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往复活塞压缩机油润滑填料函应用<上>

    【压缩机网】摘要:对称平衡活塞往复压缩机的有油润滑填料函是各个密封件的组合体,其主要有冷却、润滑、密封、泄露的气体排放功能,任何一环出现问题都会导致填料故障;在高压、高温、有毒、易燃、易燃易爆的环境下,一旦填料泄露易发生火灾和爆炸,生产中的有毒有害气体就会对周围的人造成伤害,对周围的环境造成破坏,这就要求在机组维护保养时一定要保证装配和维修的质量。本文重点阐述应用在整体机组GE DPC 2803/04系列、GE分体机CFA系列、RAM系列、WH系列、ARIEL Jg系列等活塞杆的填料函和密封环,并分析其系统原理、密封环原理、密封环结构、密封环种类、填料函拆卸、装配注意事项、填料函失效原因排查等。
  文/张安斌
  引言
  密封填料,也叫盘根,填料密封最早是以棉麻等纤维塞在泄露通道内来阻止液体泄露,主要用在提水机械的轴封。现在密封被广泛用在离心泵、活塞、往复式压缩机制冷机的往复运动轴封,以及各种杆的旋转密封等。在各个CNG加气站、天然气集气站、天然气处理厂安装的往复式压缩机,都需要安全、可靠的密封函或装置,其具有密封高压气体从活塞杆处泄露的天然气、刮除活塞杆上的油污和将气缸与曲轴箱分隔开的作用。
 
  一、填料函密封结构原理及作用
  1)填料函安装位置
  填料函安装在气缸和十字头导轨之间。它包含多个环组,密封活塞杆周围和填料盒相互之间的接触面,防止气体从气缸泄漏到导轨、曲轴箱中。
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  2)填料函结构
  常用的填料密封结构如下图所示,填料密封装在填料环槽中,通过连接螺杆将所有的填料环组串组在一起,然后用螺母把整组填料函压紧在气缸曲轴箱侧的表面,每个填料环组接触活塞杆,填料函的法兰用螺栓固定在气缸中,包含入口润滑油口和出口放空/排放口。
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  3)填料函密封工作原理
  当带压介质通过活塞杆表面时,气体被多次节流,填料与轴表面的贴合、摩擦也类似滑动轴承,密封件需要足够的润滑,以保证密封有一定的寿命。
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  填料函的分解图如下,由于每个填料环组的密封环接触活塞杆,由此形成数个迷宫,凭借这个“迷宫效应”达到密封。每套密封环固定在填料函内的一个单独的环槽中,并且可以在环槽中自由移动或“浮动”,一个软金属垫圈将填料函密封在气缸内的曲柄端盖上,压力分解环是第一个受到气缸压力的环组,之后是多个带有密封环的单作用填料环组和一组双作用密封环组,这将继续降低气体压力。
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  见下图,展示气缸内气体被密封过程:泄露的气体通过填料环组逐渐降低了气体压力,压力分解环(1)首先分解分散降低来自气缸的气压,剩余的气体压力迫使气体沿活塞杆进入(2)号填料环组。
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  见下图,压力分解环(1)将气体分解分散,从而减小对(2)号填料环组内填料密封件的冲击,泄漏的气体压力激活(2)号填料环组内的密封,活塞杆周围和下一个环组内的环密封,进一步降低气体压力。随着活塞的移动,压力的降低使气流损失最小化,随后的每个填料环减少了从填料箱流入排放孔的气体流量。
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  二、填料密封原理
  填料密封环由径向密封环、切向密封环及阻流环组成,它们从高压侧到低压侧依次排列。切向密封环是防止气体沿活塞杆轴向泄露的主要部件,它由3块弓形片组成,外圈的周向槽内安装有小弹簧圈,弹簧圈将3块弓形片箍紧,使三片抱紧活塞杆产生密封作用。为了弓形片在内圈孔径磨损后依然能抱紧活塞杆,在弓形之间留有1.5至2.5mm的径向收缩间隙。由于收缩间隙的存在,给气体提供了延径向及轴向泄露的途径,所以设置径向密封环。径向密封环设置在气体高压侧,由3个扇形片组成,也在外圈周向槽内安装小弹簧箍紧,可以从轴向将切向密封环的3条缝隙封住;在3片扇形之间,留有收缩间隙,使其内圈孔径磨损后能够收缩抱紧在杆上,为使切向和径向密封环的3个收缩间隙错开,在切向密封环的弓形片上固定定位销,并在径向环的扇形片上加工相应的定位孔,而阻流环除了在两侧起密封作用外,还有保护高压侧密封环的作用,所以阻流环也称为支撑环或防挤出环。
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  当气缸内压力被压缩时,填料密封环由于受到气体压力的作用靠近低压侧,气体从填料密封环与填料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。在气体的作用下形成3个密封面,分别是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的密封面和切向环与环槽侧面形成密封面,这样就阻止了气体的泄露,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,填料环槽中的气体压力逐渐下降,这样就可以保证下一个压缩过程中,填料密封环的前后建立起新的压差,使填料密封环再次形成3个密封面,起到密封作用。
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  三、填料密封件种类及应用
  1)压力分解环组
  压力分解环位于填料盒端盖中(即第一环槽中),目前应用中有三种压力分解环:“P”型环、“UP”型环、“P1U”型环;
  “P”型环一般是个单环,被径向切割成三个相等的节段,用弹簧固定在一起的三个部分如分段组装时需注意方向及每段上的字母。环上的三个缺口是气流的通道,其作用是在不完全密封的情况下分解或减缓气流,是由气体压力驱动的。气体压力将环推到填料环槽内壁上,通过此密封的气体将由后面填料函中的单作用密封环组件继续减压密封。最重要的功能是在吸气冲程减慢气体回流到活塞杆,如果没有缓冲,回流会把环吹离活塞杆,导致抱紧弹簧以及填料杯损坏;“UP”环是单个实心环,其将气流分流或减速而不完全密封;“P1U”环是由两个环组成的双环组,其仅允许在一个方向上控制泄漏,并且安装在第一或第二填料杯中(最靠近活塞的位置),第一道环(压力侧)是具有单个径向切口的一件式,第二道环是实心环,其内孔比活塞杆直径更大。安装时标记字母面向气缸,这些环的切割侧必须面对气缸压力。
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  2)单作用密封环组
  单作用密封环只在一个方向上有密封作用,因此安装单作用填料环时特别要注意安装方向,使刻字标识面面对高压力一侧(即气缸)。通过压力分解环后的气体流向单作用环,然后气体流过活塞环的顶部,填料环组顶部的压力迫使它们围绕活塞杆密封,气流依次经过每一个单作用环然后被密封,最终填料函中的双作用环将密封流经最后一道单作用环的气体,这里的阶梯切向,能限制环的抱紧程度。
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  单作用密封环组“BT”环,其由2个环组成,该双环组只能在一个方向上进行密封,第1道环(压力侧)开有径向切口,第2道环开有切向阶梯切口,两道环用销钉配合定位,确保环切口从其中一道至另一道保持错开并形成紧密的气体密封。
  单作用密封环组“BTR”环,其由3个环组成,只能在一个方向上起到密封作用:第1道环(压力侧)开有径向切口,第2道环开有切向阶梯切口,材质与第一道环相同。这两道环用销钉配合定位,确保环切口从其中一道至另一道保持错开。第3道环被称为支承环,它开有径向切口并且具有大于活塞杆直径的孔,从而使得径向接头形成紧密的气体密封,该环无需使用定位销。“BTR”环和“BT” 环的区别是在低压侧设置了第三个环,以防止挤出(支撑作用)和消除活塞杆表面产生的摩擦热。
  单作用密封环组“BTS”环,其由3个环组成,该3环组也只能在一个方向上起到密封作用:第1道环(压力侧)开有径向切口,第2道环开有切向阶梯切口,前两道环用销钉配合定位,确保环切口从其中一道至另一道保持错开,第3道环被称为支承环,它是未切割的一件式环,在活塞杆上方有间隙, 从而使得前两道环的接头形成气密密封并防止切向环被挤出。“BTR”环组与“BTS”环组的不同之处在于第3道环,“BTS”环组的第3道环是个实心环,安装时必须拆卸活塞杆与十字头锁母;安装时标记字母面向气缸。
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  “TR”型密封环实际上是“BTR”型密封环的变形,结合了切向环和径向环的特点,即有高压气的导入作用,又有轴向的密封作用,且由于切向环和径向环做在同一个环上,可减少一个泄露点。另外,由于该密封只有两个环,轴向尺寸较小,当密封压力较高时,可通过增加填料函的形式,减少泄漏点。
  单作用密封环组“BTU”环组,其由3个环组成:该三环组只能在一个方向上起到密封作用,第1道环(压力侧)开有径向切口,第2道环开有切向阶梯切口,前两道环用销钉配合定位,确保环切口从其中一道至另一道保持错开。第3道环被称为支承环,它是未切割的一件式环(就是一个整圆圈环),在活塞杆上方具有间隙,从而使得前两道环的接头形成气密密封,在许多应用中,该未切割的环将在压力下偏转并依靠活塞杆密封。
  单作用密封环组“BTUU”环组,其由4个环组成:该四环组只能在一个方向上起到密封作用,第1道环(压力侧)开有径向切口,第2道环开有切向阶梯切口。这两道环用销钉配合定位,确保环切口从其中一道至另一道保持错开。第3道环和第4道环是未切割的一件式环,在活塞杆上方具有间隙,从而使得前两道环的接头形成气密密封,在安装填料应用中,该未切割的环将在压力下偏转并依靠活塞杆密封。
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  单作用密封环组“CU”环组,其由3个环组成:该三环组只能在一个方向上起到密封作用,第1道环(压力侧)开有径向切口,第2道环开有切向切口;这两道环用销钉配合定位,确保环切口从其中一道至另一道保持错开。第3道环是实心支承环并且具有比活塞杆直径更大的孔径,从而使得前2道环的径向接头形成紧密的气体密封。
  单作用密封环组“CUU”环组,其由4个环组成:该四环组只能在一个方向上起到密封作用,第1道环(压力侧)开有径向切口,第2道环开有切向切口。这两道环用销钉配合定位,确保环切口从其中一道至另一道保持错开。第3道环和第4道环是实心支承环并且具有比活塞杆直径更大的孔,从而使得前两道环的径向接头形成紧密的气体密封。
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  单作用密封环组“STU”环组,其由3个环组成:该三环组只能在一个方向上起到密封作用,第1道环(压力侧)为实心环,在压力侧上具有径向凹槽,第2道环开有切向切口,第3道环为整体构造。
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  单作用密封环组“CR”环组,其由3个环组成:该三环组只能在一个方向上起到密封作用,第1道环(压力侧)开有径向切口,第2道环开有切向切口,这两道环用销钉配合定位,确保环切口从其中一道至另一道保持错开。第3道环被称为支承环,它开有径向切口并且具有比活塞杆直径更大的孔,从而使得径向接头形成紧密的气体密封。
  3)双作用密封环组
  双作用环组是填料函中的最终密封环,用于将气体流导入填料放空孔和排放口,并防止隔离件中的空气或气体被吸入填料。在排气冲程中,剩余的气体压力迫使密封圈反作用于填料函盖和活塞杆,这可防止气体流入十字头导轨或中体。安装填料杯时,刻字标识面必须朝向高压气体压力一侧,并且必须在填料杯中居中。
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  双作用密封环组“BD”环,其由2个环组成:该双环组开有切向阶梯切口,这两道环用销钉配合定位,确保环切口从其中一道至另一道保持错开,此双作用环组可在任一方向上(即两个方向)都可以起到密封作用,用在工作压力接近大气压的环槽内,可防止空气进入气缸,安装时标记字母面向气缸。
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  双作用密封环组“WAT”环,其由3个环组成:在该3环 PTFE 组中,前2道环(压力侧)开有径向切口;第3道环开有切向阶梯切口,后2道环用销钉配合定位,确保环切口从其中一道至另一道保持错开。第1道环与中间环一起构成一个楔形,它可以克服活塞杆摩擦力、保持环组在活塞杆向任一方向运动期间均贴紧两个盒体内面。此类环起初用于低压机组,在向填料盒内组装时,WAT 环需要调节对中。
  双作用密封环组“AL”环,其由5个环组成:该五道环 PTFE 组的作用类似于双端部“WAT”环组,在填料函中安装AL环时,安装时环组不分方向,但需要调节对中。
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  4)刮油环组
  刮油环通过清洁活塞杆上的油来防止曲轴箱油进入填料函、中体和气缸,防止填料函被多余的油淹没,并防止填料函内润滑油受到污染。刮油填料最主要的目标是将润滑油保持在隔板的一侧,除了用刮油环将活塞杆上的液体刮掉,多数刮油填料也会用密封圈来阻挡脉动气流流过填料。最简单的刮油填料配置是用一片环完成刮油和密封。
  基本上cook刮油填料包含2道凹槽,见下图,这种配置在很多场合有应用。在需要双向刮油的情况,即要防止其它液体进入曲轴箱,也要防止油泄漏。
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  无论使用何种配置,刮油填料的效果主要依赖于环的安装、环-杆载荷及间隙。
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  刮油环组“RTV”环,其由3个环组成:该三环组用销钉配合定位,确保端间隙从其中一道环至另一道环保持错开,第1道环(朝向油侧)的材质为PEEK,采用切向阶梯切口来实现径向排放,中心环的材质也为PEEK,径向切割出轴向装载的内径凹槽和径向孔,第3道环的材质为 PTFE,开有切向阶梯切口。
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  刮油环组“3RWS”,其由3个环组成:“3RWS”是最基本、最常见的刮油环组合,它唯一的作用就是刮活塞杆,排除液体,是一种常用的刮油环组件。3代表三个“RWS” 环一起用于一个单独的刮油器壳体中,该组中的三道环都开有径向切口并用销钉配合定位,确保环的切口相互保持错开,从而防止曲轴箱的油进入填料和气缸,装配时空白面朝向油(曲轴箱)并且有槽的一侧朝向压力填料。
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  参考文献
  1.浅谈往复式压缩机常用填料密封环工作原理,贺尔碧格(上海)有限公司密封件技术部,陈华风
  2.压缩机填料频繁泄露原因分析及整改措施,中国石化金陵石化有限责任公司南京烷基苯厂,胡海峰
  3.美国Ariel公司压缩机产品维护保养维修手册
  4.美国Ajax 整体式DPC28系列压缩机组培训教程
  5.美国GE/Cameron CFA34/RAM52/MH62:4系列压缩机零配件手册
  6.美国Cook 压缩机公司填料产品手册
  7.《活塞式压缩机》北京工业出版社,郁有章
  8.石油化工设备检修规程,中国石化出版社
  9.中华人民共和国机械行业标准 JB/T 9102.3-1999 《往复活塞压缩机 金属平面填料》

来源:本站原创

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