。浸漬樹脂

或金屬的石墨材料有著較好的自潤滑性和導熱性，即使在干摩擦時，也不易出現咬合現象。但石墨材料熱脹系數比金屬的大，磨合期數天甚至數周會對石墨造成影響，與迷宮環長期運行的結果一樣，石墨粉可能會堵塞漏氣回收孔道。

漏氣回收孔道的堵塞會使本應被回收的漏氣被迫返回填料盒，并進一步沿活塞桿流入接筒隔室。石墨粉會妨礙填料環的自由空隙，也會使填料環與填料盒研磨面的貼合性下降，從而加劇泄漏。

因此，浸漬石墨環產生的石墨粉會給業主檢查和清理造成負擔，不宜于壓縮機的長期健康運行。

3 石墨粉堵塞的一條彌補思路:跨線吹掃

在最近的長嶺和邯鄲的冷劑壓縮機設計時，針對石墨粉的問題，漏氣回收系統流程中普遍增設了一條跨線，將整機開機吹掃管線上引出一條細管，與填料漏氣回收管線相連。即將接筒隔室的吹掃管線與接筒外的漏氣回收管線之間設置截止閥。這兩根管線通常都位于接筒下方，距離較近，增設跨線比較容易，如圖2。

這條跨線的操作方法是：開機前的吹掃時，將跨線閥打開，利用凈化風將堵塞在漏氣回收孔道中的石墨粉吹除。由于漏氣回收管線通常較細，凈化風的流向與機組運行時的漏氣方向相反，這個辦法對于石墨粉以及填充聚四氟乙烯等填料環的粉末、工藝氣中的碳粉等堵塞孔道的粉末都是有效的。

通過這條跨線，可以省去日常小修維護時拆檢填料的清通和組裝的不必要勞動，避免反復拆裝填料組件、填料環組引起易損件磕損、安裝不正等不良影響。

4 新型填料密封形式:油封環

上海賀爾碧格公司研發出的XperSEAL系統，可稱之為零泄漏活塞桿密封系統。其填料本身的密封部分由動密封環、緩沖腔、油封環和刮油環組成。該系統采用特殊結構的油封環理論上能實現填料的零泄漏，同時可以實現填料密封的狀態監測。該系統能提高壓縮機整體運行可靠性及降低長期運營的成本。

需要指出的是，這套系統采用液壓油實現密封，填料盒中泄漏的液壓油隨桿徑增大而增大。活塞桿表面狀況及加工質量的提升并不會根本上解決液壓油的泄漏。對于工藝流程對介質含油量有限制的機組，不適用該系統。

另外，該系統初期投資較大；易損件為廠家專用件，維護成本較高。因此，該系統于國內并沒有廣泛業績。對于排氣量大、介質昂貴、對泄漏量要求嚴苛的機組，可以綜合考慮使用該系統。

參考文獻:

[1]Karl Trutnovsky.非接觸密封(間隙密封與迷宮密封的原理和應用)[M].北京:機械工業出版社,1986.

[2]徐灝.密封[M].北京:冶金工業出版社,1999.

[3]化學工業部化工機械研究院.活塞式壓縮機的無油潤滑[M].北京:化學工業出版社,1982.