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往复式压缩机密封技术填料密封的结构、原理、安装及常见故障处理关键词:压缩机填料往复式密封故障诊断填料密封装配示意图填料盒结构图填料密封装配图(C1901AB)冷却水入口排凝（去集油器）冷却水出口注油口充N2口密封件示意图常用的填料密封环填料与活塞配合实物图密封的分类与特点介绍•密封可分为相对静止接合面间的静密封和相对运动接合面间的动密封两大类。•静密封主要有点密封、胶密封和接触密封三大类。根据工作压力，静密封由可分为中低压静密封和高压静密封。中低压静密封常用材质较软，垫片较宽的垫密封，高压静密封则用材料较硬，接触宽度很窄的金属垫片。•动密封可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型。按密封件与其作用相对运动的零部件是否接触，可以分为接触式密封和非接触式密封。•一般说来，接触式密封的密封性好，但受摩擦磨损限制，适用于密封面线速度较低的场合。非接触式密封的密封性较差，适用于较高速度的场合。填料密封的历史•填料密封又称为压盖填料（GlandPackings）密封，俗称盘根（Packings）。•填料密封是最古老的一种密封结构，在我国古代的提水机械中，就是用填塞棉花的方法来堵住泄漏的，世界上最早出现的蒸汽机也是采用这种密封形式的。•而19世纪石油和天然气开采技术的生产与发展，使填料密封的材料有了新的发展。到了20世纪，填料密封因其结构比较简单，价格不贵，来源广泛而获得许多工业部门的青睐。•填料密封主要用于机械行业中的过程机器和设备运动部分等动密封，比如离心泵、压缩机、真空泵、搅拌机、反应釜的转轴密封和往复泵、往复式压缩机的柱塞或活塞杆，以及做螺旋运动阀门的阀杆与固定机体之间的密封。•填料密封原理填料装入填料腔以后，经压盖对它作轴向压缩，当轴与填料有相对运动时，由于填料的塑性，使它产生径向力，并与轴紧密接触。与此同时，填料中浸渍的润滑剂被挤出，在接触面之间形成油膜。由于接触状态并不是特别均匀的，接触部位便出现“边界润滑”状态，称为“轴承效应”；而未接触的凹部形成小油槽，有较厚的油膜，接触部位与非接触部位组成一道不规则的迷宫，起阻止液流泄漏的作用，此称“迷宫效应”。这就是填料密封的机理。•显然，良好的密封在于维持“轴承效应”和“迷宫效应”。也就是说，要保持良好的润滑和适当的压紧。若润滑不良，或压得过紧都会使油膜中断，造成填料与轴之间出现干摩擦，最后导致烧轴和出现严重磨损。•为此，需要经常对填料的压紧程度进行调整，以便填料中的润滑剂在运行一段时间流失之后，再挤出一些润滑剂，同时补偿填料因体积变化所造成的压紧力松弛。显然，这样经常挤压填料，最终将使浸渍剂枯竭，所以定期更换填料是必要的。此外，为了维持液膜和带走摩擦热，有意让填料处有少量泄漏也是必要的。往复式压缩机填料原理的前言•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，它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。•通常情况下，我们常说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），而压缩机停机时或者其他特殊情况下，它并不能起密封作用。往复式压缩机填料原理：往复运动时填料盒组件的状态填料密封环的工作原理•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，也即压力为脉动压力，如通常的双作用气缸，这种脉动变化的压力是填料密封环密封气体所必需的。•为了便于说明，下面以最常用的填料密封环（如下图（一））来解释实际的工作原理，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。运动状态的分析•如上图所示，状态一为所需密封的工作气缸端被压缩时，填料密封环由于受气体力的作用靠向低压侧，气体从填料密封环与填料盒杯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，在气体力的作用下形成三个密封面：径向环与切向环切口错开形成密封面、切向环与活塞杆表面形成密封面、切向环与杯槽侧面形成密封面。这样就阻止了气体的泄漏，从而起到密封作用；当气缸吸气时，气体通过径向环的切口间隙部分回流进气缸。密封盒内压力的变化过程•在压缩机的往复运行周期内：在压缩阶段，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，气体逐步泄漏到随后的填料杯槽里并形成类似的密封形式，最终保证整个填料盒的密封效果；在吸气阶段，由于气体通过填料密封环组中径向环的切口回流到气缸，填料杯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，使填料密封环形成三个密封面，起到密封作用。•因此，常用的填料密封环我们又可以称为动密封填料密封环，即在一定的压差下，填料密封环在气体力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。静压工况下的填料密封•而对于静压力产生的压差即静压差则可以解释如下（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）：以上图（二）为例，当密封压力为静压差工况下，刚开始工作时静压力形成静压差使填料密封环向右侧靠形成密封，与上述情况相似，气体无法避免的要部分泄漏，随后的几组填料密封环也与第一组填料密封环相似部分泄漏；但由于是静压，即没有吸气过程，因此，高压气体无法回流，使填料一直处于泄漏状态。•同时，随着时间的推移，第二个杯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，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•料大量泄漏。因此，在静压差的工况下，普通的填料密封环无法正常工作。•综上所述，建议主机厂在设计气缸布局时，应考虑避免轴侧平衡腔的设计（即避免轴侧静压力）。如果确实需要采用这种结构，则必须考虑采用其它形式的填料密封。往复式压缩机中活塞杆的密封性质•性质1：所有元件都是由硬材料（金属或非金属）加工而成，组装后成类似填料形式的整体密封结构。•性质2：密封圈外环都装有镯形弹簧把之紧箍，借助于弹簧力与气体压力的作用，使它们紧密地套合在活塞杆上，阻止了气体沿轴向的泄漏。•性质3.同时又借助于气体压力的作用，紧贴在密封盒的研磨面上，阻止了气体沿径向的泄漏，从而实现了轴向和径向的密封。•性质4.这种密封的结构除作成平面填料型的结构外，还可视气体工作压力的不同而作成锥面填料型，以承受更高的压力差。填料密封结构设计的几个基本理念•填料与活塞杆摩擦热的处理：良好的导热能密封的延长使用寿命。•冷却办法一种是对填料盒的冷却（填料盒通冷却水），•另一种为对活塞杆的冷却（活塞杆内通油冷却）。•第三种同时对密封盒和活塞杆进行冷却（注油）。•在靠近气缸的第一密封填料盒前安置一个节流环，可以分散气流，以缓冲对于第一道密封环的冲击。•高压填料设阻流环和活塞杆内通油冷却等。•塑料密封环运转过程有磨损，必须考虑自动补偿，并提出用粉末冶金浸渍Du材料作为阻流环；•应考虑留有足够的间隙以适应热膨胀系数大。•对活塞杆跳动：解决制造和安装中应注意同轴度至关重要。填料密封各部件的技术要求1•1.活塞杆：对活塞杆无损探伤检查，不得有裂纹及其它缺陷，表面处理层完好（根据API618标准，所有的活塞杆，不管使用什么材料，都必须在填料和刮油环活动区域连续镀上抗磨损材料）；表面粗糙度为Ra0.8；椭圆度和锥度不大于0.02；组装后水平及垂直方向跳动不大于0.10；填料密封各部件的技术要求2•2.密封盒•密封盒外径与密封腔间隙一般为间隙配合，直径间隙不大于1mm。•密封盒底孔与拉杆间隙，一般为2-4mm。•密封盒内外端面与中心线的垂直度一般不大于0.03。•密封盒端面表面光洁无划痕，粗糙度Ra0.8。•密封盒通油孔、冷却水、通气孔道畅通，无异物。填料密封各部件的技术要求3•节流环（有时称为减压环）：减压环最重要的作用是在吸气行程中阻止气体从填料函快速膨胀流回气缸，在吸入行程，气缸内的压力迅速降低到吸入压力，填料盒的气体就会有反向流回气缸的趋势。如果没有任何节流限制，密封环就会在密封盒内轴向运动，造成密封环过早失效或损坏，同时密封盒端面也会损坏。•结构上一般采用迷宫结构的整体环，也有类似于锁闭环的结构（做成三瓣环，但三瓣之间的端面相互贴合）并开孔通流。•节流间隙是环内孔与拉杆之间的环形间隙，一般取0.35-0.50mm，间隙过小容易引起拉杆发热。•并不是所有的填料函中都需要减压环，如果密封环可以自动限制回流，也不必用减压环（要求控制好密封环在密封盒内的轴向间隙，如轴向间隙过大，密封环限制回流的效果就不好）。填料密封各部件的技术要求4•锁闭环和密封环：密封圈与活塞杆接触面积达70％以上，接触点每平方厘米不少于4-5点。严禁用金刚砂研磨，组合式密封填料开口不少于1mm。•与活塞的配合一般不允许透光，就是透光，其间隙也不能超过0.03mm,各环平面的光洁度高达Ra0.8。•密封环与锁闭环开口组装时要相互错开，并装上防转锁。•填料与填料盒要有轴向间隙，轴向间隙根据填料的厚度、材料而定，刮油环也一样。填料密封各部件的技术要求4•阻流环：装在密封环与密封盒之间，其内孔与拉杆之间一般有0.10mm左右的间隙，两端面分别与密封环和密封盒贴紧。•结构上一般为整体环（如重整C1101），也有做成三瓣环的（三瓣之间的端面相互贴合，如重整C1901和加氢英格索兰压缩机）。•其作用是为了防止密封环冷流变形，提高密封环的使用寿命。•材料：加氢英格索兰为特种金属，重整C1901为铜，C1101为金属环内孔衬巴氏合金。填料密封各部件的技术要求5•楔形环（WTPR）：一般安装在填料函的最外侧，作为低压隔离氮气的密封环。•因为氮气压力一般很低，气体压力无法保证普通密封环的密封性，这时另外增加一个楔形环，同时把锁闭环的一端面也作成楔形，这样楔形环在弹簧力的作用下会增加锁闭环对拉杆的抱紧力，又会增加密封环与密封盒的贴紧力，从而提高了密封性能。填料密封各部件的技术要求6•填料密封材料特性要求：•①有一定的塑性。在压紧力作用下能产生一定的径向力并紧密与轴接触。•②有足够的化学稳定性。不污染介质，填料不被介质泡胀，填料中的浸渍剂不被介质溶解，填料本身不腐蚀密封面。•③自润滑性能良好。耐磨、摩擦系数小。•④轴存在少量偏心的，填料应有足够的浮动弹性。•⑤制造简单、装填方便。填料密封各部件的技术要求7•波形弹簧：其作用是预先给予锁闭环和密封环一个轴向力，使密封环紧贴密封盒。正常工作时，密封环与密封盒的贴紧力主要是气体压力提供的。•这种结构的填料密封有一个缺点，密封的轴向间隙较大（也是它的优点，即可以降低配件技术要求，节约成本），如果最内侧的密封盒内未装配减压环，密封环本身的节流效果差，密封环将在密封盒内轴向窜动，波形弹簧被反复压缩而疲劳断裂，密封可靠性降低。•重整C601、1301等压缩机即为此结构。填料密封的组装前准备工作•检查密封腔内表面，要求表面清洁无裂纹。•内圆面椭圆度和锥度合适。•精确测量密封腔和密封盒组件的轴向长度，确保密封压盖能够充分对填料盒进行紧固。•检查油路、冷却水路、保护氮气通道，确保洁净和畅通。•密封盒、节流环、波形弹簧、圆件、锁闭环、密封环、阻流环、楔形环、密封圈、连接垫片等各部尺寸和形位公差等达到技术要求。填料密封的组装要点•1.根据填料密封设计的结构特点，认准注油、冷却水、氮气等通道的正确位置，先用空密封盒进行试装，确认各密封盒的前后组配顺序，并打上标记（并注意圆周方向）。•2.拆开后，装入单个密封盒内的组件：密封盒组件的装配顺序（从汽缸至曲轴箱）是波形弹簧、元件、锁闭环、密封环、阻流环。•密封盒内三瓣的锁闭环和六瓣的密封环径向开口错开，并用销子固定。•金属填料和石墨填料在填料盒内的轴向间隙0.05-0.1mm，聚四氟乙烯填料轴向间隙比金属填料大3-4倍。检查密封盒内组件与密封和的轴向间隙，一般为0.15-0.35.•按顺序小