趙利娜 周 鵬 陳宗華

（三一能源重工有限公司)

應(yīng)用研究

碳環(huán)密封的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

趙利娜*周 鵬 陳宗華

（三一能源重工有限公司)

介紹了壓縮機(jī)機(jī)組中常用的碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)，包括石墨環(huán)結(jié)構(gòu)及材料、石墨環(huán)加工方法、碳環(huán)安裝方法、碳環(huán)密封試驗方法及應(yīng)用場合。

壓縮機(jī) 碳環(huán)密封 碳環(huán) 密封試驗

0 前言

碳環(huán)密封屬于非接觸式密封裝置，是浮環(huán)密封的一種形式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。碳環(huán)密封的工作原理與浮環(huán)密封相同，不同的是其浮環(huán)材料采用非金屬石墨環(huán)材料。碳環(huán)密封的結(jié)構(gòu)包括環(huán)形密封腔和環(huán)形軸套 （軸套也可不使用）。密封腔內(nèi)至少裝有兩個截面為矩形的環(huán)形石墨密封環(huán) （也叫碳環(huán)），通過控制碳環(huán)內(nèi)徑與環(huán)形軸套之間的間隙來達(dá)到密封效果。碳環(huán)和軸之間的單邊間隙通常取為3～10 μm，密封介質(zhì)可以為空氣、 N2、CO2、氨氣等。

1 碳環(huán)

碳環(huán)相當(dāng)于浮環(huán)密封中的動環(huán)，材質(zhì)為炭精。碳環(huán)材料按照J(rèn)B/T 9580規(guī)定分兩類：機(jī)械用碳類和特種石墨類。機(jī)械用碳類碳環(huán)采用的浸漬物為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、巴氏合金、鋁合金、銅合金等。特種石墨類碳環(huán)主要采用硅作為浸漬物，硬度較大。

圖1 碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)

碳環(huán)應(yīng)做水壓試驗，持續(xù)10 min不得有滲漏。碳環(huán)加工不允許有裂紋、氧化、分層、貫穿性麻點(diǎn)等缺陷。碳環(huán)結(jié)構(gòu)可以為整體式，也可以為分瓣式，常見的為三瓣式。碳環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中圖2（a）為整體式碳環(huán)結(jié)構(gòu)，安裝方式為從軸向安裝。圖2（b）為三瓣式碳環(huán)結(jié)構(gòu)，安裝時用彈簧箍在一起，安裝在密封腔體內(nèi)。圖2（c）是多瓣式碳環(huán)結(jié)構(gòu)[1]，切割成多段的密封圈合圍成一個圓環(huán)，被切割的每段密封環(huán)的切口為斜切口，且每段切口是沿著同一方向進(jìn)行平均切割，斜切口的切線為密封環(huán)內(nèi)圓周的圓周切線，保證密封環(huán)在磨損之后碳環(huán)沿著斜切口向內(nèi)滑移貼近軸套，使密封間隙保持不變。圖2（d）為具有自動補(bǔ)償能力的無間隙碳環(huán)形式，其作用原理與圖2（c）相似，均利用碳環(huán)外圓周槽上的碳環(huán)實現(xiàn)碳環(huán)的自動補(bǔ)償[2]。

圖2 碳環(huán)結(jié)構(gòu)

碳環(huán)的肖氏硬度為45～90 HS。碳環(huán)在高溫高壓下與旋轉(zhuǎn)軸接觸容易導(dǎo)致軸的疲勞磨損，因此經(jīng)常在軸外設(shè)置軸套，并將軸套接觸表面進(jìn)行硬度處理，涂三氧化二鋁或者三氧化二鉻，或者采用純鉻涂層。當(dāng)轉(zhuǎn)速和壓力不高時，可直接對軸表面進(jìn)行涂層處理，以提高軸的接觸硬度，達(dá)到保護(hù)旋轉(zhuǎn)軸的目的。軸套外表面涂有耐磨層，涂層材料一般為三氧化二鋁或三氧化二鉻。碳環(huán)密封用于密封易燃、易爆、有毒等有害氣體時，密封腔內(nèi)可以充入緩沖氣，通常為惰性氣體氮?dú)?，以保證氣體的零泄漏。

碳環(huán)在-120℃時因本身的自潤性降低，影響與軸的配合， 會降低密封效果。 專利CN202001607U介紹了一種可用于低溫密封的碳環(huán)結(jié)構(gòu)[3]，主要是在碳環(huán)密封座的外圓周上添加鋁制（也可為銅制）的加熱環(huán)，用抱箍和螺栓對加熱環(huán)進(jìn)行固定，加熱環(huán)內(nèi)布有電加熱管線，與外部加熱控制電源相連，通過溫控儀控制整個密封的使用溫度。

2 碳環(huán)加工方法

流體在通過碳環(huán)密封時是通過逐級節(jié)流降壓實現(xiàn)密封的，故在碳環(huán)組裝前通過人工研刮碳環(huán)內(nèi)徑來控制其與主軸的間隙，使間隙在技術(shù)要求數(shù)值范圍內(nèi)。碳環(huán)有一定的硬度，新備件碳環(huán)留有加工余量，多采用機(jī)加工來替代人工研刮，以提高加工精度。整體式碳環(huán)的加工精度可通過控制加工速度、進(jìn)刀量和加強(qiáng)冷卻的方法來保證。對于分瓣式碳環(huán)需要采用專用工裝才能保證加工精度[4]。專用工裝應(yīng)保證精度定位與設(shè)計基準(zhǔn)重合，夾緊力與支撐點(diǎn)要對應(yīng)。

3 碳環(huán)徑向?qū)χ醒b置

在軸未啟動時，由于重力作用碳環(huán)會與軸接觸，而在軸下方形成月牙形間隙氣膜。當(dāng)軸啟動時，氣膜的壓力會使碳環(huán)浮起，使之趨向于與軸同心?？臻g間隙小，流體動壓力就小，自動趨向軸心的能力就較差，因而大多采用橡膠O形圈進(jìn)行定位。O形圈既不會影響楔形氣膜的形成，又減少了碳環(huán)在靜態(tài)下的偏心度，同時也減少了泄漏量。O形圈也可以用彈簧、壓簧等來代替。碳環(huán)在壓簧的作用下，當(dāng)密封氣的壓力降低時碳環(huán)仍可以保持對正中心位置。碳環(huán)在外徑圓上開槽以便于其與O形圈進(jìn)行裝配，或者直接與壓簧過盈配合。碳環(huán)及其對中結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 碳環(huán)對中結(jié)構(gòu)

4 碳環(huán)軸向?qū)χ醒b置

旋轉(zhuǎn)軸在工作狀態(tài)下會發(fā)生軸向竄動，這就要求碳環(huán)在軸向方向具有一定的彈性位移。在工程應(yīng)用中通常采用以下方式來進(jìn)行軸向定位：一是采用彈簧進(jìn)行軸向安裝定位；二是采用具有彈性變形的波形彈簧進(jìn)行軸向定位；三是當(dāng)形成的氣膜較碳環(huán)承受的壓力大時，為防止碳環(huán)發(fā)生徑向旋轉(zhuǎn)，在碳環(huán)端面上開設(shè)溝槽，設(shè)置防轉(zhuǎn)銷。碳環(huán)定位裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

5 碳環(huán)密封性能試驗

碳環(huán)密封所用的試驗臺如圖5所示。碳環(huán)密封應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)密封試驗和動態(tài)密封試驗。在進(jìn)行密封試驗后應(yīng)檢查密封件。若出現(xiàn)碳環(huán)接觸磨損、機(jī)械疲勞及熱疲勞 （例如磨損、熱裂），或者試驗過程中出現(xiàn)碳環(huán)座溫度明顯上升，則認(rèn)為碳環(huán)密封不合格。

圖4 碳環(huán)定位裝置

圖5 碳環(huán)密封試驗裝置

試驗儀表：金屬管浮子流量計或玻璃轉(zhuǎn)子流量計，精度為1.6；流量、壓力、差壓變送器，精度為量程的5%。

5.1 靜態(tài)密封試驗

靜態(tài)密封試驗是將軸保持不動，分步逐漸增大密封壓力至最大靜態(tài)壓力P，然后依次減壓為75% P、50%P、25%P，在每個壓力下保壓并穩(wěn)定一定時間 （3～5 min），記錄密封靜態(tài)泄漏量。

5.2 動態(tài)密封試驗

按步驟進(jìn)行動態(tài)密封試驗。首先，將軸的轉(zhuǎn)速逐漸增加到最大連續(xù)轉(zhuǎn)速，在每個轉(zhuǎn)速階段穩(wěn)定3～5 min，記錄密封泄漏量。其次，將轉(zhuǎn)速增加到跳車轉(zhuǎn)速 （約為最大連續(xù)轉(zhuǎn)速的110%），穩(wěn)定運(yùn)行15 min，且每隔5 min記錄數(shù)據(jù)一次。再次，將轉(zhuǎn)速降低到最大連續(xù)轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)60 min，每隔5 min記錄試驗數(shù)據(jù)一次。然后把轉(zhuǎn)速降到零，把壓力降到最小密封壓力。之后再增速到最大連續(xù)轉(zhuǎn)速，按照靜態(tài)密封試驗進(jìn)行加壓，每階段穩(wěn)定2 min并記錄數(shù)據(jù)。動態(tài)密封試驗的泄漏量應(yīng)小于規(guī)定的最大泄漏量。

6 集裝式碳環(huán)密封

碳環(huán)密封多為集裝式整體結(jié)構(gòu)，在高壓、高轉(zhuǎn)速下多采用多級碳環(huán)串聯(lián)使用。碳環(huán)安裝在碳環(huán)座內(nèi)，在拆卸的過程中需要使用專門的拆卸工裝將碳環(huán)密封取下。專利CN201377410Y[5]介紹了一種用于空壓機(jī)碳環(huán)密封的拆卸工裝——撬桿，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。利用撬桿與碳環(huán)及密封座的接觸面為支撐，可很方便地進(jìn)行碳環(huán)密封的拆卸。

圖6 一種碳環(huán)密封拆卸工裝

當(dāng)密封介質(zhì)為工藝介質(zhì)時，碳環(huán)座應(yīng)采用具有抗腐蝕性的材料。碳環(huán)密封可以用于氣封和油封。碳環(huán)密封的設(shè)計壽命多為5年，但是在化工流程中多在大修的時候 （3年）更換密封，即使碳環(huán)密封仍然滿足使用要求也要更換。碳環(huán)密封在安裝時應(yīng)保證密封腔內(nèi)沒有雜質(zhì)、固體顆粒等，避免在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下劃傷碳環(huán)。

7 應(yīng)用場合

碳環(huán)密封因其結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，不需要復(fù)雜的潤滑冷卻系統(tǒng)，可以避免油、水等對氣體的污染，且多組碳環(huán)并列使用可以有效地密封高壓氣體，故得到了廣泛的應(yīng)用。碳環(huán)密封主要應(yīng)用于石油化工、冶金等設(shè)備的軸端密封，也可應(yīng)用于汽輪機(jī)、風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、透平機(jī)等機(jī)組作為級間密封，其使用溫度在-120～500℃之間。

[1]上海超惠通風(fēng)環(huán)保設(shè)備有限公司.碳環(huán)密封的密封環(huán)結(jié)構(gòu)：中國，CN201120101380[P].2011-11-23.

[2]侯玉杰， 程諾.自補(bǔ)償無間隙碳環(huán)密封： 中國，CN201020568054[P].2011-08-10.

[3]上海超惠通風(fēng)環(huán)保設(shè)備有限公司.一種低溫碳環(huán)密封裝置：中國，CN202001607U[P].2011-10-05.

[4]萬仕強(qiáng)，方文，歐安倫.透平氣封 “碳環(huán)”加工工裝設(shè)計 [J].貴州化工，2010，35（1）：54-55.

[5]孟經(jīng)緯.空壓機(jī)碳環(huán)密封拆卸的撬桿： 中國，CN201377410Y[P].2010-01-06.

Structure and Application of Carbon Ring Seal

Zhao Lina Zhou Peng Chen Zonghua

Introduces the carbon ring seal structure commonly used in compressor unit,including structure, materials and processing method of graphite ring,installation method,sealing test and application occasion of carbon ring.

Compressor;Carbon ring seal;Carbon ring;Sealing test

TQ 050.3

2013-03-31）

*趙利娜，女，1985年生，碩士，工程師。上海市，201200。