摘要：填料密封又称压盖填料密封，是为了防止气缸活塞杆与气缸间的气体泄漏。填料密封由于其结构简单、成本低、维护方便等优点，在流体密封领域得到了广泛的应用。超高压压缩机作为化工企业的核心设备，填料密封是影响其运行的重要部件，其工作可靠性决定了压缩机的运行周期。然而，高压填料密封工作在周期性交变载荷作用下，由于气体作用、机械运动冲击、摩擦等，经常发生疲劳损坏及失效，致使密封的使用寿命大幅度缩短，甚至引起停车等生产事故。
关键词：超高压压缩机；填料；密封；失效因素；改进措施
目前，超高压压缩机是化工企业广泛使用的机械设备，但在设备的正常运行中，经常会发生填料密封失效的情况。因此，在一定程度上增加了设备维护的成本和工作量。基于此,本文阐述了某厂超高压压缩机气缸柱塞填料密封的结构和原理，论述了密封填料函结构及填料受力等问题，并探讨了影响压缩机气缸填料密封失效的原因及其相应的改进措施。
一、填料密封的失效形式
失效在填料密封各组成部分都有可能发生，但表现形式各不相同。
1、填料函的磨损及损坏。主要是密封面表面出现麻点、小坑、凹痕等。损坏的进一步表现是出现过度磨损，甚至出现裂纹。
2、填料环的磨损及破坏。填料环磨损，即出现严重的毛边、偏磨等现象。填料环表面变色，即出现大量的麻点、麻坑等现象，严重时填料环还会出现裂纹甚至断裂。填料的过度腐蚀也是一种主要的失效形式。
3、柱塞的损伤。柱塞的损伤有：柱塞表面出现粘结、裂纹，外形出现偏磨等尺寸及形位公差变化。另外，柱塞挂铜，也就是柱塞表面与填料接触部位出现填料中铜锡等元素与柱塞融合的现象，例如在柱塞表面形成一层铜衣，这会极大地降低柱塞的使用寿命。
二、密封结构与原理
某厂高压装置超高压压缩机(K103)是该装置的核心关键设备,其作用是经两段压缩向反应器提供工作压力220～260MPa的超高压乙烯。为保证压力气体的有效密封,气缸柱塞的密封采用了有多单元密封元件组成的复合密封形式,对柱塞和气缸夹套采用强制循环油冷却。
1、密封结构。K103压缩机气缸柱塞填料由多级密封元件组成,包括密封填料、导向环、节流环、填料函和热装缸套等。热装缸套与填料函间、填料函与填料函间采用金属与金属的直接接触密封,其密封表面为平面,采用特殊研磨处理,由螺栓提供紧固力。每组密封单元均为铜锌合金制成的平面填料环密封元件。低压侧为三瓣斜口填料环,气缸侧为三瓣直口填料环,而两环之间通过定位销确定相互位置,为有效密封,使各切口相互错开一定角度。填料环按一定要求装填在填料函的腔内。
2、密封原理。该气缸密封采用多组密封单元组成了一个串联节流系统,使泄漏乙烯经节流环减压后,再经5组填料环密封减压,每通过一道密封环就产生一次节流,总压头逐渐下降的同时泄漏量也随之减少,以达到阻止泄漏的目的。在每个密封单元中两填料环都是由弹簧提供径向压力对柱塞表面产生预紧,阻止泄漏乙烯沿柱塞表面泄漏。填料函间及填料函与缸套间的密封由特殊研磨处理的平面为密封面,由螺栓提供紧固力作为填料函密封面的密封压力,阻止乙烯从该结合面泄漏。在填料函外部有冷却油带走热量,避免填料和柱塞温度升高。在压缩机工作时,气缸内气体的压力在100～260MPa频繁波动,但与低压侧始终保持较大的压差,即在气缸和填料函内一直存在压差。
三、影响填料使用寿命的主要因素
1、柱塞密封填料函的密封面。通过对密封结构和原理及实际运行记录的分析,发现该设备自开车以来,在填料函密封面出现的主要问题是密封面表面颜色变深发蓝,过度磨损和裂纹产生导致填料函间的密封面破坏而引起密封泄漏,其原因是疲劳损坏、密封面的微动磨损及气体渗透,导致填料函密封失效的重点危险区域见图1。
图1填料函配合及分析图
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疲劳损坏是因压缩机气缸柱塞填料函在工作状态下,每完成吸气和排气的一个工作循环,气体压力将在100～260MPa频繁波动,使密封面直接承受一个较大的脉动压力。这样在每个循环过程中填料函密封面会受到较大的交变应力作用,使密封函和气缸产生很大的疲劳应力,尤其是密封面上的承压与非承压区域间不连续的部分会承受过高的压力,在轴向上的载荷太大,这样图1中接触不连续的A点附近的接触应力峰值就会很高,该处会变成应力源,易发生疲劳破坏现象,由此开始产生疲劳裂纹。
当相邻两填料函的密封结合表面上对应位置的变形程度和内压力均不同时,会造成应力和变形的差异,导致密封面的相对运动,随压缩机的吸、排气,气缸内压力的周期性变化造成相邻的密封面之间产生滑动和摩擦,由于该处的变形及相对滑动是微米级的,由此可确定是微动磨损。如图1所示,锥面区域是易发生微动磨损的区域,在此处局部不易散热,温度容易升高,若冷却不及时或密封表面有划痕等缺陷,会造成密封表面在长时间滑动和摩擦后发生微动磨损,表面颜色发生变化进而发生粘着和磨料磨损,使磨损加剧,最后造成填料函密封面出现点蚀、凹坑甚至裂纹。另外,此处是密封面的高压力气体积聚的地方,随着磨损的加剧，密封表面油膜变薄甚至被破坏,从而发生气体渗透。
2、填料环损坏失效。对压缩机填料环损坏原因进行分析后发现，其主要原因有内部润滑、填料环的腐蚀及低聚物影响等方面。
当填料环磨损到一定程度，填料的密封条件被破坏，其密封作用就完全丧失，原来由填料函内气体压力维持密封环抱紧柱塞的作用力消失，径向接触比压和轴向接触比压达不到密封要求，密封环的跟随性效果变差，致使填料环仅完全依靠填料弹簧预紧力维持填料环随柱塞作周期性的往复振动，使弹簧受到周期性的扭力，同时随着气缸的吸、排气过程，造成了失效填料环疲劳断裂，导致填料组件在与柱塞接触时压力增大，磨损加快，最终将填料组件磨断，这即是填料环折断、弹簧断裂的原因。
四、超高压压缩机填料密封失效改进措施
1、填料函结构处理。为一定程度上消除大的脉动压力及影响，填料函和气缸都采用了热压套的双层结构，该结构能对承受应力最高的区域施加一个压缩应力，从而消除此处的部分脉动压力，减少相应的疲劳应力。为进一步减缓微动磨损和气体渗透，对于结构不连续处等易产生应力集中的区域，填料函结构上要采用圆角过渡形式。但由于填料函磨损严重，每次检修都要重新研磨，该圆角易被忽视或难以保证。因此，每次检修应采用着色探伤或磁粉探伤等方法对密封表面进行定期检查，发现疲劳破坏或裂痕时应及时修复。在对密封面进行修复和研磨时，经检查确认无裂纹后，按相应标准将棱角倒圆，消除局部应力集中，并保证在安装时密封面与柱塞轴线垂直。
在填料函的维修与修复时，对密封面研磨后应将其剖面形状恢复，保证在安装填料环的一侧配合面上的1°角形状，保证1°角区域的宽度，密封面与1°的角间的棱一定要进行倒圆，从而有效减小填料函结合面上不连续区域的应力。填料函厚度应保证在允许范围内，有效防止弯曲变形和弯曲应力的破坏。填料函的密封面表面在保证尺寸和形状精度前提下，平面度不大于0.001mm，平行度不大于0.02mm。
2、填料保护。为保证柱塞和填料环的良好润滑，选择满足要求的润滑油，为尽量降低柱塞与填料环的温度，还要保证内部润滑油流量，一般设定油泵满程的70％以上。检修过程要严格控制有关间隙尺寸，保证装配精度，尤其是填料修复后，一定要消除尖角和尖棱，以保证过渡圆滑。在工艺生产过程中要求压缩机上游过滤器良好在线运行，合适的操作温度，能保证低聚物流动性，从而增加排低聚物的频次及减少积聚。
参考文献：
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