往復(fù)壓縮機(jī)填料密封工作原理及失效機(jī)理分析

董春玲

（中國石油大慶煉化公司，黑龍江大慶 163411）

0 引言

往復(fù)壓縮機(jī)在石油煉制行業(yè)極為常見，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損件多，其中填料密封故障便是發(fā)生率較高的一項(xiàng)，不僅影響設(shè)備正常工作，給生產(chǎn)帶來安全隱患，而且機(jī)組的頻繁停機(jī)維修、更換填料密封，零部件成本高，大大增加了維修費(fèi)用。某異構(gòu)脫蠟裝置的循環(huán)氫壓縮機(jī)，近5 年來共進(jìn)行檢維修13 次，其中填料密封故障維修達(dá)7 次，占比53.8%。因此，本文對往復(fù)壓縮機(jī)填料密封泄漏的原因進(jìn)行分析研究，以便及時采取相應(yīng)措施延長填料密封的使用壽命。

1 填料密封結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 壓縮機(jī)組主要參數(shù)和填料密封基本結(jié)構(gòu)

循環(huán)氫壓縮機(jī)組的型號為2HD/1-1，一極二列對稱型，入口壓力為12.0 MPa，出口壓力為13.1 MPa，入口溫度40 ℃，出口溫度79 ℃。

高壓填料密封通常由多組填料環(huán)組成，每組填料環(huán)單獨(dú)裝配在各自的填料盒中（圖1）。異構(gòu)脫蠟裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)的填料密封為8 組，從介質(zhì)側(cè)到大氣側(cè)（既高壓側(cè)到低壓側(cè)）分別為：第1個是起減壓作用的阻流環(huán)或減壓環(huán)；第2 個到第6 個為主密封環(huán)，阻止介質(zhì)泄漏到排氣管的主要部件；第7 個和第8 個是氮?dú)饷芊猸h(huán)（也叫尾氣密封環(huán)），阻止介質(zhì)泄漏到隔離室。

圖1 密封盒結(jié)構(gòu)示意

1.2 各部件作用及工作原理

阻流環(huán)限制和控制介質(zhì)泄漏，高壓氣體經(jīng)過阻流環(huán)壓力大大降低，壓縮機(jī)吸氣時，氣缸中的壓力會迅速降低，填料盒中的介質(zhì)就有快速流回氣缸的趨勢，而阻流環(huán)就會起節(jié)流作用、阻止介質(zhì)從填料盒反向流回氣缸。如果沒有這種限制，后邊的主密封環(huán)會過早損壞甚至直接爆開，密封失效。

主密封環(huán)由兩部分組成，一個徑向環(huán)和一個切向環(huán)，徑向環(huán)主要是用來覆蓋切向環(huán)切口，切向環(huán)是起到主要密封作用的部件（圖2）。

圖2 主密封環(huán)示意

（1）徑向環(huán)是輔助密封，材料為青銅，裝配在介質(zhì)側(cè)，迎著高壓氣體，徑向環(huán)內(nèi)徑略大于活塞桿直徑，壓縮機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不與活塞桿緊密貼合，在氣缸吸氣和排氣時，起到減壓與限流作用，能防止非金屬的切向環(huán)被擠壓變形和過度磨損。

（2）切向環(huán)是主要密封部件，主要材料為PEEK（聚醚醚酮），緊貼著徑向環(huán)裝配在低壓側(cè)，在壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，切向環(huán)在彈簧力的作用下緊抱活塞桿，阻止氣體泄漏。在壓縮階段，氣缸內(nèi)壓力升高，高壓氣體推動填料密封靠向低壓側(cè)，氣體在密封環(huán)前后形成壓差達(dá)到密封作用，共形成3 個密封面：①徑向環(huán)與切向環(huán)形成密封面；②切向環(huán)與填料盒壁面形成密封面；③切向環(huán)與活塞桿形成密封面（圖3）。氣體經(jīng)過每組密封環(huán)后，泄漏到下一組氣體仍會通過氣體壓差建立密封面，達(dá)到阻止氣體泄漏目的，氣體經(jīng)過主密封環(huán)后泄漏量逐級減少，壓力逐漸降低，到最后泄漏量已經(jīng)很少，通過排氣孔排放到低壓瓦斯系統(tǒng)回收。在吸氣階段，氣缸內(nèi)壓力快速下降，部分氣體沿徑向環(huán)的切口間隙倒回氣缸，填料盒內(nèi)的氣體壓力恢復(fù)低壓，在下一次壓縮過程中，主密封環(huán)組前后又能形成新的壓差、達(dá)到密封作用。

圖3 主密封環(huán)工作原理

尾氣密封環(huán)又稱氮?dú)饷芊猸h(huán)，在最后兩道填料密封環(huán)之間通入保護(hù)氣氮?dú)猓瑲錃饨?jīng)過前方阻流環(huán)和主密封環(huán)后，壓力和泄漏量已經(jīng)很低，氮?dú)鈮毫ψ阋宰柚箽錃庑孤┲粮綦x室，尾氣密封環(huán)通過銷釘將兩個切向環(huán)對接在一起，而徑向切口間隙互相錯開，可以有效阻止氣體外泄。

2 填料密封失效分析

壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，填料密封環(huán)在氣體壓差的作用下形成3 個密封面，起到密封作用。影響密封面失效的因素有很多，在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)轉(zhuǎn)、維護(hù)過程中的都有存在，這些因素中的一個或多個作用都有可能導(dǎo)致填料密封失效。影響密封失效因素可以分為兩大類，分別是機(jī)械因素和輔助系統(tǒng)因素。

2.1 機(jī)械因素

（1）活塞桿?；钊麠U引起泄漏的原因主要有4 個：①活塞桿制造工藝差，直徑偏小或橢圓度不符合要求，在填料密封彈簧作用下無法抱緊活塞桿，切向密封環(huán)與活塞桿之間的密封面無法建立，密封失效；②活塞桿在運(yùn)輸、存放期間有下沉，導(dǎo)致徑向跳動度大，造成密封失效；③活塞桿表面出現(xiàn)細(xì)微劃痕，密封面貼合不良；④工藝介質(zhì)含有腐蝕性氣體，導(dǎo)致活塞桿表面被腐蝕。

（2）填料盒。填料盒引起泄漏的原因主要有3 個：①設(shè)計(jì)或制造尺寸略小，導(dǎo)致填料盒與內(nèi)部密封環(huán)之間的軸向間隙變小。在壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，溫度升高，填料盒和密封環(huán)受熱膨脹，因軸向間隙偏小，無法建立氣體壓差，也就無法形成密封面；②壓縮機(jī)做往復(fù)運(yùn)動，密封環(huán)與填料盒持續(xù)相對運(yùn)動，造成密封面受損；③填料盒連接螺栓預(yù)緊力不足或螺母損壞導(dǎo)致松動，造成填料盒松動，進(jìn)而軸向間隙增大。

（3）彈簧。因彈簧引的泄漏主要是因?yàn)閺椈闪υO(shè)計(jì)不足、補(bǔ)償性差，密封環(huán)不能抱緊活塞桿等。

（4）密封環(huán)。密封環(huán)引起泄漏的原因主要有5 個：①密封環(huán)制造工藝不良或加工誤差導(dǎo)致密封面缺陷問題導(dǎo)致泄漏；②密封環(huán)存放環(huán)境不良，包裝受損、導(dǎo)致受潮或變形，或是強(qiáng)光直射導(dǎo)致老化變質(zhì)；③切向環(huán)材料為PEEK，材料雖然耐磨但很硬，自潤滑性能較弱，在與活塞桿反復(fù)硬性接觸中會產(chǎn)生摩擦熱，使活塞桿的溫度升高，導(dǎo)致軸向間隙縮小、出現(xiàn)泄漏；④安裝前，未檢查密封環(huán)表面是否夾硬性顆粒，安裝過程中密封環(huán)表面保護(hù)不到位，硬物磕碰導(dǎo)致受損；⑤密封環(huán)安裝順序不正確，徑向切口需朝向高壓側(cè)。

（5）墊圈。填料盒中可能出現(xiàn)泄漏的零件還有墊圈，原因主要有兩個：①所用墊圈的材料或工藝無法保證足夠的預(yù)緊力；②墊圈金屬槽銹蝕或積蓄雜質(zhì)污垢，墊圈安裝不平整，受力不均發(fā)生擠壓變形。

2.2 輔助系統(tǒng)因素

（1）冷卻水系統(tǒng)。若冷卻水水質(zhì)差、造成管路堵塞，冷卻水流量下降或斷流、影響填料盒冷卻效果，運(yùn)轉(zhuǎn)中的多余熱量無法及時帶走，軸向間隙縮小，影響密封效果，并且可能造成潤滑油高溫結(jié)焦。

（2）潤滑油系統(tǒng)。若注油器故障導(dǎo)致供油不暢或無法供油，將造成密封環(huán)與活塞桿發(fā)生干磨，嚴(yán)重時將致活塞桿表面劃傷，密封失效。

（3）氮封系統(tǒng)。如果氮封壓力不穩(wěn)定、時大時小，也會影響密封效果。在壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)?shù)鈮毫^小時無法阻止氫氣進(jìn)入隔離室，并且無法撐起尾氣密封環(huán)，使其與活塞桿摩擦，導(dǎo)致溫度逐漸升高；氮封壓力過大時，又會使尾氣密封環(huán)被壓到活塞桿上，也會與活塞桿過度摩擦并生熱。摩擦生熱會使主密封環(huán)膨脹，縮小密封環(huán)與填料盒間軸向間隙出現(xiàn)泄漏。

3 結(jié)語

往復(fù)壓縮機(jī)填料密封是一個復(fù)雜而多變的過程，密封失效可能是多方面共同作用的結(jié)果。結(jié)合填料密封工作原理，現(xiàn)場檢修實(shí)際情況，并查閱文獻(xiàn)、搜集資料，參考其他學(xué)者研究成果，總結(jié)分析造成填料密封失效故障的原因，在實(shí)際生產(chǎn)中對往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷起到參考指導(dǎo)作用，以降低往復(fù)壓縮機(jī)泄漏故障的發(fā)生，減少維修頻次，保障機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行。