往复式压缩机平面填料密封箱密封失效分析

往复式压缩机平面填料密封箱密封失效 董永生 （兰化有机厂，甘肃 兰州 730060） 摘 要：介绍了往复式压缩机平面填料密封箱的结构及密封元件的受力情况，分析了填料密封失效 的几种形式，以及保证密封的必要条件。 关键词：往复式；压缩机；填料；密封 中图分类号：TQ051.21 1 前言 化工生产中压缩机是生产装置的核心设备，应 用在化工生产的许多环节中，压缩空气、氧气、氢气、 氮气等各类气体。压缩气体的泄漏既造成设备效率 低下，也对环境形成安全危害。对于往复式压缩机， 最常见也最主要的就是填料箱密封失效。针对典型 的平面填料密封组件进行研究。本文以 W - 0 . 1 / （58 ～ 60）- 65型氢压机填料箱为例。 2 密封填料组件的结构 填料箱的结构是由七个密封室串联在一起，第 一至第六室是主要密封室，第七室含刮油环，防止从 主密封室漏出的气体直接漏入曲轴箱，也防止曲轴 箱内的润滑油沿活塞杆漏入防空管跑失。第七室与 主密封室之间构成一空间，此空间与防空管相连。 图 1 1 -三瓣密封圈；2 -六瓣密封圈； 3 -镯形弹簧；4 -圆柱销 图 1所示是单个密封室的结构图。采用了三、 六瓣平面密封填料结构，三瓣密封圈安装在靠气缸 一侧，六瓣密封圈安装在靠曲轴一侧。其材质是填 充四氟乙烯，无油润滑密封形式。 3 填料箱密封失效分析 从结构上分析，主要有三种泄漏途径：1、A 点， 沿活塞杆从密封圈内孔的轴向泄漏；2、B点，沿双阻 隔圈从静密封点径向泄漏；3、C点，沿隔圈与密封圈 端面的径向泄漏。 3.1 沿活塞杆从密封圈内孔的轴向泄漏 A点 图 2 A向泄漏 如图 2所示，从受力情况看，作用于密封环内孔 单位周长上的径向接触比压 Q 径 Q 径 = Q1 + Q 弹 + Q间 （［2］P387） 其中，Q1是由工作介质产生的径向接触比压， N / m 。对于这种平行面气膜，Q1 = b·（ 1 - Km） ·Δp b为密封面宽度，m Km为膜压系数，按公式 Km =（1 + 1（P2 / P1））/ 3 计算 （［2］P380） Q弹 为箍簧产生的径向接触比压，N / m Q弹 = 2·P弹 / d 。对严实的圆周密封，Q弹 第 20卷 第 9期 2004年 9月 甘 肃 科 技 Gansu Science and Technology Vol .20 No .9 Sep . 2004 = 0 . 4609 ～ 1 . 314 N / cm P弹 为箍簧的工作压力，N Q间 为接头间隙处的附加径向接触比压，N / m Q间 =（Z·C·a·Δp）/（πd） （［2］P380） 式中： Z 为接头数目；C 为接头开口间隙，m；a 为接头 开口的轴向长度，m；d 为轴径，m； 一般情况下，填料箱正常工作时，起主要密封的 是前三、四级密封室。当工作一段时间后，有所磨 损，后面几级就起主要作用。因此，Δp要大于平均 值，因此，实际 Q 径要大于理论值。一般箍簧的作 用力较小，起主要作用的是工作介质。 由此可见，要保证密封的可靠性，得保证密封环 与活塞杆得严实贴合，尽可能保证二者有效的接触 面积。对此，要注意活塞杆的形位公差，保证其圆度 要小于 0 . 004mm，圆柱度要小于 0 . 004mm，外圆 面粗糙度 Ra < 0 . 4 um。还要严格检查密封环内孔 的圆度、圆柱度。 图 3 3.2 沿双组隔圈从静密封径向泄漏 B点 如图 3B1点，第一个密封室顶端是一层耐油石 棉垫。这是一个常被人忽视的密封点，也是导致密 封失效的部位之一。 石棉垫在操作压力影响下泄漏开始时，其有效 压紧力σ与内压 P之比基本是常数 σ/ P = 2 m （［4］P151 P137） m，垫片系数。其值是由实验测定，由于在测定 m值的原始实验中，垫片面积之取一半，故 m 值在 应用时乘以 2。 0 . 75 厚的耐油石棉垫的垫片系数 m = 3 . 5 从受力分析看，有效压紧力等于螺栓预紧力减 去介质作用力 即：σ = F / A - P· S / A 式中：F为螺栓预紧力 P为介质工作压力，P = 65 Kgf / cm3 A为石棉垫的受压面积，A = π（D1 / 2）2 - π （D2 / 2）2 = π（5 . 3 / 2）2 -π（4 . 5 / 2）2 = 6 . 1575（cm） S为介质压力作用面积 S = π（D2 / 2）2 - π（D3 / 2）2 = π（4 . 5 / 2）2 -π （2 . 5 / 2）2 = 10 . 9956（cm） 由σ/ P = 2 m，σ = F / A - P· S / A 得：（F / A - P· S / A）/ P = 2 m 则：F =（2 m·P + P·S / A）A = 2 m·P·A + P·S = 2 × 3 . 5 × 65 × 6 . 1575 + 65 × 10 . 9956 = 3516（Kgf） 则：密封所需单个螺栓承受得最小预紧力 F 单 （8个螺栓） F单 = F / 8 = 3516 ÷ 8 = 439 . 5（Kgf） 在使用定力矩扳手时，其拧紧力矩 T = F拧· L = 0 . 2·F单·d d 为螺栓公称直径，d = 6 一般定力矩扳手的长度 L = 15 d 则：F拧 =（0 . 2· F 单· d）/（15 d）= 5 . 86 （Kgf）= 57 N 由此，保证双组隔圈端面不泄漏，单个螺栓用定 力矩扳拧紧的最小力量为 57N。 另外，如图四，密封圈在密封室里与隔圈之间存 在一间隙δ（A0），是密封圈的热膨胀间隙。压缩机 工作时，由于气体压缩及摩擦产生的热量，导致密封 环轴向膨胀，如果没有间隙δ的存在，将导致如图五 B2点产生泄漏。 在实际检修工作中，厂家提供的密封环公差不 一定都合格，安装时要严格检测，并根据备件的实际 尺寸，组对使用，使间隙δ在设计范围内。为保证双 阻隔圈与隔圈端面 B2处的密封，要求双阻隔圈、隔 圈两端面的平行度为 0 . 012mm，表面粗糙度 Ra < 0 . 2 um .［7］ 3.3 沿隔圈与密封圈端面的径向泄漏 C点 图 4 如图 4，分析受力情况，六瓣密封环所受的轴向 密封比压 Q轴 Q轴 = Q1 + Q2 + Cr·Δp + Q 弹（［2］ P380） （下转第 93页） 19第 9期 董永生：往复式压缩机平面填料密封箱密封失效分析 由于不同的测量方法，可得出不同的测量结 果。因此在规定温升限度的同时，应规定具体的测 量方法。常用的测量方法有下列三种： （1）温度计法：这种方法直接用温度计来测定 温度，其优点是简单、可靠。但由于温度计只能触及 电机各部件的表面，故此法仅能测出部件表面温度 而无法测山内部最热点的温度。因此温度计法的温 升限度通常比其它方法规定的低一些。 （2）电阻法：这种方法是利用绕组的直流电阻 在温度升高后电阻相应增大的关系来测定绕组的温 升。例如铜线绕组由室温 t。变化到热态温度 t时， 其电阻的变化规律为 Rt R0 = 235 + t235 + t0 式中 Rt，，R0分别表示绕组在热态（ t℃）和冷态 （t0℃）时的电阻。由上式可以算出绕组的温升 θ= t - t0 = Rt - R0 R0 （235 + t0） 如果绕组用的足铝线，上两式中的 235 用 228 来代 替。由于测出的电阻是整个绕组的电阻，所以用电 阻法测出的温升是整个绕组的平均温升。 （3）埋置检温计法：常用的检温计有热电偶和 电阻温度计两种。在进行电机装配时，就将它埤置 在预计有最高温度的地方，例如槽底与铁心之间，槽 内上、F层之间，铁心叠片等处。电机运行时，通过 测量热电偶的电势或电阻温度计的电阻，就可确定 被测点的温度。这种方法虽然比较复杂，但是它有 可能测得接近于电机内部最热点温度，因此在大型 电机中得到普遍的应用。 综上所述，三种方法得到的温度都不是真正的 最高温度。因此，国家标准中所规定的电机各部 件 测得容许最高温度较其所用绝缘材料的最高容许工 作温度为低。表中列出了冷却介质温度为 40℃时 的电机主要部件的温升限度。 参考文献 ［1］《电机及电力拖动》第 2版 北京 机械工业出版社 2000 . 7 ［2］《电气实习》北京 机械工业出版社 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 1991 . 10 （上接第 91页） 式中： Q1 介质产生的轴向接触比压，N / m。Q1 = b ·（1 - Km）·Δp 其中 b 密封带宽度 Km 膜压系数。Km =（1 + 1 /（P2 / P1））/ 3 Q2 三瓣密封环接头间隙处的轴向接触比压， N / m。Q2 =（Z· S· t·Δp）/（πd） 其中：Z 接头数目；S 切口环向长度；t 接头间隙 的径向高度 Cr 密封盒隔圈与轴的半径间隙 为保证 C处的密封比压，对密封环端面以及隔 圈端面的形位公差，都有较高要求。一般，密封环端 面的表面粗糙度 Ra < 0 . 4 um，［6］。隔圈端面的平 行度为 0 . 012mm，表面粗糙度 Ra < 0 . 4 um，［7］。 在挑选配件时要严格把握。且三、六瓣密封环位置 不能颠倒，如果装反，气体就会从三瓣密封环的接头 间隙处泄漏出去，而起不到密封作用。 另外，密封环还得具有轴向追随性。当隔圈有 轴向振动时，密封环得追随其动作，以保证径向密 封，这就要求满足： Q轴 > Q径·f （［2］P382） f 密封环与轴的摩擦系数 从这儿就可看出，保证密封环内孔以及活塞杆 圆度、圆柱度、表面粗糙度的原因之一，就是保证其 摩擦系数要小，以确保密封环的轴向追随性。 4 结论 填料箱密封失效，主要是这三种形式。在各元 件材质、尺寸、形位公差、粗糙度等都能保证的前提 下，要注意三点： 1、三、六瓣密封环不要装反； 2、填料箱压盖螺栓的拧紧力要达到要求； 3、密封环与双阻隔圈组对安装，以确保热膨胀 间隙。 参考文献 ［1］ 高慎琴 化工机器 化学工业出版社 1992 ［2］ 顾永泉 流体动密封 石油大学出版社 1990 ［3］ 朴良贵 机械设计 高等教育出版社 第五版 ［4］ 陈国理 压力容器与化工设备 华南理工大学出版社 1990 ［5］ 甘永立 几何量公差与测量 上海科学技术出版社 第一版 ［6］ ZB J72 005。3 - - - 87 机械电子工业部 1989 ［7］ ZB J72 006 - - - 87 机械电子工业部 1989 39第 9期 吕正合阝：电机各部分的温升