往復(fù)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(fù)式壓縮機是化工企業(yè)中非常重要的機械設(shè)備，往復(fù)式活塞氮氫氣壓縮機在現(xiàn)代化工企業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，在企業(yè)生產(chǎn)中發(fā)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(shè)計的一種填料密封結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)減輕填料密封環(huán)負(fù)擔(dān)、減少密封環(huán)數(shù)量、縮小填料部件外形尺寸的目的。

關(guān)鍵詞：往復(fù)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(nèi)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(huán)都是由彈簧提供徑向壓力而對柱塞表面產(chǎn)生預(yù)緊，填料環(huán)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(huán)的間隙，便進入填料環(huán)與環(huán)槽即填料函之間的側(cè)隙，并充滿背隙空間。側(cè)隙內(nèi)氣體壓力使填料環(huán)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(huán)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(huán)起密封作用的關(guān)鍵。如果第一密封面被破壞，填料環(huán)與柱塞之間出現(xiàn)間隙，氣體就會直接從間隙處流出，那么環(huán)背壓力就建立不起來，此時，填料環(huán)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(huán)的彈性元件提供的彈簧力為基礎(chǔ)建立的，該力與環(huán)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(huán)與柱塞間就會出現(xiàn)間隙，氣體可直接從該處短路泄出，環(huán)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(shè)計方面的問題，有些是因為使用的問題。根據(jù)我們?nèi)粘９ぷ髦械氖褂媒?jīng)驗，現(xiàn)將填料密封損壞的原因進行歸納，如下：

2.1密封環(huán)發(fā)生結(jié)焦，拉伸彈簧失效

現(xiàn)在壓縮機的使用領(lǐng)域中，會出現(xiàn)產(chǎn)生氣體中攜帶有大量的殘?zhí)苛?、硫以及膠質(zhì)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(xué)成分或者是組分，就會使得填料密封處的活塞桿發(fā)生侵蝕和腐蝕現(xiàn)象而形成斑斑點點，從而使得密封環(huán)和活塞桿之間的密封面出現(xiàn)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(huán)的拉伸彈簧也會容易受到硫化鐵或者膠質(zhì)的塞滿而發(fā)生失效現(xiàn)象，也是造成填料密封失效和損壞的原因，導(dǎo)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(huán)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(zhì)在入口處的溫度高于40攝氏度，在氣體壓縮之后，介質(zhì)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(huán)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(nèi)部循環(huán)壓縮時會導(dǎo)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(tài)下就會很容易的發(fā)生拉毛的情況。

2.3減壓環(huán)導(dǎo)致的填料損壞

減壓環(huán)的主要作用就是在活塞開始做完曲軸側(cè)運動時，能夠阻止氣體從密封環(huán)向氣缸進行反沖，從而有效的平衡由于氣體泄漏而導(dǎo)致的壓力降低。假如這個阻止作用出現(xiàn)失效的情況，那么第一道密封環(huán)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(huán)上面的力就會突然變向，造成徑向環(huán)以及切向環(huán)發(fā)生撞擊，會對填料環(huán)產(chǎn)生破壞，常見的破壞有切向環(huán)唇口折斷、損害彈簧、徑向環(huán)和切向環(huán)連接橋折斷。通常來講，在整個密封環(huán)的結(jié)構(gòu)中其主要密封作用的是切向環(huán)，所以，減壓環(huán)減壓效果如何會直接影響到后續(xù)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(yù)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(shè)備經(jīng)過一段時間的使用，密封面表面發(fā)生不同程度的破壞，較嚴(yán)重的如因疲勞問題引起的疲勞破壞和疲勞裂紋，密封面發(fā)生微振磨損及氣體滲透現(xiàn)象等破環(huán)形式。？

3.1.2 預(yù)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(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以對承受應(yīng)力最高的區(qū)域施加一個壓縮應(yīng)力，從而消除此處的部分脈動壓力，減少相應(yīng)的疲勞應(yīng)力。為進一步減緩微動磨損和氣體滲透，對于結(jié)構(gòu)不連續(xù)處等易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域，填料函結(jié)構(gòu)上要采用圓角過渡形式。但由于填料函磨損嚴(yán)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(yīng)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(fā)現(xiàn)疲勞破壞或裂痕時應(yīng)及時修復(fù)。在對密封面進行修復(fù)和研磨時，經(jīng)檢查在確認(rèn)無裂紋，按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)將棱角倒圓，消除局部應(yīng)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(fù)時，對密封面研磨后應(yīng)將其剖面形狀恢復(fù)，保證在安裝填料環(huán)的一側(cè)配合面上的1。角形狀，保證1。角區(qū)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(jié)合面上不連續(xù)區(qū)域的應(yīng)力。填料函厚度應(yīng)保證在允許范圍內(nèi)，有效防止彎曲變形和彎曲應(yīng)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(huán)損壞失效

3.2.1填料環(huán)損壞原因：對壓縮機填料環(huán)損壞原因進行分析后發(fā)現(xiàn)，其主要原因有內(nèi)部潤滑、填料環(huán)的腐蝕以及低聚物影響等方面。

當(dāng)填料環(huán)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(nèi)氣體壓力維持密封環(huán)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(huán)的跟隨性效果變差，致使填料環(huán)僅完全依靠填料彈簧預(yù)緊力維持填料環(huán)隨柱塞作周期性的往復(fù)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(huán)疲勞斷裂，導(dǎo)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(huán)折斷，彈簧斷裂的原因。

3.2.2采取的措施：預(yù)防填料環(huán)損壞的措施：為保證柱塞和填料環(huán)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(huán)的溫度，還要保證內(nèi)部潤滑油流量，一般設(shè)定油泵滿程的 70%以上。檢修過程要嚴(yán)格控制有關(guān)間隙尺寸，保證裝配精度，尤其是填料修復(fù)后，一定消除尖角和尖棱，保證過渡圓滑。在工藝生產(chǎn)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(jié)論

在高壓力工況填料泄漏量大，需要經(jīng)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(chǎn)生的經(jīng)濟效益特別明顯。

參考文獻

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（作者單位：沈陽金博氣體壓縮機制造有限公司）