壓縮機透平調速器主油缸密封系統的國產化改造

鄭國棟　謝小冬

摘 要：中石化安慶分公司二氧化碳壓縮機透平調速器主油缸發生破損現象，拆 解主油缸后發現，油缸內壁及活塞環磨損，密封圈龜裂破損。原活塞環的材料是一種柔韌性非常好的球墨鑄鐵，改造后用聚四氟乙烯代替。原密封圈是橡膠材料的矩形密封圈，改造后使用進口聚酯材料，將原來的矩形結構也進行了改進。這不僅延長了主油缸的使用壽命，還降低了維修成本，更重要的是擺脫了對國外配件的依賴。

關鍵字：壓縮機；主油缸；活塞環；密封圈；國產化改造

前言

二氧化碳壓縮機組是中石化安慶分公司30wt/年尿素裝置的心臟設備之一。壓縮機采用低壓、高壓兩段離心式壓縮機組，驅動端采用由法國SOGET公司制造的抽氣注入冷凝式透平，輸出功率7600～9185 kW，轉速范圍6900～7612 r/min，進氣壓力 0.38MPa。2000年初，對透平調速系統進行了技術改造，采用了美國Parker公司生產的調速器。2012年在裝置大檢修期間檢修解體發現，調速器主油缸損壞，主要問題有內壁及活塞環磨損，密封圈龜裂破損。由于生產時間緊迫，采購配件的周期長，故需要進行國產化改造。

1.存在的問題及分析

主油缸性能的優劣很大一部分取決于其密封性的好壞[1]，可靠的密封可以防止液壓油泄露以及外界雜質進入油缸。液壓油泄露無論是內泄還是外泄都會對油缸的性能造成影響，有些液壓油外泄還會造成環境污染；外界雜質混入油缸的影響更為嚴重，不僅會導致油缸零件的磨損加速還有可能使得油缸無法正常運轉甚至造成事故。

原主油缸上密封圈是材料為氟橡膠的矩形密封圈，活塞環的材料是一種柔韌性非常好的球墨鑄鐵。拆卸后可以看到缸體內壁有磨損，密封圈發生龜裂磨損，活塞環也已破損，密封效果明顯下降，這也是造成主油缸壓力不足的主要原因。密封圈的失效不僅有材料問題，還有結構上的不合理，在這種工況下氟橡膠是非常容易發生龜裂磨損的，所以考慮更換密封圈的材料，這種矩形結構密封圈與缸體接觸面積大，容易聚留熱量導致密封失效，因此密封圈的結構也應加以優化。活塞環的材料是球磨鑄鐵，當發生磨損或有外界雜質混入時，活塞環與缸體之間的磨損會隨之加劇，不僅活塞環會磨損失效，缸體也會被擦傷，從而導致更大的損失，因此考慮更換活塞環的材料。

2.部件國產化改造

2.1密封圈改造

2.1.1密封材料選擇

原設備的密封圈為氟橡膠，在檢修過程中發現由于長期使用已經發生龜裂磨損，密封效果下降。氟橡膠的老化機制很復雜[2]，為了可以保證密封圈能夠有較長的使用壽命，我們決定將密封圈的材料更換。隨著材料科學的不斷進步，密封材料的選擇范圍也越來越廣，越來越多的新型材料被運用到一些特殊的密封場合，但是在選擇材料時不能一味的追求高性能，還應該考慮到一定的經濟效益。

橡膠是最常用的密封材料，如丁晴橡膠，氟橡膠，天然橡膠及硅橡膠等[3]，此外，適合用于密封的材料還有聚四氟乙烯、聚酯、石墨及各種密封膠等。聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）具有良好的綜合性能，其化學性穩定，力學強度高，電絕緣性好，成型穩定性好，尺寸精度優良而且耐磨，耐腐蝕，耐熱[4]，是非常合適的密封材料。密封件在其正常的工作壓力和溫度范圍內，應具有良好的密封性，并能隨著壓力的變化自動跟蹤其密封效果。因為動密封要求密封件與運動件相互運動，所以密封件的摩擦系數要小而且要穩定。密封件經常要與各種液壓油接觸，因此密封件要具有一定的耐油性和抗腐蝕能力。這些要求PBT都能夠滿足，因此我們決定密封圈的材料使用PBT。

2.1.2密封結構改造

在機械行業密封方面的研究基本已經趨于完善，我們要做的就是用最經濟實惠的方案來滿足當前工況要求達到的性能。密封結構有很多種，根據不同的工況要求可以組合出多種密封方式，各個密封方式的針對性各有不同，要選擇適合工作要求的密封結構[5]。常用的密封圈有O型密封圈、V形密封圈、U形密封圈、Y形密封圈、YX形密封圈及矩形密封圈，每種密封方式的針對性和復雜程度都不同。

原設備的密封圈是矩形密封圈，為了改善其密封效果，我們決定對其結構作進一步的改進。圖1為密封圈結構對比圖，我們將原來的矩形截面變成帶有凹槽的截面。改造前密封圈與缸體的接觸面比較大，在密封圈跟隨活塞做往復運動時，密封圈與缸體的摩擦面大容易聚留熱量，這樣密封圈就會長期處于較高的溫度下，從而出現龜裂破損[6]。改造后截面留有凹槽，這樣密封圈與缸體的接觸面積減少了，從而避免了運動過程中因摩擦發熱而導致的密封件損壞，而且凹槽中還可以存儲少量的液壓油，這樣在密封圈與缸體摩擦時可以充當潤滑劑，有效提高密封圈的壽命。

2.2活塞環改造

活塞環是主油缸的關鍵部件，其作用包括密封控油、導熱、導向等。為了確保其性能達到要求，活塞環的材料應具備良好的耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性、強韌性，導熱性、適當的彈性及與汽缸材料的磨合性等。所以為了延長活塞環的使用壽命，除了要對活塞環的結構進行優化外，還要合理的選擇活塞環的材料。活塞環常用的材料有灰鑄鐵、球磨鑄鐵、鋼等，但是隨著材料科學的不斷發展，越來越多的復合材料開始被應用到制作活塞環上，如聚酰亞胺、聚四氟乙烯等[7]。

原設備上活塞環用的是一種柔韌性非常好的球墨鑄鐵，可是由于是進口設備，配件采購的時間長而且價格昂貴，所以決定對活塞環進行國產化改造。但是由于活塞環的徑向厚度與外徑的比值較大，一般的球墨鑄鐵和鋼加工后柔韌性又不足，無法安裝到活塞槽內，故我們考慮在滿足加工要求的條件下使用聚四氟乙烯復合材料。

聚四氟乙烯與鑄鐵和鋼相比主要優點為材料的彈性模量適當，加工后柔韌性好可以滿足使用要求；聚四氟乙烯較軟，材料摩擦系數小，在活塞做往復運動時可以形成自潤滑，減小材料磨損量；容易與缸體鏡面貼合，密封效果好。但是聚四氟乙烯與鑄鐵和鋼相比也有一些缺陷，如材料的膨脹系數較大，在預留膨脹間隙時一定要充分考慮這一點，應比金屬環的間隙大一點；材料的強度較低，在結構設計時要考慮使用較大截面的活塞環或多個活塞環配合使用；材料的導熱性較低，容易在缸體內聚留熱量而影響密封[8]。

根據以上對比分析以及具體的工作環境，聚四氟乙烯活塞環基本滿足當前的工作要求，而且在很多方面聚四氟乙烯活塞環表現的比球墨鑄鐵活塞環更加優秀。

3.改造效果

密封圈和活塞環改造完成后，及時的投入到工作中，目前已經使用了兩年左右的時間，每個月都對主油缸進行一次檢查，到目前為止，主油缸沒有出現漏油現象，設備運行良好。球墨鑄鐵的活塞環不僅加工困難而且價格昂貴，一個球墨鑄鐵的活塞環要花費上萬元，而一個聚四氟乙烯的活塞環只需要幾十元。聚四氟乙烯活塞環加工方便，保存不需要苛刻的條件，可以一次性大量采購，大大減少了采購時間。密封圈的改進直接延長了其使用壽命。這次國產化改造大大降低了生產成本，更確保了生產的穩定運行。

4.結語

在很多化工企業中，壓縮機完全依賴進口，一旦某些零部件出現問題就非常棘手，原廠家提供的配件不僅價格昂貴，而且不易購買，所以常常因為一些小的問題造成整個流水線停產，造成巨大的經濟損失。通過此次的國產化改造，不僅可以為國家節省大量外匯，還為其它進口設備的關鍵備件國產化改造提供可靠的借鑒。

參考文獻：

[1]張利平.液壓工程簡明手冊[M].北京：化學工業出版社，2011.

[2]張曉軍，常新龍，張世英，陳順祥.氟橡膠密封材料的濕熱老化機制[J].潤滑與密封，2013，38（5）：38-40.

[3]彭兵，肖鳳亮，李翔宇.橡膠密封制品[M].北京：化學工業出版社，2009.

[4]呂通建，沈燕俠，安麗平等.新型PBT增韌劑對PBT增韌的研究[J].塑料工業，2004，32（2）：18-20.

[5]戰云峰，機械密封的原理及安裝檢修[J].中國機械，2014，13：92-93.

[6]趙備，液壓及密封技術在石油機械中的應用[J].中國機械，2014，5：186.

[7]Shin，K.Half a century of tribology in piston rings and cylinder liners[J].JOURNAL OF JAPANESE SOCIETY OF TRIBOLOGISTS，2005，50（9）：644-649.

[8]丁天利，盧樹新.填充聚四氟乙烯活塞環的應用[J].一重技術，2006，1：44-46.

作者簡介：

鄭國棟（1969—），男，安徽盈創石化檢修安裝有限公司檢修三分公司副經理，工程師。