碳環密封的結構和應用

趙利娜 周 鵬 陳宗華

（三一能源重工有限公司)

應用研究

碳環密封的結構和應用

趙利娜*周 鵬 陳宗華

（三一能源重工有限公司)

介紹了壓縮機機組中常用的碳環密封結構，包括石墨環結構及材料、石墨環加工方法、碳環安裝方法、碳環密封試驗方法及應用場合。

壓縮機 碳環密封 碳環 密封試驗

0 前言

碳環密封屬于非接觸式密封裝置，是浮環密封的一種形式，其結構如圖1所示。碳環密封的工作原理與浮環密封相同，不同的是其浮環材料采用非金屬石墨環材料。碳環密封的結構包括環形密封腔和環形軸套 （軸套也可不使用）。密封腔內至少裝有兩個截面為矩形的環形石墨密封環 （也叫碳環），通過控制碳環內徑與環形軸套之間的間隙來達到密封效果。碳環和軸之間的單邊間隙通常取為3～10 μm，密封介質可以為空氣、 N2、CO2、氨氣等。

1 碳環

碳環相當于浮環密封中的動環，材質為炭精。碳環材料按照JB/T 9580規定分兩類：機械用碳類和特種石墨類。機械用碳類碳環采用的浸漬物為環氧樹脂、酚醛樹脂、巴氏合金、鋁合金、銅合金等。特種石墨類碳環主要采用硅作為浸漬物，硬度較大。

圖1 碳環密封結構

碳環應做水壓試驗，持續10 min不得有滲漏。碳環加工不允許有裂紋、氧化、分層、貫穿性麻點等缺陷。碳環結構可以為整體式，也可以為分瓣式，常見的為三瓣式。碳環結構如圖2所示，其中圖2（a）為整體式碳環結構，安裝方式為從軸向安裝。圖2（b）為三瓣式碳環結構，安裝時用彈簧箍在一起，安裝在密封腔體內。圖2（c）是多瓣式碳環結構[1]，切割成多段的密封圈合圍成一個圓環，被切割的每段密封環的切口為斜切口，且每段切口是沿著同一方向進行平均切割，斜切口的切線為密封環內圓周的圓周切線，保證密封環在磨損之后碳環沿著斜切口向內滑移貼近軸套，使密封間隙保持不變。圖2（d）為具有自動補償能力的無間隙碳環形式，其作用原理與圖2（c）相似，均利用碳環外圓周槽上的碳環實現碳環的自動補償[2]。

圖2 碳環結構

碳環的肖氏硬度為45～90 HS。碳環在高溫高壓下與旋轉軸接觸容易導致軸的疲勞磨損，因此經常在軸外設置軸套，并將軸套接觸表面進行硬度處理，涂三氧化二鋁或者三氧化二鉻，或者采用純鉻涂層。當轉速和壓力不高時，可直接對軸表面進行涂層處理，以提高軸的接觸硬度，達到保護旋轉軸的目的。軸套外表面涂有耐磨層，涂層材料一般為三氧化二鋁或三氧化二鉻。碳環密封用于密封易燃、易爆、有毒等有害氣體時，密封腔內可以充入緩沖氣，通常為惰性氣體氮氣，以保證氣體的零泄漏。

碳環在-120℃時因本身的自潤性降低，影響與軸的配合， 會降低密封效果。 專利CN202001607U介紹了一種可用于低溫密封的碳環結構[3]，主要是在碳環密封座的外圓周上添加鋁制（也可為銅制）的加熱環，用抱箍和螺栓對加熱環進行固定，加熱環內布有電加熱管線，與外部加熱控制電源相連，通過溫控儀控制整個密封的使用溫度。

2 碳環加工方法

流體在通過碳環密封時是通過逐級節流降壓實現密封的，故在碳環組裝前通過人工研刮碳環內徑來控制其與主軸的間隙，使間隙在技術要求數值范圍內。碳環有一定的硬度，新備件碳環留有加工余量，多采用機加工來替代人工研刮，以提高加工精度。整體式碳環的加工精度可通過控制加工速度、進刀量和加強冷卻的方法來保證。對于分瓣式碳環需要采用專用工裝才能保證加工精度[4]。專用工裝應保證精度定位與設計基準重合，夾緊力與支撐點要對應。

3 碳環徑向對中裝置

在軸未啟動時，由于重力作用碳環會與軸接觸，而在軸下方形成月牙形間隙氣膜。當軸啟動時，氣膜的壓力會使碳環浮起，使之趨向于與軸同心。空間間隙小，流體動壓力就小，自動趨向軸心的能力就較差，因而大多采用橡膠O形圈進行定位。O形圈既不會影響楔形氣膜的形成，又減少了碳環在靜態下的偏心度，同時也減少了泄漏量。O形圈也可以用彈簧、壓簧等來代替。碳環在壓簧的作用下，當密封氣的壓力降低時碳環仍可以保持對正中心位置。碳環在外徑圓上開槽以便于其與O形圈進行裝配，或者直接與壓簧過盈配合。碳環及其對中結構如圖3所示。

圖3 碳環對中結構

4 碳環軸向對中裝置

旋轉軸在工作狀態下會發生軸向竄動，這就要求碳環在軸向方向具有一定的彈性位移。在工程應用中通常采用以下方式來進行軸向定位：一是采用彈簧進行軸向安裝定位；二是采用具有彈性變形的波形彈簧進行軸向定位；三是當形成的氣膜較碳環承受的壓力大時，為防止碳環發生徑向旋轉，在碳環端面上開設溝槽，設置防轉銷。碳環定位裝置結構如圖4所示。

5 碳環密封性能試驗

碳環密封所用的試驗臺如圖5所示。碳環密封應進行靜態密封試驗和動態密封試驗。在進行密封試驗后應檢查密封件。若出現碳環接觸磨損、機械疲勞及熱疲勞 （例如磨損、熱裂），或者試驗過程中出現碳環座溫度明顯上升，則認為碳環密封不合格。

圖4 碳環定位裝置

圖5 碳環密封試驗裝置

試驗儀表：金屬管浮子流量計或玻璃轉子流量計，精度為1.6；流量、壓力、差壓變送器，精度為量程的5%。

5.1 靜態密封試驗

靜態密封試驗是將軸保持不動，分步逐漸增大密封壓力至最大靜態壓力P，然后依次減壓為75% P、50%P、25%P，在每個壓力下保壓并穩定一定時間 （3～5 min），記錄密封靜態泄漏量。

5.2 動態密封試驗

按步驟進行動態密封試驗。首先，將軸的轉速逐漸增加到最大連續轉速，在每個轉速階段穩定3～5 min，記錄密封泄漏量。其次，將轉速增加到跳車轉速 （約為最大連續轉速的110%），穩定運行15 min，且每隔5 min記錄數據一次。再次，將轉速降低到最大連續轉速，穩定運轉60 min，每隔5 min記錄試驗數據一次。然后把轉速降到零，把壓力降到最小密封壓力。之后再增速到最大連續轉速，按照靜態密封試驗進行加壓，每階段穩定2 min并記錄數據。動態密封試驗的泄漏量應小于規定的最大泄漏量。

6 集裝式碳環密封

碳環密封多為集裝式整體結構，在高壓、高轉速下多采用多級碳環串聯使用。碳環安裝在碳環座內，在拆卸的過程中需要使用專門的拆卸工裝將碳環密封取下。專利CN201377410Y[5]介紹了一種用于空壓機碳環密封的拆卸工裝——撬桿，具體結構如圖6所示。利用撬桿與碳環及密封座的接觸面為支撐，可很方便地進行碳環密封的拆卸。

圖6 一種碳環密封拆卸工裝

當密封介質為工藝介質時，碳環座應采用具有抗腐蝕性的材料。碳環密封可以用于氣封和油封。碳環密封的設計壽命多為5年，但是在化工流程中多在大修的時候 （3年）更換密封，即使碳環密封仍然滿足使用要求也要更換。碳環密封在安裝時應保證密封腔內沒有雜質、固體顆粒等，避免在高速運轉下劃傷碳環。

7 應用場合

碳環密封因其結構簡單、維修方便，不需要復雜的潤滑冷卻系統，可以避免油、水等對氣體的污染，且多組碳環并列使用可以有效地密封高壓氣體，故得到了廣泛的應用。碳環密封主要應用于石油化工、冶金等設備的軸端密封，也可應用于汽輪機、風機、發電機、壓縮機、透平機等機組作為級間密封，其使用溫度在-120～500℃之間。

[1]上海超惠通風環保設備有限公司.碳環密封的密封環結構：中國，CN201120101380[P].2011-11-23.

[2]侯玉杰， 程諾.自補償無間隙碳環密封： 中國，CN201020568054[P].2011-08-10.

[3]上海超惠通風環保設備有限公司.一種低溫碳環密封裝置：中國，CN202001607U[P].2011-10-05.

[4]萬仕強，方文，歐安倫.透平氣封 “碳環”加工工裝設計 [J].貴州化工，2010，35（1）：54-55.

[5]孟經緯.空壓機碳環密封拆卸的撬桿： 中國，CN201377410Y[P].2010-01-06.

Structure and Application of Carbon Ring Seal

Zhao Lina Zhou Peng Chen Zonghua

Introduces the carbon ring seal structure commonly used in compressor unit,including structure, materials and processing method of graphite ring,installation method,sealing test and application occasion of carbon ring.

Compressor;Carbon ring seal;Carbon ring;Sealing test

TQ 050.3

2013-03-31）

*趙利娜，女，1985年生，碩士，工程師。上海市，201200。