往復式活塞壓縮機高壓段填料密封改進方式分析

姚仲斯 韓麗

摘要：往復式壓縮機是化工企業中非常重要的機械設備，往復式活塞氮氫氣壓縮機在現代化工企業中應用十分廣泛，在企業生產中發揮著重要的作用。通過對高壓填料的研制，成功的解決了高壓情況填料處工藝氣體泄漏量大，密封元件使用壽命短的問題。本文介紹了針對高壓壓縮機設計的一種填料密封結構，實現減輕填料密封環負擔、減少密封環數量、縮小填料部件外形尺寸的目的。

關鍵詞：往復式活塞;高壓填料;改進方式

活塞式壓縮機中氣缸和活塞桿之間因為有相對滑動故均留有必要的間隙.壓縮機工作時為防止被壓縮的氣體從這些間隙中大量泄露，故需要采取密封措施.填料就是阻止氣缸內氣體自活塞桿與氣缸之間泄露的組件。對填料的基本要求是密封性能良好并耐用。

1、高壓填料的密封原理

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。第一密封面是填料環起密封作用的關鍵。如果第一密封面被破壞，填料環與柱塞之間出現間隙，氣體就會直接從間隙處流出，那么環背壓力就建立不起來，此時，填料環雖然仍然與填料函的端面接觸，但此密封面不能起到密封作用。第一密封面是以填料環的彈性元件提供的彈簧力為基礎建立的，該力與環背氣體壓力相比很小，后者是幫助前者加強密封的。如果彈簧的緊力消失，那么填料環與柱塞間就會出現間隙，氣體可直接從該處短路泄出，環背壓不能建立，此時密封失效。

2、填料密封損壞失效原因分析

通常來講，對于造成填料密封損壞失效的原因有很多，在這些原因中有些是因為設計方面的問題，有些是因為使用的問題。根據我們日常工作中的使用經驗，現將填料密封損壞的原因進行歸納，如下：

2.1密封環發生結焦，拉伸彈簧失效

現在壓縮機的使用領域中，會出現產生氣體中攜帶有大量的殘炭量、硫以及膠質等，這些含量有的時候會比較的多，由于氣體中富含了這些化學成分或者是組分，就會使得填料密封處的活塞桿發生侵蝕和腐蝕現象而形成斑斑點點，從而使得密封環和活塞桿之間的密封面出現很大程度的損壞，高壓的氣體就會從活塞桿的表面上高速的沖刷。與此同時，由于密封環的拉伸彈簧也會容易受到硫化鐵或者膠質的塞滿而發生失效現象，也是造成填料密封失效和損壞的原因，導致氣體的大量泄漏。

2.2氣體溫度比較高，高溫使得活塞桿和密封環失效損壞

壓縮氣體有時會有比較高的溫度，這種溫度主要是因為裝置處理量不斷的增大，使得機器前面換熱器的換熱效果大打折扣，從而使得介質在入口處的溫度高于40攝氏度，在氣體壓縮之后，介質的溫度就會高達180攝氏度左右，另外，因為氣缸的鏡面與活塞環貼合的不夠緊密，從而造成氣缸和活塞之間的空隙太大，壓縮氣體在氣缸內部循環壓縮時會導致排出的氣體溫度比較高。因為無油潤滑，所以活塞桿處于高溫狀態下就會很容易的發生拉毛的情況。

2.3減壓環導致的填料損壞

減壓環的主要作用就是在活塞開始做完曲軸側運動時，能夠阻止氣體從密封環向氣缸進行反沖，從而有效的平衡由于氣體泄漏而導致的壓力降低。假如這個阻止作用出現失效的情況，那么第一道密封環中的氣體壓力就會馬上下降，同時在接下來的氣缸進行膨脹做工時，壓力會很容易的回到吸入壓力，作用在第一道環上面的力就會突然變向，造成徑向環以及切向環發生撞擊，會對填料環產生破壞，常見的破壞有切向環唇口折斷、損害彈簧、徑向環和切向環連接橋折斷。通常來講，在整個密封環的結構中其主要密封作用的是切向環，所以，減壓環減壓效果如何會直接影響到后續密封組件的密封效果以及使用壽命。

3、影響填料使用壽命的主要因素及預防措施

3.1 柱塞密封填料函的密封面

3.1.1 密封面破壞形式：設備經過一段時間的使用，密封面表面發生不同程度的破壞，較嚴重的如因疲勞問題引起的疲勞破壞和疲勞裂紋，密封面發生微振磨損及氣體滲透現象等破環形式。？

3.1.2 預防措施：為一定程度上消除大的脈動壓力及影響，填料函和氣缸都采用了熱壓套的雙層結構，該結構可以對承受應力最高的區域施加一個壓縮應力，從而消除此處的部分脈動壓力，減少相應的疲勞應力。為進一步減緩微動磨損和氣體滲透，對于結構不連續處等易產生應力集中的區域，填料函結構上要采用圓角過渡形式。但由于填料函磨損嚴重，每次檢修都要重新研磨，該圓角易被忽視或難以保證。因此，每次檢修應采用著色探傷或磁粉探傷等方法對密封表面進行定期檢查，發現疲勞破壞或裂痕時應及時修復。在對密封面進行修復和研磨時，經檢查在確認無裂紋，按相應標準將棱角倒圓，消除局部應力集中，并保證在安裝時密封面與柱塞軸線垂直。

在填料函的維修與修復時，對密封面研磨后應將其剖面形狀恢復，保證在安裝填料環的一側配合面上的1。角形狀，保證1。角區域的寬度，密封面與1。的角之間的棱一定要進行倒圓，從而有效減小填料函結合面上不連續區域的應力。填料函厚度應保證在允許范圍內，有效防止彎曲變形和彎曲應力的破壞。填料函的密封面表面在保證尺寸和形狀精度前提下，平面度不大于0.001mm，平行度不大于0.02 mm。

3.2 填料環損壞失效

3.2.1填料環損壞原因：對壓縮機填料環損壞原因進行分析后發現，其主要原因有內部潤滑、填料環的腐蝕以及低聚物影響等方面。

當填料環磨損到一定程度，填料的密封條件被破壞，其密封作用就完全喪失，原來由填料函內氣體壓力維持密封環抱緊柱塞的作用力消失，徑向接觸比壓和軸向接觸比壓達不到密封要求，密封環的跟隨性效果變差，致使填料環僅完全依靠填料彈簧預緊力維持填料環隨柱塞作周期性的往復振動，使彈簧受到周期性的扭力，同時隨著氣缸的吸、排氣過程，造成了失效填料環疲勞斷裂，導致填料組件在與柱塞接觸時壓力增大，磨損加快，最終將填料組件磨斷，這就是填料環折斷，彈簧斷裂的原因。

3.2.2采取的措施：預防填料環損壞的措施：為保證柱塞和填料環的良好潤滑，選擇滿足要求的潤滑油，為盡量降低柱塞與填料環的溫度，還要保證內部潤滑油流量，一般設定油泵滿程的 70%以上。檢修過程要嚴格控制有關間隙尺寸，保證裝配精度，尤其是填料修復后，一定消除尖角和尖棱，保證過渡圓滑。在工藝生產過程中要求壓縮機上游過濾器良好在線運行，合適的操作溫度，保證低聚物流動性，增加排低聚物的頻次，減少積聚。

4、結論

在高壓力工況填料泄漏量大，需要經常更換密封元件的問題。通過高壓填料的研制成功得已解決。很大程度上減少了工藝氣的泄露量，避免工藝氣體的浪費。特別是在壓縮一些珍貴氣體時，所產生的經濟效益特別明顯。

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（作者單位：沈陽金博氣體壓縮機制造有限公司）