超高压往复式压缩机填料密封的失效及其对策

刘尚明（本溪市化学工业学校)



超高压往复式压缩机填料密封的失效及其对策

刘尚明*
（本溪市化学工业学校)

摘要对于超高压往复式压缩机，其填料密封的失效是化工企业设备维护需要面对的一个重要问题。从填料密封原理入手，介绍了常见的密封失效在填料函、填料环和柱塞上的表现形式，分析了填料密封的失效原因，并从设计、安装、维护和操作等几方面提出了预防填料密封失效的措施。

关键词往复式压缩机超高压填料密封失效磨损疲劳断裂

*刘尚明，男，1971年生，工学硕士，高级讲师。本溪市，117000。

填料密封又叫压盖填料密封，是阻止气缸内气体自活塞杆与气缸之间泄漏的部件。填料密封因其结构简单、成本低廉、维修方便而在流体密封领域应用非常广泛。超高压往复式压缩机作为化工企业的核心设备，填料密封是影响其运行的重要部件，它的工作可靠性决定了压缩机的运行周期。但是高压填料密封在气体作用、机械运动冲击、摩擦等引起的周期性交变载荷作用下工作，常发生疲劳损坏和失效，致使密封的使用寿命大大缩短，甚至造成停车等生产事故。有资料显示，因填料密封泄漏造成压缩机系统停车的占各种原因停车次数的42%，因此对填料密封失效的研究显得尤为重要。

1　密封原理

超高压往复式压缩机的填料密封主要作用是防止气缸中的气体沿着活塞杆方向泄漏。填料密封多由多级密封元件组成，主要由密封元件、导向环、气体节流环、填料函、热装缸套、注油冷却系统和低压填料等部分组成。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柱塞表面产生预紧，填料环与填料函室间充满密封气体，形成第一密封面。在此条件下被密封的气体因不能通过柱塞与填料环的间隙，便进入填料环与环槽即填料函之间的侧隙，并充满背隙空间。侧隙内气体压力使填料环与下一道填料函的密封端面压紧，形成第二密封面。同时，背隙中的气体压力作用于填料环的背面，又加强了第一密封面密封效果。

2　填料密封的失效形式

失效在填料密封各组成部分都有可能发生，但是表现形式各不相同。

2.1填料函的磨损及损坏

主要是密封面表面出现麻点、小坑、凹痕等。损坏的进一步表现是出现过度磨损，甚至出现裂纹。

2.2填料环的磨损及破坏

填料环磨损，即出现严重的毛边、偏磨等现象。填料环表面变色，即出现大量的麻点、麻坑等现象，严重时填料环还会出现裂纹甚至断裂。填料的过度腐蚀也是一种主要的失效形式。

2.3柱塞的损伤

柱塞的损伤有：柱塞表面出现粘结、裂纹，外形出现偏磨等尺寸及形位公差变化。另外，柱塞挂铜，也就是柱塞表面与填料接触部位出现填料中铜锡等元素与柱塞融合的现象，例如在柱塞表面形成一层铜衣，这会使柱塞的使用寿命大大降低。

3　失效原因分析

3.1微动疲劳磨损引起的失效

超高压往复式压缩机工作时各级填料盘所承受的内部压力是不同的。当压缩机吸气时，靠近气缸的填料盘受到的压力大于远离气缸的填料盘，产生的形变也大。当压缩机排气时，气缸内部压力升高，填料盘的内压进一步升高，相邻填料盘的形变增大，而且相邻两填料盘形变不相同。每一次压力波动都会使相邻填料盘接触面产生滑动和摩擦，进而产生磨损。从失效的形式来看，填料盘的变化是微米级的，产生的磨损是微动疲劳磨损，磨损失效产生的裂纹是微动疲劳裂纹。微动疲劳裂纹的延伸会造成填料盘的开裂和报废。

3.2疲劳断裂造成的失效

在活塞运动方向突然发生转向后，填料环会随着填料装置的振动而周期性地振动，速度越大振幅也越大[1]。这种振动压力从宏观上来看，是作用在填料函整个密封面上的，但是其主要作用在过渡圆角、空洞等处。特别是该波动压力作用在填料盘内部输油孔上，引起输油孔应力集中，当超过填料盘材料疲劳强度后就会在孔边缘处产生裂纹，裂纹逐步成长，最后填料盘断裂。

3.3填料环的密封失效

在运行过程中，润滑油与工作过程中生成的低聚物易形成黏度大、流动性差的混合物，它会影响填料环内的润滑油存量，阻塞填料环间隙，降低润滑效果[2]。另外，压缩机的润滑油在工作时会产生氧化现象，并形成酸性物质，这会引起填料环腐蚀。正常工作时，填料环与柱塞合理配合，可减少气体的泄漏。这个过程产生一定的热量，这个热量和气体压缩产生的热量共同作用，促进了填料环的腐蚀，使密封面在径向和轴向都产生腐蚀麻点。

填料密封对颗粒介质较为敏感[3]。压缩机的工艺气体有时夹带杂质进入填料函，正常工作状态下可以在允许范围内夹带杂质。但是当压缩机停车后杂质在填料函内冷却，杂质会变硬，再次开车时就会加剧磨损。

3.4柱塞的损坏

柱塞的损坏主要是填料失效后没有及时停车，发生了较长时间的磨损，引起了柱塞偏磨，或者出现了坑凹、裂纹等。柱塞挂铜的原因主要是润滑不良，或新填料紧箍在柱塞上，造成柱塞水平、垂直摆动幅度较大，造成填料与柱塞直接接触，填料中的铜就很容易进入柱塞表面的间隙内。

4　防止填料密封失效的措施

4.1设计对策

设计中尽可能避免出现尖角等应力集中的部位，以免造成疲劳裂纹引起失效。同时，在密封接触面采用镀特殊金属的方法可以有效改善接触面的摩擦特性，降低接触面微动磨损的危险性。

4.2维修对策

（1）维护检查

维修中应注重对填料函内部进行详细检查，可以用目视或放大镜重点检查尖锐角、沟槽、空洞等部位，观察是否出现裂纹、麻坑、磨损等现象，也可以用磁粉探伤等方法检查各密封面，检查是否出现微裂纹。

对检查发现的问题要及时修复，如对微裂纹可以研磨10 μm后再进行探伤，在确定无裂纹或磨损达到要求后，可进行下一步操作。对油孔、油槽等部位进行手工油石修复。对一些易产生应力集中的部位可以喷丸硬化，提高关键区域的疲劳强度。

（2）填料安装

每个填料函在维修之后都会发生一定的偏差和变形，因此在维修中要严格遵守检查维修标准，控制有关间隙尺寸，确保装配精度，尽可能地减小变形。各密封面的平面度、平行度、垂直度、粗糙度达不到要求的，绝不能安装。认真按照检修规程进行操作，拆卸及组装填料密封时，做到文明施工，一定要用专用工具进行施工。

检修柱塞和更换填料时要避免水接触柱塞，在发现柱塞挂铜后要及时更换。对拆卸下来的柱塞要注意保护，尽力避免用手直接接触柱塞表面，拆卸的柱塞应放在专用的容器内。

4.3操作对策

开车初期泄漏量有增大现象。开车初期填料密封泄漏量较大，柱塞温度上升并在较高温度下运行，柱塞水平、垂直振动波动极大，甚至上升至高报警点。这些现象在开车初期是正常的，因为开车初期内部油润滑系统、润滑油和高压填料、柱塞相互之间有一个趋于平衡的过程[4]。因此，开停车时可适当加大润滑油的注入量，并加大冷却能力。

在日常工作中，应加大压缩机前段过滤器的检查，尽可能减少压缩气体的杂质夹带量，保证在填料函内的杂质量处于可接受的范围。更换新填料和柱塞时必须保证一定的跑合时间，以提高填料的使用寿命。做好柱塞温度、振动、气体泄漏量和泄漏气温度等的实时监控，尽可能减少因工艺波动造成的压力波动对填料的影响。

填料密封在超高压下工作，一般的润滑油在此工况下已经接近固态，因此选用的润滑油应具有良好的黏压特性，以保证在超高压下油品仍具有优良的输送性和润滑性[5]。此外，填料密封正常工作时润滑油油量应充足，这样就可使填料函内各元件和柱塞形成的间隙空间充满油，在柱塞和填料表面形成油膜，以确保填料密封稳定工作。

5　结语

超高压往复式压缩机填料密封的失效形式、失效特征多种多样，失效的原因主要集中在设计、使用、维护和工艺状况发生改变等方面。因此，超高压往复式压缩机填料密封需要在设计、制造、安装、使用、维护等多方面努力，推动填料密封技术和理论的进一步完善，促使其应用更加成熟。

参考文献

[1]杨学宾，晋新桥，杜志敏，等.往复式无油润滑压缩机填料密封的摩擦力研究[J] .上海交通大学学报，2009,43（4）：669-673.

[2]李群松，易卫国，杨谦.新氢压缩机填料密封故障分析及改进[J] .润滑与密封，2011,36（12）：96-99.

[3]晋文涛.柱塞泵填料密封的改进[J] .化工装备技术，2014,35（5）：60-61.

[4]张绍武，耿东方.超高压往复式压缩机常见故障及对策[J] .化工机械，2014,41（5）：683-686.

[5]范铁生，刘永伟.LEPD装置超高压压缩机气缸润滑油使用研究[J] .甘肃石油和化工，2013，（3）：44-46.

化工机泵

Failure of the Packing Seal of Ultrahigh Pressure Reciprocating Compressor and Its Countermeasures

Liu Shangming

Abstract：The failure of the packing seal of the ultrahigh pressure reciprocating compressor is a crucial problem for the equipment maintenance to the chemical enterprises.According to the principle of the packing seal, the expression forms of the common seal failure in the stuffing box, packing ring and plunger are introduced and the reasons are analyzed.Furthermore, the countermeasures to avoid the failure of the packing seal are presented from the aspects of design, installation, maintenance and operation.

Key words：Reciprocating compressor; Ultrahigh pressure; Packing seal; Failure; Wear; Fatigue break

收稿日期：（2015-07-07）

中图分类号TQ 051.21

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.02.011