活塞压缩机密封材料耐磨性能研究现状

赵冲，张仁科，黄河，韩红孝

（四川金星清洁能源装备股份有限公司，四川成都611731）

活塞压缩机密封材料耐磨性能研究现状

赵冲，张仁科，黄河，韩红孝

（四川金星清洁能源装备股份有限公司，四川成都611731）

材料密封性能是制约活塞压缩机可靠性的主要问题之一。本文介绍了压缩机用高分子材料密封环耐磨性能研究现状，解释了高分子改性材料耐磨研究机理；对近年来出现的缸套、活塞杆处理工艺进行了简要阐述。

活塞压缩机；耐磨；高分子材料；处理工艺

1　引言

压缩机作为一种通用机械，从问世以来就广泛应用在石油、化工、天然气、气体分离等行业。目前，常用的压缩机机型主要有活塞压缩机、螺杆压缩机、涡旋压缩机、离心压缩机等。

活塞式（曲轴连杆型）具有结构简单，技术成熟，加工制造技术要求较低，压缩比实现容易等特点，在压缩机市场上占有主导地位。随着产品在实际生产过程中的实际应用，针对活塞压缩机的缺点争议也一直未曾中断过。气阀、填料、活塞、缸套等在各种恶劣工况下密封问题越来越成为活塞压缩机设计制造的重点。近年来，国内外相关研究机构和生产单位进行了一系列广泛深入的研究和改进，取得了可喜的成绩，科研成果和专利层出不穷，其中，新材料及其处理工艺成为活塞压缩机密封性能研究一个主要方向。

2　高分子复合材料密封环研究现状

活塞压缩机的密封性能是压缩机机组的一项重要指标，直接影响着排气压力、排气量等重要参数，对用户的实际生产和产能效益起着定性作用。该机型密封点主要分布在填料、活塞环、气阀等关键部位，由于工况复杂（动密封），工作环境恶劣（高温、高压、油污），对上述部位材料的耐高温、抗磨损性能提出了明确而严格的要求。

目前，活塞压缩机密封环用高分子复合材料主要分为聚四氟乙烯（PTFE）和聚醚醚酮（PEEK），2种材料具体性能见表1［1］。

纯PTFE或PEEK一般无法直接使用，通常需要加入一定的填充材料以塑料形式投入使用。随着无油润滑压缩机的提出，复合PTFE材料最早替代传统金属材料，在活塞环、填料等关键密封部位使用。但由于材料硬度低，抗磨损能力差，PV值在一定的速度、温度、压差的情况下，上升速度很快，并且在实际使用中易产生冷流现象，大大限制其在压缩机中的使用范围。为改善以上缺点，许多研究者对材料进行改性研究。

表1　PTFE和PEEK性能对比

玻璃纤维、石墨、碳纤维等无机材料是研究最为广泛的改性研究方向。研究表明，将石墨作为填料加入材料中，由于石墨本身摩擦系数小，并且能够在对偶件表面形成转移膜，从而显著提高材料的抗磨性能；玻璃纤维、碳纤维等材料硬度大、线膨胀系数小（仅为PTFE的1/100），添加到纯PTFE、PEEK中，能够起到传递载荷和承受载荷的作用，减少基体材料直接磨损的机会，使复合材料的力学性能和耐磨损性能增强，但会小幅度提高材料摩擦系数。大量实验数据表明，只有在一定含量范围内无机填料可以有效提高材料抗磨损性能，但当无机填料用量过多时反而会降低材料的综合性能。在实际应用中，上海石化总厂芳烃厂采用南京玻璃纤维研究设计院研发的PTFE碳纤维复合材料，应用到某台进口氢压机的活塞环、支承环、密封环上，经工业考核达到了8000 h的运行寿命。而全球著名密封材料公司贺尔碧格密封产品常用材料就为PTFE、PEEK，其中开发的碳纤维填充PTFE材料HY521、HY524、HY526等，成功应用于国内外活塞压缩机的活塞环，填料密封环，保证无故障运行时间达到设计要求，但具体配方还不得而知［2］。

纳米填料和有机填料改性是近年来的研究热点。与无机材料相比，纳米材料在具备相同强度和硬度条件下，还具有良好的塑性及韧性。纳米粒子尺寸小，比表面积大，具有量子尺寸、宏观量子隧道、表面、体积4大效应，加入基体中可以整体提高材料性能。在磨损工况下，纳米粒子有效的束缚基体材料大分子链间运动，从而防止材料大面积的带状磨损，同时，在材料表面的纳米填料具有很强的表面活性，容易与对偶结合形成转移层，从而有效提高复合材料的抗磨损效果。该研究的难点在于，能够采取适当方法使纳米材料在基体中均匀分布。目前，在压缩机中实际应用使用情况报道较少。

而有机填料的出现，主要应对于无机改性后的复合材料出现无机填料与基体相容性差、亲和力低这一致命缺点。热致型液晶聚合物（TLCP）具有极小的线膨胀系数，是目前最为有效的有机填料之一。通过混合加入TCLP、无机填料，能够显著降低材料摩擦系数，使复合材料的耐磨性提高了100多倍。2009年［3］，湖北三宁与南京大学共同开发的有机、无机复合材料替代原有的单纯无机复合PTFE材料，4级、5级气缸所使用的活塞环正常运行已超过8000 h，而原有复合PTFE材料寿命仅分为180天、30天。

此外，另一种优良密封高分子材料聚酰亚胺（PI），其机械性能和耐磨性能与PEEK相当，耐高温性能更加卓越，在260℃温度下力学性能变化小，瞬时使用温度可达430℃，具有显著的抗蠕变能力。国内某公司填充PI复合材料替代原有PTFE复合材料制作活塞环，解决了复合PTFE活塞环在机组出气口温度为150℃左右时寿命短的问题，经过7个月连续使用，未曾出现问题［4］。

3　缸套、活塞杆处理工艺

活塞压缩机的缸套、活塞杆分别与活塞环、填料环等构成摩擦副，在研究各种密封环的同时，还要提高相对应缸套、活塞杆的性能，保证摩擦副之间良好的润滑状况。缸套、活塞杆在使用一段时间后，都会发生不同程度的磨损，一方面会导致气体泄漏，影响压力与气量；另一方面，由于磨损情况不均匀，导致相对应密封环在工作时受到额外的作用力，导致密封环过早断裂损坏。此外，据相关报道，缸套、活塞杆疲劳断裂在压缩机安全事故所占比例一直居高不下，主要原因集中于原材料杂质多、第二相在基体中分布不均匀、铸造和热处理工艺不恰当等［5-6］。

新型铸造工艺改善材料组织与性能。传统铸造工艺容易产生气孔、砂眼、夹渣、缩松等缺陷，这些缺陷在长期高速、高载荷工况成为疲劳裂纹的裂纹源。许旸［7］等采用新型铸造工艺-垂直上引连续铸造方法生产氮氢压缩机缸套，获得了细密的铸态组织，材料共晶团体积仅有传统工艺的1/8～1/10，而晶界面积增加了4倍以上，从而显著提高材料性能，具有高致密、零缺陷、强韧兼备的特点。通过实际使用后表明，缸套寿命提高了一倍以上。

优化热处理工艺。通过适当的热处理工艺可以优化材料显微组织，控制第二相形状和组成，达到提高材料性能的目的。目前，国内主要压缩机厂缸套、活塞杆制造中常用的热处理工艺为正火调质-去应力退火-氮化，经过大量实验，根据产品材料确定了比较成熟的热处理工艺［8-9］。但传统热处理也存在着各种缺陷，比如活塞杆在传统调质热处理工艺中容易出现弯曲变形、脆性裂纹、放电融化等致使活塞杆报废的情况；氮化处理后虽然材料整体提高了硬度，但硬度分布不均匀，使缸套与活塞环、填料环与活塞杆之间刚性接触增大，加速磨损。对此，有人采用了不同工艺对缸套、活塞杆进行处理，取得了很好效果。安代明［10］为了提高活塞杆的抗磨损能力、延长使用寿命，用激光表面淬火工艺替代传统热处理工艺。试验证明，采用激光表面淬火工艺可以彻底消除活塞杆变形及硬化不均匀现象，并且比传统热处理的硬度高15%～20%，最高硬度可达到60HRC，淬透层可达0.1～2.5 mm。舒炳生［11］等对高压空压机气缸缸套内表面激光淬火与传热处理对比发现，经过激光淬火后大大提高了缸套的耐磨性、抗疲劳、耐腐蚀、抗氧化等性能，硬度高达1024HV，使用寿命增加3～4倍。

由于大多数压缩机主要应用在汽、柴油的加氢精制、催化等设备装置上，相关的压缩气体具有不同程度的腐蚀性，因此在一定工况下，需要缸套、活塞杆具有良好耐磨性的同时也具备出色的抗腐蚀性能。邱大伟［12］等将QPQ盐浴复合处理技术应用在压缩机活塞杆上，利用不同性质的熔融盐液先后进行处理，使多种元素同时渗入金属表面，形成由集中化合物组成的复合深层，使活塞杆表面得到强化改性，从而提高了耐磨性、抗腐蚀性能。王光［13］等利用等离子喷涂技术对活塞杆摩擦面进行陶瓷硬化处理工艺，大大简化了活塞杆原有生产工序，缩短了生产周期，避免了传统工艺出现的变形等缺点，制备的陶瓷涂层活塞杆表面硬度为HRC60，结合强度35 MPa，有效涂层厚度为0.3 mm。同时，40%TiO2-Al2O3涂层能显著提高其抗腐蚀性能，经过用户实际使用对比发现，使用寿命提高了2倍。

4　结语

与密封相关课题研究起步较晚，与国际先进水平相比，还有很大的差距。而无油润滑密封材料在提高压缩机使用寿命、降低成本、节能降噪、净化气体等各方面有着不可替代的优越性。因此，需要不断研发新型无油润滑密封高分子材料，同时，还要深入研究润滑与密封相关机理，采用新工艺提高缸套及活塞杆的磨损性能，与密封环匹配构成合理摩擦副。

［1］梁延祥.PEEK-制作中高压往复压缩机活塞环的新材料［J］.压缩机技术，2006，（6）.

［2］姚建国.航煤加氢D17714304压缩机活塞杆密封失效分析与改进技术研究［D］.华东理工大学，2005.

［3］魏天荣.新型复合材料在压缩机无油润滑中的开发应用［J］.化肥工业，2013，（2）.

［4］黄起.5L空压机无油润滑的理想材料-聚酰亚胺用［C］.中国工业气体工业协会，2000.

［5］丁毅.氢气压缩机缸套开裂失效分析［J］.金属锻造焊技术，2011，40（23）.

［6］王勃.往复式压缩机活塞杆断裂原因分析［J］.设备管理与维修，2012，（10）.

［7］许旸.往复式压缩机缸套制作材料的新选择--连铸空心型材［J］.热加工艺，2012，41（21）.

［8］蒋天池.天然气压缩机活塞杆渗氮工艺改进［J］.金属热处理，2006，31（6）.

［9］曲德毅.往复机球铁缸套表面硬化处理［J］.压缩机技术，2012，（2）.

［10］安代明.用激光表面淬火提高压缩机活塞杆耐磨性能［J］.设备管理与维修，2012，（8）.

［11］舒炳生.激光淬火在高压空气压缩机气缸套中的应用［J］.流体机械，2007，35（12）.

［12］邱大伟.往复式压缩机活塞杆表面耐磨抗蚀处理［C］.第八届沈阳科学学术年会论文集，2011.

［13］王光.陶瓷涂层活塞杆的研制［J］.沈阳理工大学学报，2005，24（1）.

Current Research Situation of Wear Resistance for Sealing Material Used in Piston Compressor

ZHAO Chong，ZHANG Ren-ke，HUANG He，HAN Hong-xiao
（Sichuan Jinxing Clean Energy Equipment Co.，Ltd.，Chengdu 611731，China）

The seal is one of the major problems restricting the development of piston compressor.This paper introduces the research status of polymer material for sealing ring used in piston compressor，and explains the wear resistance mechanism of polymer modification materials.At last，a simple elaboration about treatment processes of cylinder and piston rod appeared in recent years is made. Key words：piston compressor；wear resistance；polymer material；treatment process

TH457

B

1006-2971（2015）02-0043-03

赵冲（1987-），男，硕士研究生，2012年毕业于重庆大学材料科学与工程专业。现在四川金星清洁能源装备股份有限公司从事压缩机设计工作。E-mail:377575868@qq.com

2014-12-17