鄭國(guó)棟　謝小冬

摘 要：中石化安慶分公司二氧化碳?jí)嚎s機(jī)透平調(diào)速器主油缸發(fā)生破損現(xiàn)象，拆 解主油缸后發(fā)現(xiàn)，油缸內(nèi)壁及活塞環(huán)磨損，密封圈龜裂破損。原活塞環(huán)的材料是一種柔韌性非常好的球墨鑄鐵，改造后用聚四氟乙烯代替。原密封圈是橡膠材料的矩形密封圈，改造后使用進(jìn)口聚酯材料，將原來(lái)的矩形結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了改進(jìn)。這不僅延長(zhǎng)了主油缸的使用壽命，還降低了維修成本，更重要的是擺脫了對(duì)國(guó)外配件的依賴。

關(guān)鍵字：壓縮機(jī)；主油缸；活塞環(huán)；密封圈；國(guó)產(chǎn)化改造

前言

二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組是中石化安慶分公司30wt/年尿素裝置的心臟設(shè)備之一。壓縮機(jī)采用低壓、高壓兩段離心式壓縮機(jī)組，驅(qū)動(dòng)端采用由法國(guó)SOGET公司制造的抽氣注入冷凝式透平，輸出功率7600～9185 kW，轉(zhuǎn)速范圍6900～7612 r/min，進(jìn)氣壓力 0.38MPa。2000年初，對(duì)透平調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造，采用了美國(guó)Parker公司生產(chǎn)的調(diào)速器。2012年在裝置大檢修期間檢修解體發(fā)現(xiàn)，調(diào)速器主油缸損壞，主要問(wèn)題有內(nèi)壁及活塞環(huán)磨損，密封圈龜裂破損。由于生產(chǎn)時(shí)間緊迫，采購(gòu)配件的周期長(zhǎng)，故需要進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造。

1.存在的問(wèn)題及分析

主油缸性能的優(yōu)劣很大一部分取決于其密封性的好壞[1]，可靠的密封可以防止液壓油泄露以及外界雜質(zhì)進(jìn)入油缸。液壓油泄露無(wú)論是內(nèi)泄還是外泄都會(huì)對(duì)油缸的性能造成影響，有些液壓油外泄還會(huì)造成環(huán)境污染；外界雜質(zhì)混入油缸的影響更為嚴(yán)重，不僅會(huì)導(dǎo)致油缸零件的磨損加速還有可能使得油缸無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)甚至造成事故。

原主油缸上密封圈是材料為氟橡膠的矩形密封圈，活塞環(huán)的材料是一種柔韌性非常好的球墨鑄鐵。拆卸后可以看到缸體內(nèi)壁有磨損，密封圈發(fā)生龜裂磨損，活塞環(huán)也已破損，密封效果明顯下降，這也是造成主油缸壓力不足的主要原因。密封圈的失效不僅有材料問(wèn)題，還有結(jié)構(gòu)上的不合理，在這種工況下氟橡膠是非常容易發(fā)生龜裂磨損的，所以考慮更換密封圈的材料，這種矩形結(jié)構(gòu)密封圈與缸體接觸面積大，容易聚留熱量導(dǎo)致密封失效，因此密封圈的結(jié)構(gòu)也應(yīng)加以優(yōu)化。活塞環(huán)的材料是球磨鑄鐵，當(dāng)發(fā)生磨損或有外界雜質(zhì)混入時(shí)，活塞環(huán)與缸體之間的磨損會(huì)隨之加劇，不僅活塞環(huán)會(huì)磨損失效，缸體也會(huì)被擦傷，從而導(dǎo)致更大的損失，因此考慮更換活塞環(huán)的材料。

2.部件國(guó)產(chǎn)化改造

2.1密封圈改造

2.1.1密封材料選擇

原設(shè)備的密封圈為氟橡膠，在檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于長(zhǎng)期使用已經(jīng)發(fā)生龜裂磨損，密封效果下降。氟橡膠的老化機(jī)制很復(fù)雜[2]，為了可以保證密封圈能夠有較長(zhǎng)的使用壽命，我們決定將密封圈的材料更換。隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，密封材料的選擇范圍也越來(lái)越廣，越來(lái)越多的新型材料被運(yùn)用到一些特殊的密封場(chǎng)合，但是在選擇材料時(shí)不能一味的追求高性能，還應(yīng)該考慮到一定的經(jīng)濟(jì)效益。

橡膠是最常用的密封材料，如丁晴橡膠，氟橡膠，天然橡膠及硅橡膠等[3]，此外，適合用于密封的材料還有聚四氟乙烯、聚酯、石墨及各種密封膠等。聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）具有良好的綜合性能，其化學(xué)性穩(wěn)定，力學(xué)強(qiáng)度高，電絕緣性好，成型穩(wěn)定性好，尺寸精度優(yōu)良而且耐磨，耐腐蝕，耐熱[4]，是非常合適的密封材料。密封件在其正常的工作壓力和溫度范圍內(nèi)，應(yīng)具有良好的密封性，并能隨著壓力的變化自動(dòng)跟蹤其密封效果。因?yàn)閯?dòng)密封要求密封件與運(yùn)動(dòng)件相互運(yùn)動(dòng)，所以密封件的摩擦系數(shù)要小而且要穩(wěn)定。密封件經(jīng)常要與各種液壓油接觸，因此密封件要具有一定的耐油性和抗腐蝕能力。這些要求PBT都能夠滿足，因此我們決定密封圈的材料使用PBT。

2.1.2密封結(jié)構(gòu)改造

在機(jī)械行業(yè)密封方面的研究基本已經(jīng)趨于完善，我們要做的就是用最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方案來(lái)滿足當(dāng)前工況要求達(dá)到的性能。密封結(jié)構(gòu)有很多種，根據(jù)不同的工況要求可以組合出多種密封方式，各個(gè)密封方式的針對(duì)性各有不同，要選擇適合工作要求的密封結(jié)構(gòu)[5]。常用的密封圈有O型密封圈、V形密封圈、U形密封圈、Y形密封圈、YX形密封圈及矩形密封圈，每種密封方式的針對(duì)性和復(fù)雜程度都不同。

原設(shè)備的密封圈是矩形密封圈，為了改善其密封效果，我們決定對(duì)其結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的改進(jìn)。圖1為密封圈結(jié)構(gòu)對(duì)比圖，我們將原來(lái)的矩形截面變成帶有凹槽的截面。改造前密封圈與缸體的接觸面比較大，在密封圈跟隨活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，密封圈與缸體的摩擦面大容易聚留熱量，這樣密封圈就會(huì)長(zhǎng)期處于較高的溫度下，從而出現(xiàn)龜裂破損[6]。改造后截面留有凹槽，這樣密封圈與缸體的接觸面積減少了，從而避免了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因摩擦發(fā)熱而導(dǎo)致的密封件損壞，而且凹槽中還可以存儲(chǔ)少量的液壓油，這樣在密封圈與缸體摩擦?xí)r可以充當(dāng)潤(rùn)滑劑，有效提高密封圈的壽命。

2.2活塞環(huán)改造

活塞環(huán)是主油缸的關(guān)鍵部件，其作用包括密封控油、導(dǎo)熱、導(dǎo)向等。為了確保其性能達(dá)到要求，活塞環(huán)的材料應(yīng)具備良好的耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性、強(qiáng)韌性，導(dǎo)熱性、適當(dāng)?shù)膹椥约芭c汽缸材料的磨合性等。所以為了延長(zhǎng)活塞環(huán)的使用壽命，除了要對(duì)活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化外，還要合理的選擇活塞環(huán)的材料?；钊h(huán)常用的材料有灰鑄鐵、球磨鑄鐵、鋼等，但是隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的復(fù)合材料開始被應(yīng)用到制作活塞環(huán)上，如聚酰亞胺、聚四氟乙烯等[7]。

原設(shè)備上活塞環(huán)用的是一種柔韌性非常好的球墨鑄鐵，可是由于是進(jìn)口設(shè)備，配件采購(gòu)的時(shí)間長(zhǎng)而且價(jià)格昂貴，所以決定對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造。但是由于活塞環(huán)的徑向厚度與外徑的比值較大，一般的球墨鑄鐵和鋼加工后柔韌性又不足，無(wú)法安裝到活塞槽內(nèi)，故我們考慮在滿足加工要求的條件下使用聚四氟乙烯復(fù)合材料。

聚四氟乙烯與鑄鐵和鋼相比主要優(yōu)點(diǎn)為材料的彈性模量適當(dāng)，加工后柔韌性好可以滿足使用要求；聚四氟乙烯較軟，材料摩擦系數(shù)小，在活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)可以形成自潤(rùn)滑，減小材料磨損量；容易與缸體鏡面貼合，密封效果好。但是聚四氟乙烯與鑄鐵和鋼相比也有一些缺陷，如材料的膨脹系數(shù)較大，在預(yù)留膨脹間隙時(shí)一定要充分考慮這一點(diǎn)，應(yīng)比金屬環(huán)的間隙大一點(diǎn)；材料的強(qiáng)度較低，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮使用較大截面的活塞環(huán)或多個(gè)活塞環(huán)配合使用；材料的導(dǎo)熱性較低，容易在缸體內(nèi)聚留熱量而影響密封[8]。

根據(jù)以上對(duì)比分析以及具體的工作環(huán)境，聚四氟乙烯活塞環(huán)基本滿足當(dāng)前的工作要求，而且在很多方面聚四氟乙烯活塞環(huán)表現(xiàn)的比球墨鑄鐵活塞環(huán)更加優(yōu)秀。

3.改造效果

密封圈和活塞環(huán)改造完成后，及時(shí)的投入到工作中，目前已經(jīng)使用了兩年左右的時(shí)間，每個(gè)月都對(duì)主油缸進(jìn)行一次檢查，到目前為止，主油缸沒(méi)有出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，設(shè)備運(yùn)行良好。球墨鑄鐵的活塞環(huán)不僅加工困難而且價(jià)格昂貴，一個(gè)球墨鑄鐵的活塞環(huán)要花費(fèi)上萬(wàn)元，而一個(gè)聚四氟乙烯的活塞環(huán)只需要幾十元。聚四氟乙烯活塞環(huán)加工方便，保存不需要苛刻的條件，可以一次性大量采購(gòu)，大大減少了采購(gòu)時(shí)間。密封圈的改進(jìn)直接延長(zhǎng)了其使用壽命。這次國(guó)產(chǎn)化改造大大降低了生產(chǎn)成本，更確保了生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.結(jié)語(yǔ)

在很多化工企業(yè)中，壓縮機(jī)完全依賴進(jìn)口，一旦某些零部件出現(xiàn)問(wèn)題就非常棘手，原廠家提供的配件不僅價(jià)格昂貴，而且不易購(gòu)買，所以常常因?yàn)橐恍┬〉膯?wèn)題造成整個(gè)流水線停產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)此次的國(guó)產(chǎn)化改造，不僅可以為國(guó)家節(jié)省大量外匯，還為其它進(jìn)口設(shè)備的關(guān)鍵備件國(guó)產(chǎn)化改造提供可靠的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

鄭國(guó)棟（1969—），男，安徽盈創(chuàng)石化檢修安裝有限公司檢修三分公司副經(jīng)理，工程師。