王延明，趙 月，高麗芳，谷國(guó)興，吳武超

（中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074）

0 引言

壓縮空氣作為一種重要的動(dòng)力源，廣泛應(yīng)用于風(fēng)洞試驗(yàn)中。壓縮機(jī)產(chǎn)出的壓縮空氣中混有水分、油分及少量固體微粒等雜質(zhì)，其中水分主要來(lái)自于大氣，壓縮冷凝后成為濕飽和空氣；油分主要來(lái)源于壓縮機(jī)中的潤(rùn)滑油，在活塞、曲軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有少部分混入壓縮空氣中。某單位的活塞式高壓壓縮機(jī)采用少油潤(rùn)滑的形式，既能實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑、密封和冷卻的目的，又能盡量減少壓縮空氣的含油量。

1 油氣分離器的作用

為獲得潔凈干燥的高壓空氣，氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，需再經(jīng)過(guò)干燥器干燥，除去高壓氣體中的油氣和水氣，才能滿足風(fēng)洞流場(chǎng)的指標(biāo)要求。由于油有黏度且不易揮發(fā)，如果吸附在干燥塔中的干燥劑上，會(huì)嚴(yán)重影響除水效果，所以高壓氣體要除去水分必先經(jīng)過(guò)油氣分離器除油。油氣分離器的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到氣體干燥質(zhì)量，是整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)。為保證除油效果，每臺(tái)干燥系統(tǒng)配有兩級(jí)油氣分離器，分別為粗濾和精濾（圖1）。油氣分離器的核心部件是濾芯，壽命周期是半年，正常情況下，油氣分離器只需半年拆卸安裝一次更換濾芯。

圖1 干燥系統(tǒng)工作流程

為了提高產(chǎn)能，某院2019 年采購(gòu)了1 臺(tái)新高壓壓縮機(jī)及附屬高壓空氣干燥系統(tǒng)，并于2020 年8 月投入運(yùn)行，該設(shè)備壓氣量大、效率高，滿足了用氣需求。但新高壓空氣干燥系統(tǒng)的油氣分離器O 形圈密封頻繁破損漏氣，2 周就需要拆卸維修1 次，是更換濾芯頻次的12 倍。由于油氣分離器質(zhì)量重、操作空間小，每次拆卸安裝需高壓機(jī)停機(jī)1 d。油氣分離器O 形圈密封頻繁破損漏氣問(wèn)題成了影響新高壓機(jī)運(yùn)行效率的瓶頸問(wèn)題。

2 油氣分離器的結(jié)構(gòu)與工作原理

油氣分離器主要由3 部分組成，即濾筒、濾芯和O 形圈（圖2）。其中濾筒分為筒蓋和筒體兩部分，靠螺紋連接，周向用O 形圈密封，命名為1#O 形圈；濾芯放在筒體里，上端插入筒蓋與其連接，也是周向用O 形圈密封，命名為2#O 形圈。

圖2 油氣分離器結(jié)構(gòu)

工作原理：壓縮氣體經(jīng)入口進(jìn)入濾筒，氣體穿過(guò)濾芯經(jīng)出口排出，進(jìn)入氣水干燥器，經(jīng)過(guò)濾芯時(shí)所含的油霧被濾掉，實(shí)現(xiàn)油氣分離；分離器下方裝有自動(dòng)排污閥，利用筒內(nèi)氣體壓力可將內(nèi)部的雜質(zhì)通過(guò)下方排污口排出。兩級(jí)濾芯過(guò)濾精度分別為1 mg/m3和0.01 mg/m3，當(dāng)干燥器運(yùn)行穩(wěn)定后，測(cè)量氣體中的油霧含量，決定是否更換濾芯，一般半年更換一次。

油氣分離器中有兩部分需要密封，均通過(guò)O 形圈實(shí)現(xiàn)：一是濾芯與筒蓋之間，兩者壓差很小，基本沒(méi)有泄漏；二是筒蓋和筒體之間，有2 道O 形圈密封，筒內(nèi)為20 MPa 高壓，與外界環(huán)境壓差較大，泄漏主要發(fā)生在此處。

3 O 形圈破裂原因

高壓機(jī)正式運(yùn)行后不久，油氣分離器濾筒就出現(xiàn)頻繁的漏氣問(wèn)題，超出了正常的維護(hù)保養(yǎng)頻率。對(duì)分離器維修時(shí)發(fā)現(xiàn)，筒蓋和筒體之間的1#O 形圈有嚴(yán)重破裂，但無(wú)斷裂。更換O 形圈，使用2～3 周后再次漏氣，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)O 形圈破裂情況相同（圖3）。

圖3 油氣分離器密封結(jié)構(gòu)

每次安裝完成后都沒(méi)有立即漏氣且能保持2～3 周，說(shuō)明不存在安裝上的問(wèn)題。分析可知，筒蓋和筒體之間為1#O形圈密封，筒內(nèi)為20 MPa 高壓，筒外為大氣壓，內(nèi)外存在很大壓差，漏氣發(fā)生在1#O 形圈密封處。而濾芯與筒蓋之間處于同一壓力環(huán)境，不存在壓差，其之間的2#O 形圈沒(méi)出現(xiàn)過(guò)泄漏問(wèn)題?？梢酝茰y(cè)濾筒內(nèi)外壓差過(guò)大是造成1#O 形圈破裂的主要原因?；钊綁嚎s機(jī)會(huì)造成壓力波動(dòng)，產(chǎn)生沖擊力，交變高壓氣體的沖擊力傳遞到O 形圈，對(duì)其造成破壞。另外由于O 形圈受力面積小，承受壓強(qiáng)較大，并且筒內(nèi)高壓氣體溫度高于外界氣溫，溫度不均勻使O形圈熱脹冷縮，受力不勻，密封性能下降。當(dāng)應(yīng)力的總和超出了其所能承受的壓力極限并持續(xù)一段時(shí)間后，O 形圈破裂，密封被破壞，造成氣體泄漏。

4 改進(jìn)方法

O 形圈破裂的主要原因是高壓氣體的沖擊力造成的破壞。O 形圈受力面積過(guò)小，考慮更換密封方式，增大受力面積。同時(shí)按照經(jīng)驗(yàn)，密封應(yīng)盡量安裝在氣體易泄漏的地方，減少氣體沖擊對(duì)下游部件的影響。筒體和筒蓋之間，受力面積較大，而且是氣體泄漏的源頭，在此處加裝密封墊片較為合理。

對(duì)濾筒筒體的頂部與筒蓋內(nèi)腔頂端的距離進(jìn)行測(cè)量，找到兩者之間的間隙量，在此安裝不易變形的聚四氟乙烯墊作為密封（圖4）。經(jīng)測(cè)量間隙為3 mm，墊片厚度擬定為5～8 mm，通過(guò)擠壓變形來(lái)達(dá)到密封的目的。上游密封問(wèn)題解決后，1#O形圈受到的氣體沖擊力大大減少，不易損壞，留作補(bǔ)充密封。如此，將分離器筒蓋與筒體之間的兩道O 形圈密封，改為一墊雙圈的密封形式。

圖4 一墊雙圈密封形式

自此，分離器漏氣的問(wèn)題被徹底解決，改進(jìn)后再?zèng)]有出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏的問(wèn)題（表1）。偶爾日常生產(chǎn)中出現(xiàn)微小漏氣，將濾筒加力緊固，增大聚四氟乙烯墊的變形量即可解決。輔助密封的O 形圈，也沒(méi)有再發(fā)生損壞，說(shuō)明上游聚四氟乙烯墊的密封性良好。

表1 改進(jìn)前后兩種密封方式的對(duì)比

5 結(jié)論

此次改進(jìn)很成功，新的密封方式總結(jié)起來(lái)有以下優(yōu)點(diǎn)：①將漏氣問(wèn)題徹底解決，每月避免了2 d 的停機(jī)維修時(shí)間，一勞永逸，大大提高了生產(chǎn)效率，保證了壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)效，減少了維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；②操作簡(jiǎn)單，效果顯著，有效解決了油氣分離器O 形圈密封頻繁破損漏氣影響新高壓機(jī)運(yùn)行效率的瓶頸問(wèn)題；③聚四氟乙烯墊片材料易獲取，可根據(jù)需要自行制作；④避免了漏氣造成的高壓氣浪費(fèi)。