劉尚明（本溪市化學(xué)工業(yè)學(xué)校)

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超高壓往復(fù)式壓縮機(jī)填料密封的失效及其對(duì)策

劉尚明*
（本溪市化學(xué)工業(yè)學(xué)校)

摘要對(duì)于超高壓往復(fù)式壓縮機(jī)，其填料密封的失效是化工企業(yè)設(shè)備維護(hù)需要面對(duì)的一個(gè)重要問(wèn)題。從填料密封原理入手，介紹了常見(jiàn)的密封失效在填料函、填料環(huán)和柱塞上的表現(xiàn)形式，分析了填料密封的失效原因，并從設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)和操作等幾方面提出了預(yù)防填料密封失效的措施。

關(guān)鍵詞往復(fù)式壓縮機(jī)超高壓填料密封失效磨損疲勞斷裂

*劉尚明，男，1971年生，工學(xué)碩士，高級(jí)講師。本溪市，117000。

填料密封又叫壓蓋填料密封，是阻止氣缸內(nèi)氣體自活塞桿與氣缸之間泄漏的部件。填料密封因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維修方便而在流體密封領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。超高壓往復(fù)式壓縮機(jī)作為化工企業(yè)的核心設(shè)備，填料密封是影響其運(yùn)行的重要部件，它的工作可靠性決定了壓縮機(jī)的運(yùn)行周期。但是高壓填料密封在氣體作用、機(jī)械運(yùn)動(dòng)沖擊、摩擦等引起的周期性交變載荷作用下工作，常發(fā)生疲勞損壞和失效，致使密封的使用壽命大大縮短，甚至造成停車等生產(chǎn)事故。有資料顯示，因填料密封泄漏造成壓縮機(jī)系統(tǒng)停車的占各種原因停車次數(shù)的42%，因此對(duì)填料密封失效的研究顯得尤為重要。

1　密封原理

超高壓往復(fù)式壓縮機(jī)的填料密封主要作用是防止氣缸中的氣體沿著活塞桿方向泄漏。填料密封多由多級(jí)密封元件組成，主要由密封元件、導(dǎo)向環(huán)、氣體節(jié)流環(huán)、填料函、熱裝缸套、注油冷卻系統(tǒng)和低壓填料等部分組成。在每個(gè)密封單元中兩填料環(huán)都是由彈簧提供徑向壓力而對(duì)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(guò)柱塞與填料環(huán)的間隙，便進(jìn)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(shí)，背隙中的氣體壓力作用于填料環(huán)的背面，又加強(qiáng)了第一密封面密封效果。

2　填料密封的失效形式

失效在填料密封各組成部分都有可能發(fā)生，但是表現(xiàn)形式各不相同。

2.1填料函的磨損及損壞

主要是密封面表面出現(xiàn)麻點(diǎn)、小坑、凹痕等。損壞的進(jìn)一步表現(xiàn)是出現(xiàn)過(guò)度磨損，甚至出現(xiàn)裂紋。

2.2填料環(huán)的磨損及破壞

填料環(huán)磨損，即出現(xiàn)嚴(yán)重的毛邊、偏磨等現(xiàn)象。填料環(huán)表面變色，即出現(xiàn)大量的麻點(diǎn)、麻坑等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)填料環(huán)還會(huì)出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。填料的過(guò)度腐蝕也是一種主要的失效形式。

2.3柱塞的損傷

柱塞的損傷有：柱塞表面出現(xiàn)粘結(jié)、裂紋，外形出現(xiàn)偏磨等尺寸及形位公差變化。另外，柱塞掛銅，也就是柱塞表面與填料接觸部位出現(xiàn)填料中銅錫等元素與柱塞融合的現(xiàn)象，例如在柱塞表面形成一層銅衣，這會(huì)使柱塞的使用壽命大大降低。

3　失效原因分析

3.1微動(dòng)疲勞磨損引起的失效

超高壓往復(fù)式壓縮機(jī)工作時(shí)各級(jí)填料盤所承受的內(nèi)部壓力是不同的。當(dāng)壓縮機(jī)吸氣時(shí)，靠近氣缸的填料盤受到的壓力大于遠(yuǎn)離氣缸的填料盤，產(chǎn)生的形變也大。當(dāng)壓縮機(jī)排氣時(shí)，氣缸內(nèi)部壓力升高，填料盤的內(nèi)壓進(jìn)一步升高，相鄰填料盤的形變?cè)龃?，而且相鄰兩填料盤形變不相同。每一次壓力波動(dòng)都會(huì)使相鄰填料盤接觸面產(chǎn)生滑動(dòng)和摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生磨損。從失效的形式來(lái)看，填料盤的變化是微米級(jí)的，產(chǎn)生的磨損是微動(dòng)疲勞磨損，磨損失效產(chǎn)生的裂紋是微動(dòng)疲勞裂紋。微動(dòng)疲勞裂紋的延伸會(huì)造成填料盤的開(kāi)裂和報(bào)廢。

3.2疲勞斷裂造成的失效

在活塞運(yùn)動(dòng)方向突然發(fā)生轉(zhuǎn)向后，填料環(huán)會(huì)隨著填料裝置的振動(dòng)而周期性地振動(dòng)，速度越大振幅也越大[1]。這種振動(dòng)壓力從宏觀上來(lái)看，是作用在填料函整個(gè)密封面上的，但是其主要作用在過(guò)渡圓角、空洞等處。特別是該波動(dòng)壓力作用在填料盤內(nèi)部輸油孔上，引起輸油孔應(yīng)力集中，當(dāng)超過(guò)填料盤材料疲勞強(qiáng)度后就會(huì)在孔邊緣處產(chǎn)生裂紋，裂紋逐步成長(zhǎng)，最后填料盤斷裂。

3.3填料環(huán)的密封失效

在運(yùn)行過(guò)程中，潤(rùn)滑油與工作過(guò)程中生成的低聚物易形成黏度大、流動(dòng)性差的混合物，它會(huì)影響填料環(huán)內(nèi)的潤(rùn)滑油存量，阻塞填料環(huán)間隙，降低潤(rùn)滑效果[2]。另外，壓縮機(jī)的潤(rùn)滑油在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，并形成酸性物質(zhì)，這會(huì)引起填料環(huán)腐蝕。正常工作時(shí)，填料環(huán)與柱塞合理配合，可減少氣體的泄漏。這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生一定的熱量，這個(gè)熱量和氣體壓縮產(chǎn)生的熱量共同作用，促進(jìn)了填料環(huán)的腐蝕，使密封面在徑向和軸向都產(chǎn)生腐蝕麻點(diǎn)。

填料密封對(duì)顆粒介質(zhì)較為敏感[3]。壓縮機(jī)的工藝氣體有時(shí)夾帶雜質(zhì)進(jìn)入填料函，正常工作狀態(tài)下可以在允許范圍內(nèi)夾帶雜質(zhì)。但是當(dāng)壓縮機(jī)停車后雜質(zhì)在填料函內(nèi)冷卻，雜質(zhì)會(huì)變硬，再次開(kāi)車時(shí)就會(huì)加劇磨損。

3.4柱塞的損壞

柱塞的損壞主要是填料失效后沒(méi)有及時(shí)停車，發(fā)生了較長(zhǎng)時(shí)間的磨損，引起了柱塞偏磨，或者出現(xiàn)了坑凹、裂紋等。柱塞掛銅的原因主要是潤(rùn)滑不良，或新填料緊箍在柱塞上，造成柱塞水平、垂直擺動(dòng)幅度較大，造成填料與柱塞直接接觸，填料中的銅就很容易進(jìn)入柱塞表面的間隙內(nèi)。

4　防止填料密封失效的措施

4.1設(shè)計(jì)對(duì)策

設(shè)計(jì)中盡可能避免出現(xiàn)尖角等應(yīng)力集中的部位，以免造成疲勞裂紋引起失效。同時(shí)，在密封接觸面采用鍍特殊金屬的方法可以有效改善接觸面的摩擦特性，降低接觸面微動(dòng)磨損的危險(xiǎn)性。

4.2維修對(duì)策

（1）維護(hù)檢查

維修中應(yīng)注重對(duì)填料函內(nèi)部進(jìn)行詳細(xì)檢查，可以用目視或放大鏡重點(diǎn)檢查尖銳角、溝槽、空洞等部位，觀察是否出現(xiàn)裂紋、麻坑、磨損等現(xiàn)象，也可以用磁粉探傷等方法檢查各密封面，檢查是否出現(xiàn)微裂紋。

對(duì)檢查發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題要及時(shí)修復(fù)，如對(duì)微裂紋可以研磨10 μm后再進(jìn)行探傷，在確定無(wú)裂紋或磨損達(dá)到要求后，可進(jìn)行下一步操作。對(duì)油孔、油槽等部位進(jìn)行手工油石修復(fù)。對(duì)一些易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位可以噴丸硬化，提高關(guān)鍵區(qū)域的疲勞強(qiáng)度。

（2）填料安裝

每個(gè)填料函在維修之后都會(huì)發(fā)生一定的偏差和變形，因此在維修中要嚴(yán)格遵守檢查維修標(biāo)準(zhǔn)，控制有關(guān)間隙尺寸，確保裝配精度，盡可能地減小變形。各密封面的平面度、平行度、垂直度、粗糙度達(dá)不到要求的，絕不能安裝。認(rèn)真按照檢修規(guī)程進(jìn)行操作，拆卸及組裝填料密封時(shí)，做到文明施工，一定要用專用工具進(jìn)行施工。

檢修柱塞和更換填料時(shí)要避免水接觸柱塞，在發(fā)現(xiàn)柱塞掛銅后要及時(shí)更換。對(duì)拆卸下來(lái)的柱塞要注意保護(hù)，盡力避免用手直接接觸柱塞表面，拆卸的柱塞應(yīng)放在專用的容器內(nèi)。

4.3操作對(duì)策

開(kāi)車初期泄漏量有增大現(xiàn)象。開(kāi)車初期填料密封泄漏量較大，柱塞溫度上升并在較高溫度下運(yùn)行，柱塞水平、垂直振動(dòng)波動(dòng)極大，甚至上升至高報(bào)警點(diǎn)。這些現(xiàn)象在開(kāi)車初期是正常的，因?yàn)殚_(kāi)車初期內(nèi)部油潤(rùn)滑系統(tǒng)、潤(rùn)滑油和高壓填料、柱塞相互之間有一個(gè)趨于平衡的過(guò)程[4]。因此，開(kāi)停車時(shí)可適當(dāng)加大潤(rùn)滑油的注入量，并加大冷卻能力。

在日常工作中，應(yīng)加大壓縮機(jī)前段過(guò)濾器的檢查，盡可能減少壓縮氣體的雜質(zhì)夾帶量，保證在填料函內(nèi)的雜質(zhì)量處于可接受的范圍。更換新填料和柱塞時(shí)必須保證一定的跑合時(shí)間，以提高填料的使用壽命。做好柱塞溫度、振動(dòng)、氣體泄漏量和泄漏氣溫度等的實(shí)時(shí)監(jiān)控，盡可能減少因工藝波動(dòng)造成的壓力波動(dòng)對(duì)填料的影響。

填料密封在超高壓下工作，一般的潤(rùn)滑油在此工況下已經(jīng)接近固態(tài)，因此選用的潤(rùn)滑油應(yīng)具有良好的黏壓特性，以保證在超高壓下油品仍具有優(yōu)良的輸送性和潤(rùn)滑性[5]。此外，填料密封正常工作時(shí)潤(rùn)滑油油量應(yīng)充足，這樣就可使填料函內(nèi)各元件和柱塞形成的間隙空間充滿油，在柱塞和填料表面形成油膜，以確保填料密封穩(wěn)定工作。

5　結(jié)語(yǔ)

超高壓往復(fù)式壓縮機(jī)填料密封的失效形式、失效特征多種多樣，失效的原因主要集中在設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)和工藝狀況發(fā)生改變等方面。因此，超高壓往復(fù)式壓縮機(jī)填料密封需要在設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用、維護(hù)等多方面努力，推動(dòng)填料密封技術(shù)和理論的進(jìn)一步完善，促使其應(yīng)用更加成熟。

參考文獻(xiàn)

[1]楊學(xué)賓，晉新橋，杜志敏，等.往復(fù)式無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)填料密封的摩擦力研究[J] .上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,43（4）：669-673.

[2]李群松，易衛(wèi)國(guó)，楊謙.新氫壓縮機(jī)填料密封故障分析及改進(jìn)[J] .潤(rùn)滑與密封，2011,36（12）：96-99.

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[4]張紹武，耿東方.超高壓往復(fù)式壓縮機(jī)常見(jiàn)故障及對(duì)策[J] .化工機(jī)械，2014,41（5）：683-686.

[5]范鐵生，劉永偉.LEPD裝置超高壓壓縮機(jī)氣缸潤(rùn)滑油使用研究[J] .甘肅石油和化工，2013，（3）：44-46.

化工機(jī)泵

Failure of the Packing Seal of Ultrahigh Pressure Reciprocating Compressor and Its Countermeasures

Liu Shangming

Abstract：The failure of the packing seal of the ultrahigh pressure reciprocating compressor is a crucial problem for the equipment maintenance to the chemical enterprises.According to the principle of the packing seal, the expression forms of the common seal failure in the stuffing box, packing ring and plunger are introduced and the reasons are analyzed.Furthermore, the countermeasures to avoid the failure of the packing seal are presented from the aspects of design, installation, maintenance and operation.

Key words：Reciprocating compressor; Ultrahigh pressure; Packing seal; Failure; Wear; Fatigue break

收稿日期：（2015-07-07）

中圖分類號(hào)TQ 051.21

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.02.011