碳环密封的结构和应用

赵利娜 周 鹏 陈宗华

（三一能源重工有限公司)

应用研究

碳环密封的结构和应用

赵利娜*周 鹏 陈宗华

（三一能源重工有限公司)

介绍了压缩机机组中常用的碳环密封结构，包括石墨环结构及材料、石墨环加工方法、碳环安装方法、碳环密封试验方法及应用场合。

压缩机 碳环密封 碳环 密封试验

0 前言

碳环密封属于非接触式密封装置，是浮环密封的一种形式，其结构如图1所示。碳环密封的工作原理与浮环密封相同，不同的是其浮环材料采用非金属石墨环材料。碳环密封的结构包括环形密封腔和环形轴套 （轴套也可不使用）。密封腔内至少装有两个截面为矩形的环形石墨密封环 （也叫碳环），通过控制碳环内径与环形轴套之间的间隙来达到密封效果。碳环和轴之间的单边间隙通常取为3～10 μm，密封介质可以为空气、 N2、CO2、氨气等。

1 碳环

碳环相当于浮环密封中的动环，材质为炭精。碳环材料按照JB/T 9580规定分两类：机械用碳类和特种石墨类。机械用碳类碳环采用的浸渍物为环氧树脂、酚醛树脂、巴氏合金、铝合金、铜合金等。特种石墨类碳环主要采用硅作为浸渍物，硬度较大。

图1 碳环密封结构

碳环应做水压试验，持续10 min不得有渗漏。碳环加工不允许有裂纹、氧化、分层、贯穿性麻点等缺陷。碳环结构可以为整体式，也可以为分瓣式，常见的为三瓣式。碳环结构如图2所示，其中图2（a）为整体式碳环结构，安装方式为从轴向安装。图2（b）为三瓣式碳环结构，安装时用弹簧箍在一起，安装在密封腔体内。图2（c）是多瓣式碳环结构[1]，切割成多段的密封圈合围成一个圆环，被切割的每段密封环的切口为斜切口，且每段切口是沿着同一方向进行平均切割，斜切口的切线为密封环内圆周的圆周切线，保证密封环在磨损之后碳环沿着斜切口向内滑移贴近轴套，使密封间隙保持不变。图2（d）为具有自动补偿能力的无间隙碳环形式，其作用原理与图2（c）相似，均利用碳环外圆周槽上的碳环实现碳环的自动补偿[2]。

图2 碳环结构

碳环的肖氏硬度为45～90 HS。碳环在高温高压下与旋转轴接触容易导致轴的疲劳磨损，因此经常在轴外设置轴套，并将轴套接触表面进行硬度处理，涂三氧化二铝或者三氧化二铬，或者采用纯铬涂层。当转速和压力不高时，可直接对轴表面进行涂层处理，以提高轴的接触硬度，达到保护旋转轴的目的。轴套外表面涂有耐磨层，涂层材料一般为三氧化二铝或三氧化二铬。碳环密封用于密封易燃、易爆、有毒等有害气体时，密封腔内可以充入缓冲气，通常为惰性气体氮气，以保证气体的零泄漏。

碳环在-120℃时因本身的自润性降低，影响与轴的配合， 会降低密封效果。 专利CN202001607U介绍了一种可用于低温密封的碳环结构[3]，主要是在碳环密封座的外圆周上添加铝制（也可为铜制）的加热环，用抱箍和螺栓对加热环进行固定，加热环内布有电加热管线，与外部加热控制电源相连，通过温控仪控制整个密封的使用温度。

2 碳环加工方法

流体在通过碳环密封时是通过逐级节流降压实现密封的，故在碳环组装前通过人工研刮碳环内径来控制其与主轴的间隙，使间隙在技术要求数值范围内。碳环有一定的硬度，新备件碳环留有加工余量，多采用机加工来替代人工研刮，以提高加工精度。整体式碳环的加工精度可通过控制加工速度、进刀量和加强冷却的方法来保证。对于分瓣式碳环需要采用专用工装才能保证加工精度[4]。专用工装应保证精度定位与设计基准重合，夹紧力与支撑点要对应。

3 碳环径向对中装置

在轴未启动时，由于重力作用碳环会与轴接触，而在轴下方形成月牙形间隙气膜。当轴启动时，气膜的压力会使碳环浮起，使之趋向于与轴同心。空间间隙小，流体动压力就小，自动趋向轴心的能力就较差，因而大多采用橡胶O形圈进行定位。O形圈既不会影响楔形气膜的形成，又减少了碳环在静态下的偏心度，同时也减少了泄漏量。O形圈也可以用弹簧、压簧等来代替。碳环在压簧的作用下，当密封气的压力降低时碳环仍可以保持对正中心位置。碳环在外径圆上开槽以便于其与O形圈进行装配，或者直接与压簧过盈配合。碳环及其对中结构如图3所示。

图3 碳环对中结构

4 碳环轴向对中装置

旋转轴在工作状态下会发生轴向窜动，这就要求碳环在轴向方向具有一定的弹性位移。在工程应用中通常采用以下方式来进行轴向定位：一是采用弹簧进行轴向安装定位；二是采用具有弹性变形的波形弹簧进行轴向定位；三是当形成的气膜较碳环承受的压力大时，为防止碳环发生径向旋转，在碳环端面上开设沟槽，设置防转销。碳环定位装置结构如图4所示。

5 碳环密封性能试验

碳环密封所用的试验台如图5所示。碳环密封应进行静态密封试验和动态密封试验。在进行密封试验后应检查密封件。若出现碳环接触磨损、机械疲劳及热疲劳 （例如磨损、热裂），或者试验过程中出现碳环座温度明显上升，则认为碳环密封不合格。

图4 碳环定位装置

图5 碳环密封试验装置

试验仪表：金属管浮子流量计或玻璃转子流量计，精度为1.6；流量、压力、差压变送器，精度为量程的5%。

5.1 静态密封试验

静态密封试验是将轴保持不动，分步逐渐增大密封压力至最大静态压力P，然后依次减压为75% P、50%P、25%P，在每个压力下保压并稳定一定时间 （3～5 min），记录密封静态泄漏量。

5.2 动态密封试验

按步骤进行动态密封试验。首先，将轴的转速逐渐增加到最大连续转速，在每个转速阶段稳定3～5 min，记录密封泄漏量。其次，将转速增加到跳车转速 （约为最大连续转速的110%），稳定运行15 min，且每隔5 min记录数据一次。再次，将转速降低到最大连续转速，稳定运转60 min，每隔5 min记录试验数据一次。然后把转速降到零，把压力降到最小密封压力。之后再增速到最大连续转速，按照静态密封试验进行加压，每阶段稳定2 min并记录数据。动态密封试验的泄漏量应小于规定的最大泄漏量。

6 集装式碳环密封

碳环密封多为集装式整体结构，在高压、高转速下多采用多级碳环串联使用。碳环安装在碳环座内，在拆卸的过程中需要使用专门的拆卸工装将碳环密封取下。专利CN201377410Y[5]介绍了一种用于空压机碳环密封的拆卸工装——撬杆，具体结构如图6所示。利用撬杆与碳环及密封座的接触面为支撑，可很方便地进行碳环密封的拆卸。

图6 一种碳环密封拆卸工装

当密封介质为工艺介质时，碳环座应采用具有抗腐蚀性的材料。碳环密封可以用于气封和油封。碳环密封的设计寿命多为5年，但是在化工流程中多在大修的时候 （3年）更换密封，即使碳环密封仍然满足使用要求也要更换。碳环密封在安装时应保证密封腔内没有杂质、固体颗粒等，避免在高速运转下划伤碳环。

7 应用场合

碳环密封因其结构简单、维修方便，不需要复杂的润滑冷却系统，可以避免油、水等对气体的污染，且多组碳环并列使用可以有效地密封高压气体，故得到了广泛的应用。碳环密封主要应用于石油化工、冶金等设备的轴端密封，也可应用于汽轮机、风机、发电机、压缩机、透平机等机组作为级间密封，其使用温度在-120～500℃之间。

[1]上海超惠通风环保设备有限公司.碳环密封的密封环结构：中国，CN201120101380[P].2011-11-23.

[2]侯玉杰， 程诺.自补偿无间隙碳环密封： 中国，CN201020568054[P].2011-08-10.

[3]上海超惠通风环保设备有限公司.一种低温碳环密封装置：中国，CN202001607U[P].2011-10-05.

[4]万仕强，方文，欧安伦.透平气封 “碳环”加工工装设计 [J].贵州化工，2010，35（1）：54-55.

[5]孟经纬.空压机碳环密封拆卸的撬杆： 中国，CN201377410Y[P].2010-01-06.

Structure and Application of Carbon Ring Seal

Zhao Lina Zhou Peng Chen Zonghua

Introduces the carbon ring seal structure commonly used in compressor unit,including structure, materials and processing method of graphite ring,installation method,sealing test and application occasion of carbon ring.

Compressor;Carbon ring seal;Carbon ring;Sealing test

TQ 050.3

2013-03-31）

*赵利娜，女，1985年生，硕士，工程师。上海市，201200。