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,在石化及中小氮肥行 业应用则更为广泛缺点是它所需投资比重大, 耗能比重大,它外形和重量较大,需要较大的基础 和安装空间,气流脉动大,易损件多,检修难度较 大,基于以上特点,往复式活塞压缩机在使用过程中正确的检修及保养显得尤为重要 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,填料环按一定要求装 填在填料函的腔内主要起密封作用的是切向切 口环,而径向切口环的主要作用是覆盖切向环的切口,这种环组是一种单作用填料环安装时必 须将径向环朝向气体压力(气缸)侧,当压缩机在 吸气过程时,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,为典型的单作用环图1 常用的填料密封环图2 气缸工作状态·171·2008年第2期 泸 天 化 科 技如图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;在吸气阶段,如图2状态二所示,由于气体通过填料密封环组中径向 环的切口回流到气缸,填料环槽内的气体压力逐 渐下降,因此这样就可以保证在下一个压缩过程 中,填料密封环的前后又能建立起新的压差,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,起到密封作用,这里的压差指的是:作用在每一组填料密封环组上的动 压力产生的压差,而非静压力产生的压差而对 于静压力产生的压差即静压差则可以解释为压缩 机非工作腔如平衡腔等类似的压力形成的压差、 停机时的压差等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·271·泸 天 化 科 技 2008年第2期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 填料函密封面的微动磨损和气体渗透由于K401C单级压缩比较高,当相邻的两填 料函的密封面的接触区所承受的密封力太高时, 过大的压力将作用在每个填料函的密封面的承压 和非承压区域之间的不连续部分,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使用过的填料环进行检查发现,填料环表面有大小不一的浅坑,越接近内径越明显, 还带有细小的裂纹,有明显的应力腐蚀和疲劳腐 蚀现象,在高温下的腐蚀现象更严重同时,由于 填料环的腐蚀,坚硬的低聚物粉末颗粒就象研磨 剂一样加剧了填料的磨损,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·371·2008年第2期 浅谈K401C氢氮气压缩机填料密封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对曲轴箱的修复、 对气缸部分和管道的改造、 对于。