浅谈K401C氢氮气压缩机填料密封

浅谈K401C氢氮气压缩机填料密封

泸天化股份公司检修　　张　伟

摘　要　　主要对泸天化K401C氢氮气压缩机气缸活塞填料密封结构与密封原理及其密封条件进行了研究,在对密封填料函结构和填料受力等讨论的基础上,分析了影响压缩机气缸填料密封失效的主要原因,并提出了相应的预防措施。

关键词　　往复式压缩机　　填料密封　　密封失效　　动密封　　静密封

1　前言

面。装配时低压侧为三瓣斜口填料环,高压侧为三瓣直口填料环,而两环之间通过定位销确定相

互位置,为有效密封,各切口相互错开一定角度,以错开两片环的切口间隙,填在填料函的腔内。,,。安装时必(气缸)侧,当压缩机在,填料函中的聚集气体可以沿着环槽间隙和径向环的切口回流,这样使得填料环组只在排气过程中受载荷,延长了环的使用寿命。为了便于说明,下面以最常用的填料密封环(如图1)来解释它实际的工作原理,该环由一片径向切口环和一片切向切口环组成,为典型的单作用环

。

压缩机是一种将气体压缩从而提高气体压力并输送气体的机械,是现代化工企业的关键设备之一,其性能的高低直接影响装置的经济效益,安全运行与整个装置的可靠性紧密相关,因而成为备受关注的心脏设备。而往复式压缩机由于压力范围大、效率高、适应性强,业应用则更为广泛,耗能比重大,,和安装空间,检修难度较大,。

往复式压缩机填料密封环的作用是防止气缸中的高压气体沿着活塞杆方向泄漏,是压缩机中最重要的零部件之一,也是压缩机最主要的外泄漏途径之一。K401C气缸活塞使用的填料密封环是一种动密封环,即只有在压缩机工作时才起密封作用(一般的压力工况),这里的动密封指作用到填料密封环上的压力随着活塞的往复运动而成明显的周期变化,而压缩机停机时或者在其它特殊情况下,它并不能起密封作用。而在后者情况下起密封作用的密封环,我们通常称为静密封环。2　密封环的工作原理

K401C气缸活塞使用的填料密封环组由一片

图1　

常用的填料密封环

径向切口环和一片切向切口环组成,在每个密封单元中两填料环都是由弹簧提供径向压力而对活塞表面产生预紧力,使填料环能紧贴在活塞的表

图2　气缸工作状态

　　如图2状态一所示,该状态表示所需密封的

工作气缸端被压缩时,此时气缸中气体的压力较高,填料密封环由于受气体压力的作用靠向低压侧,气体从填料密封环与填料函环槽之间的轴向间隙和径向环的切口间隙中进入填料的外侧,在气体压力的作用下形成3个接触良好的密封面:径向环与切向环切口错开形成的密封面、切向环与活塞杆表面形成的密封面、切向环与环槽侧面形成的密封面,这样就阻止了气体的泄漏;当气缸吸气时,如图2状态二所示,气体通过径向环的切口间隙部分回流进气缸,其余部分气体通过回气管进入循环段与补充来的新鲜气体再进入下一个压缩过程。

在压缩机的往复运行周期内,在压缩阶段,如图2状态一所示,气缸内的高压气体作用在填料密封环上,在填料密封环前后形成压差,各密封面在气体压差的作用下能够很好的工作,起到密封的作用,但由于气体压力较高,气体要逐步泄漏到随后的填料环槽里并形成类似的密封形式,最终保证整个填料函的密封效果;,状态二所示,,渐下降,中,,使填料密封环形成新的密封面,起到密封作用。填料环在理想的工作状态下,即第一密封面与第二密封面均密封良好,这时漏气的通道就只能是环的开口间隙处。气体首先从气缸流经活塞和填料环的间隙,通过填料环侧隙空间,流入填料环的背隙空间,这时积聚在整个空间内的气体将通过各个开口间隙,沿下一道密封函与活塞的间隙流出。由于填料环存在开口泄漏,以及活塞和气缸、密封环间的间隙,都会造成泄漏,因此利用一道密封环阻止泄漏是不可能的,于是K401C氢氮气压缩机便采用了多道密封单元,组成一个串联节流系统,使气体每通过一道密封环就产生一次节流,先节流后膨胀,当气体从填料函与活塞间的间隙进入函室过程中,气体先在窄缝中动能增加,压力减小,在进入下级填料函时流束截面突然扩大后,气体在腔内形成强烈的漩涡,大部分动能再转变成热能,总压力下降,泄漏量也随之减少,在高压气体经气体节流环减压后,再经数道填料

环密封减压,从而达到阻止泄漏的目,起到密封的作用。

3　密封环的工作条件

前面提到的动密封是指作用到填料密封环上的压力随着活塞的往复运动而成明显的周期性变化,也就是说作用到填料密封环上的压力为脉动压力,这种脉动变化的压力是填料密封环能够密封气体所必需的。

K401C氢氮气压缩机的填料密封是一种动态

密封,多采用分瓣式结构,用弹簧装配,留有切口间隙,用以补偿磨损,工作时靠气体压力来达到密封的作用,即在一定的压差下,填料密封环在气体压差的作用下形成密封面,,这里的压差指的是:。而对、。

当密封压力为静压力时,刚开始工作时静压力形成静压差使填料密封环向低压侧靠拢,形成初始的密封状态,压力较高的气体要逐渐泄漏,随后的几组填料密封环也与第一组填料密封环存在相似的泄漏情况;但由于是静压,即没有吸气过程,因此,高压气体无法回流,将一直处于泄漏状态。同时,随着时间的推移,第二个环槽里的压力随着从第一个填料密封环的泄漏气体的不断增多,压力不断升高,逐渐形成与平衡腔相同的压力,那么环背压力就建立不起来,此时,填料环虽然仍然与填料函的端面接触,但此密封面不能起到密封作用。此时,由于第一组填料密封环前后没有压差,靠压差来维持正常工作的填料密封环无法密封,也即相当于第一组填料密封环不能正常工作。在此后的几组填料中也存在这个问题,一直到最后一组填料密封环,气体必然会通过填料泄漏。

因此,在静压差的工况下,普通的填料密封环无法正常工作,当压缩机正常运行时,在填料密封环的两侧便产生脉动压力形成压差,脉动变化的压力是填料密封环能够密封气体所必需的条件。

4　影响填料使用寿命的主要因素及预防措施4.1　填料函疲劳损坏

K401C压缩机气缸活塞填料函在工作状态

下,要承受很高的压力,另外在操作中每完成吸气和排气的一个工作循环,气体压力都将在一个很大的压力区间频繁的波动,而使密封面直接承受一个非常大的脉动压力。这样在每个循环过程中就使填料函密封面产生非常大的交变应力作用,使密封函和气缸产生很大的疲劳应力。如果在操作过程中两填料函密封面之间的密封力太高,就会使每个密封面上的承压与非承压区域之间不连续的部分承受过高的压力,从而产生较大的不连续应力,填料函在轴向上的载荷越大,产生疲劳破坏的危险就越大,尤其是接触不连续的点附近的接触应力峰值就会很高,该处甚至会变成应力源,容易发生疲劳破坏现象,根据以往的经验,K401C出现密封失效的填料函破坏点就集中在此处附近。4.2　由于K401C,,由于两结合表面上对应的位置的变形程度一般不一样,以及密封环的降压作用,相邻的填料函所受到的内压力不同,会造成上游填料结合处承受着较大的应力,应力和变形两方面的差异导致密封面的相对运动,随压缩机的吸气与排气过程,气缸内压力的周期性变化造成相邻的密封面之间就产生滑动和摩擦,在锥面区域是易发生微动磨损的区域,在此处局部不易散热,温度容易升高,如果冷却不及时或密封表面有划痕等缺陷,就会造成密封表面在长时间滑动和摩擦后产生微动磨损,表面颜色发生变化,进而发生粘着和磨料磨损,使磨损加剧,最后造成填料函密封面出现点蚀、凹坑甚至裂纹。由于此处是密封面的高压力气体集聚的地方,随着磨损的加剧,密封表面油膜变薄甚至被破坏,随即会发生气体渗透。填料函密封面出现点蚀、凹坑甚至裂纹的区域是气体渗透的重点危险区域,在该区域发生微动磨损和气体渗透时是相互促进的,气体渗透加剧了微动磨损,使填料函密封面上

的凹坑、裂纹加大,发展到一定程度就会导致填料函密封失效。4.3　油润滑的影响

K401C本次技改安装了新的注油器,从填料密封和润滑原理分析,由注油器向填料函输送的高粘度内部润滑油,在正常操作时填料函内各元件和活塞形成的间隙空间应充满油,在活塞和填料表面形成油膜,还应很好的附着在滑动表面并且有较高粘度,以便于维持两填料函密封面独立的油膜,并确保油膜的粘附力大于活塞杆与填料之间的混合摩擦力。因此在较高温度和较高压力下,油品质量和油量是影响填料使用寿命的重要因素。4.4　填料环的腐蚀性问题

对K401C,填,,。同时,由于,坚硬的低聚物粉末颗粒就象研磨,从而缩短了填料的使用寿命,加速密封填料组件的磨损。

由于多种因素的影响,当填料磨损到一定程度,填料的密封条件被破坏,密封效果就会越来越差,其密封作用就会丧失,原来由填料函内气体压力维持密封环抱紧活塞的作用力消失,径向接触比压和轴向接触比压达不到密封要求,密封环的跟随性效果变差,致使填料环仅完全依靠填料弹簧预紧力维持填料环随活塞作周期性的往复运动,使弹簧受到周期性的扭矩力,同时随着气缸的吸、排气过程,造成了失效填料环疲劳断裂,导致填料组件在与活塞接触时压力增大,磨损加快,最终将填料组件磨断。4.5　预防措施

为在一定程度上消除较大的脉动压力及影响,K401C填料函和气缸都采用了热压套的双层结构,该结构可以对承受应力较高的区域施加一个压缩应力,从而消除此处的部分脉动压力,减少相应的疲劳应力。为进一步减缓微动磨损和气体渗透,对于结构不连续处等易产生应力集中的区域,填料函结构上要采用圆角过渡形式。但由于填料函磨损严重,每次检修都要重新研磨,该圆角易被忽视或难以保证,因此,每次检修应采用着色

・174・

泸　天　化　科　技　　　　　　　　　　　　　　　2008年第2期

探伤或磁粉探伤等方法对密封表面进行定期检

查,发现疲劳破坏或裂痕时应及时修复。在对密封面进行修复和研磨时,经检查确认无裂纹,按相应标准将棱角倒圆,消除局部应力集中,并保证在安装时密封面与活塞轴线垂直。

为保证活塞和填料的良好润滑,要选择满足要求的润滑油,为尽量降低活塞与填料的温度,还要保证内部润滑油流量,一般设定油泵满程的70%以上。检修过程要严格控制有关间隙尺寸,保证装配精度,尤其是填料修复后,一定消除尖角和尖棱,保证过渡圆滑。在工艺生产过程中要求压缩机上游过滤器良好在线运行,合适的操作温度,同时,要保证润滑油的清洁,避免灰尘等固体颗粒混入润滑油中。5　结束语

撑环连续使用至今无损坏,

填料盒冷却效果好,密

封严密,整个机组运行正常,无大的振动,无异常响声,满足工艺的要求。K401C本次技改实现了整个装置的长周期、满负荷、安全

、稳定、经济运行的目的,达到预期的技改效果,并积累了宝贵的经验和第一手资料,为合成一车间以后K401A/B台的技术改造提供了依据。

参考文献

1　陈华凤等编著1浅谈往复式压缩机填料密封环工作原理

1上海:贺尔碧格有限公司,2004

2　王永辉等编著1扬子芳烃厂填料改造成功实例1上海:

贺尔碧格有限公司,2005

3　吕红旗等主编1压缩机设计适用手册1北京:清华大学

压缩机工程研究中心,2007

4　丁明志等主编1平环密封圈在往复压缩机填料函中的运

用1安徽:四方化工集团,2005

5　JB9102119102一北京:,在本次K401C氢氮气压缩机的技术改造中,

在相关部门的密切配合和大力支持下,本次技术改造取得了圆满的成功、缸部分和管道的改造、缩的改进是正确的整个,。由,各段活塞杆、填料和支

,男,大学本科。2007年毕业于西南石油大学过程装备与控制工程专业(化工机械专业),现在检修车间从事钳工工作。

联系电话　0830—4129102收稿日期　2008年5月27日

浅谈K401C氢氮气压缩机填料密封

泸天化股份公司检修　　张　伟

摘　要　　主要对泸天化K401C氢氮气压缩机气缸活塞填料密封结构与密封原理及其密封条件进行了研究,在对密封填料函结构和填料受力等讨论的基础上,分析了影响压缩机气缸填料密封失效的主要原因,并提出了相应的预防措施。

关键词　　往复式压缩机　　填料密封　　密封失效　　动密封　　静密封

1　前言

面。装配时低压侧为三瓣斜口填料环,高压侧为三瓣直口填料环,而两环之间通过定位销确定相

互位置,为有效密封,各切口相互错开一定角度,以错开两片环的切口间隙,填在填料函的腔内。,,。安装时必(气缸)侧,当压缩机在,填料函中的聚集气体可以沿着环槽间隙和径向环的切口回流,这样使得填料环组只在排气过程中受载荷,延长了环的使用寿命。为了便于说明,下面以最常用的填料密封环(如图1)来解释它实际的工作原理,该环由一片径向切口环和一片切向切口环组成,为典型的单作用环

。

压缩机是一种将气体压缩从而提高气体压力并输送气体的机械,是现代化工企业的关键设备之一,其性能的高低直接影响装置的经济效益,安全运行与整个装置的可靠性紧密相关,因而成为备受关注的心脏设备。而往复式压缩机由于压力范围大、效率高、适应性强,业应用则更为广泛,耗能比重大,,和安装空间,检修难度较大,。

往复式压缩机填料密封环的作用是防止气缸中的高压气体沿着活塞杆方向泄漏,是压缩机中最重要的零部件之一,也是压缩机最主要的外泄漏途径之一。K401C气缸活塞使用的填料密封环是一种动密封环,即只有在压缩机工作时才起密封作用(一般的压力工况),这里的动密封指作用到填料密封环上的压力随着活塞的往复运动而成明显的周期变化,而压缩机停机时或者在其它特殊情况下,它并不能起密封作用。而在后者情况下起密封作用的密封环,我们通常称为静密封环。2　密封环的工作原理

K401C气缸活塞使用的填料密封环组由一片

图1　

常用的填料密封环

径向切口环和一片切向切口环组成,在每个密封单元中两填料环都是由弹簧提供径向压力而对活塞表面产生预紧力,使填料环能紧贴在活塞的表

图2　气缸工作状态

　　如图2状态一所示,该状态表示所需密封的

工作气缸端被压缩时,此时气缸中气体的压力较高,填料密封环由于受气体压力的作用靠向低压侧,气体从填料密封环与填料函环槽之间的轴向间隙和径向环的切口间隙中进入填料的外侧,在气体压力的作用下形成3个接触良好的密封面:径向环与切向环切口错开形成的密封面、切向环与活塞杆表面形成的密封面、切向环与环槽侧面形成的密封面,这样就阻止了气体的泄漏;当气缸吸气时,如图2状态二所示,气体通过径向环的切口间隙部分回流进气缸,其余部分气体通过回气管进入循环段与补充来的新鲜气体再进入下一个压缩过程。

在压缩机的往复运行周期内,在压缩阶段,如图2状态一所示,气缸内的高压气体作用在填料密封环上,在填料密封环前后形成压差,各密封面在气体压差的作用下能够很好的工作,起到密封的作用,但由于气体压力较高,气体要逐步泄漏到随后的填料环槽里并形成类似的密封形式,最终保证整个填料函的密封效果;,状态二所示,,渐下降,中,,使填料密封环形成新的密封面,起到密封作用。填料环在理想的工作状态下,即第一密封面与第二密封面均密封良好,这时漏气的通道就只能是环的开口间隙处。气体首先从气缸流经活塞和填料环的间隙,通过填料环侧隙空间,流入填料环的背隙空间,这时积聚在整个空间内的气体将通过各个开口间隙,沿下一道密封函与活塞的间隙流出。由于填料环存在开口泄漏,以及活塞和气缸、密封环间的间隙,都会造成泄漏,因此利用一道密封环阻止泄漏是不可能的,于是K401C氢氮气压缩机便采用了多道密封单元,组成一个串联节流系统,使气体每通过一道密封环就产生一次节流,先节流后膨胀,当气体从填料函与活塞间的间隙进入函室过程中,气体先在窄缝中动能增加,压力减小,在进入下级填料函时流束截面突然扩大后,气体在腔内形成强烈的漩涡,大部分动能再转变成热能,总压力下降,泄漏量也随之减少,在高压气体经气体节流环减压后,再经数道填料

环密封减压,从而达到阻止泄漏的目,起到密封的作用。

3　密封环的工作条件

前面提到的动密封是指作用到填料密封环上的压力随着活塞的往复运动而成明显的周期性变化,也就是说作用到填料密封环上的压力为脉动压力,这种脉动变化的压力是填料密封环能够密封气体所必需的。

K401C氢氮气压缩机的填料密封是一种动态

密封,多采用分瓣式结构,用弹簧装配,留有切口间隙,用以补偿磨损,工作时靠气体压力来达到密封的作用,即在一定的压差下,填料密封环在气体压差的作用下形成密封面,,这里的压差指的是:。而对、。

当密封压力为静压力时,刚开始工作时静压力形成静压差使填料密封环向低压侧靠拢,形成初始的密封状态,压力较高的气体要逐渐泄漏,随后的几组填料密封环也与第一组填料密封环存在相似的泄漏情况;但由于是静压,即没有吸气过程,因此,高压气体无法回流,将一直处于泄漏状态。同时,随着时间的推移,第二个环槽里的压力随着从第一个填料密封环的泄漏气体的不断增多,压力不断升高,逐渐形成与平衡腔相同的压力,那么环背压力就建立不起来,此时,填料环虽然仍然与填料函的端面接触,但此密封面不能起到密封作用。此时,由于第一组填料密封环前后没有压差,靠压差来维持正常工作的填料密封环无法密封,也即相当于第一组填料密封环不能正常工作。在此后的几组填料中也存在这个问题,一直到最后一组填料密封环,气体必然会通过填料泄漏。

因此,在静压差的工况下,普通的填料密封环无法正常工作,当压缩机正常运行时,在填料密封环的两侧便产生脉动压力形成压差,脉动变化的压力是填料密封环能够密封气体所必需的条件。

4　影响填料使用寿命的主要因素及预防措施4.1　填料函疲劳损坏

K401C压缩机气缸活塞填料函在工作状态

下,要承受很高的压力,另外在操作中每完成吸气和排气的一个工作循环,气体压力都将在一个很大的压力区间频繁的波动,而使密封面直接承受一个非常大的脉动压力。这样在每个循环过程中就使填料函密封面产生非常大的交变应力作用,使密封函和气缸产生很大的疲劳应力。如果在操作过程中两填料函密封面之间的密封力太高,就会使每个密封面上的承压与非承压区域之间不连续的部分承受过高的压力,从而产生较大的不连续应力,填料函在轴向上的载荷越大,产生疲劳破坏的危险就越大,尤其是接触不连续的点附近的接触应力峰值就会很高,该处甚至会变成应力源,容易发生疲劳破坏现象,根据以往的经验,K401C出现密封失效的填料函破坏点就集中在此处附近。4.2　由于K401C,,由于两结合表面上对应的位置的变形程度一般不一样,以及密封环的降压作用,相邻的填料函所受到的内压力不同,会造成上游填料结合处承受着较大的应力,应力和变形两方面的差异导致密封面的相对运动,随压缩机的吸气与排气过程,气缸内压力的周期性变化造成相邻的密封面之间就产生滑动和摩擦,在锥面区域是易发生微动磨损的区域,在此处局部不易散热,温度容易升高,如果冷却不及时或密封表面有划痕等缺陷,就会造成密封表面在长时间滑动和摩擦后产生微动磨损,表面颜色发生变化,进而发生粘着和磨料磨损,使磨损加剧,最后造成填料函密封面出现点蚀、凹坑甚至裂纹。由于此处是密封面的高压力气体集聚的地方,随着磨损的加剧,密封表面油膜变薄甚至被破坏,随即会发生气体渗透。填料函密封面出现点蚀、凹坑甚至裂纹的区域是气体渗透的重点危险区域,在该区域发生微动磨损和气体渗透时是相互促进的,气体渗透加剧了微动磨损,使填料函密封面上

的凹坑、裂纹加大,发展到一定程度就会导致填料函密封失效。4.3　油润滑的影响

K401C本次技改安装了新的注油器,从填料密封和润滑原理分析,由注油器向填料函输送的高粘度内部润滑油,在正常操作时填料函内各元件和活塞形成的间隙空间应充满油,在活塞和填料表面形成油膜,还应很好的附着在滑动表面并且有较高粘度,以便于维持两填料函密封面独立的油膜,并确保油膜的粘附力大于活塞杆与填料之间的混合摩擦力。因此在较高温度和较高压力下,油品质量和油量是影响填料使用寿命的重要因素。4.4　填料环的腐蚀性问题

对K401C,填,,。同时,由于,坚硬的低聚物粉末颗粒就象研磨,从而缩短了填料的使用寿命,加速密封填料组件的磨损。

由于多种因素的影响,当填料磨损到一定程度,填料的密封条件被破坏,密封效果就会越来越差,其密封作用就会丧失,原来由填料函内气体压力维持密封环抱紧活塞的作用力消失,径向接触比压和轴向接触比压达不到密封要求,密封环的跟随性效果变差,致使填料环仅完全依靠填料弹簧预紧力维持填料环随活塞作周期性的往复运动,使弹簧受到周期性的扭矩力,同时随着气缸的吸、排气过程,造成了失效填料环疲劳断裂,导致填料组件在与活塞接触时压力增大,磨损加快,最终将填料组件磨断。4.5　预防措施

为在一定程度上消除较大的脉动压力及影响,K401C填料函和气缸都采用了热压套的双层结构,该结构可以对承受应力较高的区域施加一个压缩应力,从而消除此处的部分脉动压力,减少相应的疲劳应力。为进一步减缓微动磨损和气体渗透,对于结构不连续处等易产生应力集中的区域,填料函结构上要采用圆角过渡形式。但由于填料函磨损严重,每次检修都要重新研磨,该圆角易被忽视或难以保证,因此,每次检修应采用着色

・174・

泸　天　化　科　技　　　　　　　　　　　　　　　2008年第2期

探伤或磁粉探伤等方法对密封表面进行定期检

查,发现疲劳破坏或裂痕时应及时修复。在对密封面进行修复和研磨时,经检查确认无裂纹,按相应标准将棱角倒圆,消除局部应力集中,并保证在安装时密封面与活塞轴线垂直。

为保证活塞和填料的良好润滑,要选择满足要求的润滑油,为尽量降低活塞与填料的温度,还要保证内部润滑油流量,一般设定油泵满程的70%以上。检修过程要严格控制有关间隙尺寸,保证装配精度,尤其是填料修复后,一定消除尖角和尖棱,保证过渡圆滑。在工艺生产过程中要求压缩机上游过滤器良好在线运行,合适的操作温度,同时,要保证润滑油的清洁,避免灰尘等固体颗粒混入润滑油中。5　结束语

撑环连续使用至今无损坏,

填料盒冷却效果好,密

封严密,整个机组运行正常,无大的振动,无异常响声,满足工艺的要求。K401C本次技改实现了整个装置的长周期、满负荷、安全

、稳定、经济运行的目的,达到预期的技改效果,并积累了宝贵的经验和第一手资料,为合成一车间以后K401A/B台的技术改造提供了依据。

参考文献

1　陈华凤等编著1浅谈往复式压缩机填料密封环工作原理

1上海:贺尔碧格有限公司,2004

2　王永辉等编著1扬子芳烃厂填料改造成功实例1上海:

贺尔碧格有限公司,2005

3　吕红旗等主编1压缩机设计适用手册1北京:清华大学

压缩机工程研究中心,2007

4　丁明志等主编1平环密封圈在往复压缩机填料函中的运

用1安徽:四方化工集团,2005

5　JB9102119102一北京:,在本次K401C氢氮气压缩机的技术改造中,

在相关部门的密切配合和大力支持下,本次技术改造取得了圆满的成功、缸部分和管道的改造、缩的改进是正确的整个,。由,各段活塞杆、填料和支

,男,大学本科。2007年毕业于西南石油大学过程装备与控制工程专业(化工机械专业),现在检修车间从事钳工工作。

联系电话　0830—4129102收稿日期　2008年5月27日