【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员造成伤害，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
〈接上期——〉
四、填料函应用选型
填料函根据气缸压缩气体压力等级、不同填料函的安全运行温度要求、气体介质危险性选择不同规格的填料函，填料函的关键考虑因素是填料函的标称压降、排热率和冷却剂变量。例如以下分类：
1）根据压缩气体压力等级填料函中填料环组数量不同，有关资料推荐如下：见下表，当气缸压力大于2000psi时，填料函中填料数量选5至7道密封环组；当气缸压力大于800psi而小于2000psi时，填料函中填料数量选4至6道密封环组；当气缸压力大于300psi而小于800psi时，填料函中填料数量选3至5道密封环组；当气缸压力小于300psi时，填料函中填料数量选2至4道密封环组；如果选用Cook公司生产的Low-Emissions填料环，根据压力等级会用比传统密封环组数少。
2）根据预测填料函承受的高压力和高温度选择水冷填料。通常的填料函都没有水冷系统，如预测填料承受的高压力和高温度选择水冷填料函，水冷填料需要仔细测算冷却液进口温度、冷却液类型和流速，见下图显示水冷填料函的水路系统。
3）根据压缩机气体介质安全性对润滑油要求，选择无油润滑填料和有油润滑填料。例如氢气活塞压缩机选择无油润滑填料，由于此填料制造技术难度高、造价昂贵，维修成本高，一般机型不选用，本论文不对无油润滑填料阐述。
4）根据隔离室数量填料函结构不同
见下图，由于没有单独的隔室，压力填料函和刮油环组是一个总成，多见于早期美国CAMERON公司制造的压缩机CFA34、RAM52系列机型，美国ARIEL公司制造的JGM:N:P:Q, JG:A和JGR:J系列机型。
见下图，配置了一个长体十字头导轨和一个短隔离室，压力填料函和刮油环组分别安装，多见于早期美国CAMERON公司制造的压缩机DPC2803:04系列，CFA34、RAM52、MH6系列机型，美国ARIEL公司制造的JGH:E:K:T系列机型。
见下图，一个隔墙在填料盒法兰处将隔离室隔开，形成两个腔室，压力填料函和刮油环组分别安装，这样可以将填料函泄露的气体和活塞杆处泄露的气体分别放空，多见于美国GE公司制造RAM52、CFR52系列机型。
见下图，2个隔离导轨有2个中体隔离室，由中间密封套（带密封环）隔开，位于两个隔室之间的中间隔板中；需要净化系统的酸性气体应用或者对安全系数要求比较高的场所采用这种十字头导向装置，在所有带可分离式十字头导轨的机身型号上，长两室十字头导轨都是可选的。
五、填料函拆卸维修安装注意事项
1）拆卸填料函时，先断开所有润滑油接管，检查润滑油路与填料法兰之间的接管中没有碎屑。
2）拆下用于将压力填料压盖法兰固定到气缸曲柄端的螺母，通常不拆下螺柱上的小螺母，因为它将填料盒保持在一起作为总成拆卸。然而，有些填料过大无法穿过隔离室或十字头导轨，因此必须拆下小螺母和填料法兰。对于某些更长、更高压力等级的填料盒，滚花螺母将剩余填料环槽保持在一起以辅助安装和拆卸，需将压力填料函放置在一个干净的平台上拆卸，保持凸出端即气缸端朝下。
3）填料环槽有标记以标识装配顺序，最靠近气缸的填料环槽标记为 1 号或用记号笔做以标识。
4）长连接双头螺栓将压力填料保持在一起，双头螺栓孔不均匀地间隔，以防止环槽里的密封环堆叠错位。拆下螺母并散开压力填料，要检查环的磨损情况。
5）在底端填料1 号环槽，使用尖锐锥子橇松软金属垫圈或片，切勿刮伤垫片凹槽侧面。
六、填料函安装注意事项
为确保压缩机正常工作，必须将填料函正确安装到气缸曲柄端盖中，在安装过程中，填料函必须位于活塞杆的中心，以确保活塞杆周围的环完全密封。有个小技巧：如是整体安装填料函，先紧固十字头锁母后，再正确扭矩扳手拧紧填料法兰螺母，填料端面压变形软头垫圈，迫使彼此密封。由于楔形磨损，锥形活塞杆或者光洁度不足的活塞杆会破坏填料环在活塞杆周围的密封能力，会快速衰减填料环寿命，导致气体泄露量增加。注意事项如下：
1）重新装配之前，应彻底清洗所有零件，注意不要清楚环槽标识。
2）活塞杆填料环密封的填料杯体背面必须光滑平整，如果填料杯或内槽有凹陷或出现锥度，则重新打磨或磨平。
3）在1号环槽背面涂抹润滑脂，然后放入软性垫圈，可以防止填料函装配过程中意外掉落。
4）仅允许使用与强制注油润滑系统使用的同种润滑油涂抹密封环。
5）确保连接双头螺栓完全旋入底端填料杯中。
6）检查所有零件是否有异常裂纹或毛刺，以免干扰活塞杆环在填料杯中的自由浮动。 特别小心由柔软材料（诸如青铜或 PTFE）制成的活塞杆环。
7）将装配好的环和环槽（注意装配标记）置于活塞杆上，检查端面对缝间隙，如搭口对接或接近对接，则应该更换重新检查填料环和环槽。
8）活塞杆填料环正确朝向压力侧，所有活塞杆环节段都有字母标示，注意方向。
9）拧紧连接双头螺栓螺母之前，检查WAT环和AL环对准中间位置。
10）安装连接双头螺栓螺母并紧固至恰当的扭矩。
11）磨合润滑速率是正常速率的约两倍，或者是正常周期时间的一半，磨合时间一般200小时。
七、填料失效引起泄露的因素
1）密封环安装顺序错误。
2）密封环轴向间隙不足。运行中温度升高，密封环轴向膨胀，在填料函中卡住，导致密封失效。填料标准要求：填料环在填料环槽中的轴向间隙不得小于0.25mm-0.30mm，如果小于就对环进行研磨，同时研磨过程中要保证两端面平行。
3）填料密封环表面抛光不理想。密封环的内径与活塞杆贴合度不佳，导致泄漏。
4）填料函与活塞杆的对中不佳。检查活塞杆垂直跳动不能超过0.05mm，水平跳动不能超过0.025mm。
5）注油量因素。填料运行时如果注油量不足导致润滑不良，填料环磨损较快，注油量太多会造成磨损的填料和润滑油形成油泥，导致润滑情况恶化。
6）冷却不良。有冷却水系统的填料函，如果冷却水不通畅会导致填料高温而快速磨损。
7）漏气放空系统是否通畅，如果填料放空系统憋压会导致泄露介质反串。
8）填料函法兰螺母扭矩不足。
八、刮油环故障排查
如机组曲轴箱润滑油消耗量大，机组运行时拆开中体边盖检查刮油环一侧出油情况。对导致故障的原因分析如下：
外在原因：
1）机组曲轴箱压力大，曲轴箱内热气从刮油环处泄露，携带润滑油泄露。需要检查曲轴箱压力，如呼吸帽是否畅通。
2）检查活塞杆光洁度是否标准。
3）检查刮油环环槽的回流孔是否堵塞或者足够大。
4）检查刮油环是否可以在环槽中自由浮动。
内在原因：
1）检查刮油环的侧间隙，标准的3RWS环刮油环侧间隙数值在0.15mm-0.19mm之间。
2）其它都正常，可能就需要更换更适合的环组设置或材料。
九、填料环升级改造成功案例分享
2011年初，西南一家大型能源公司启动了一项计划，以在其三个站点中使用的往复式压缩机为测试对象，意图减少从填料排放的气体。在研究了市场上可用的填料后，该公司使用了Cook Compression的低排放活塞杆状密封环（也称为实心环技术），见下图。
其主要改进点：
√每个环都依次密封，减少了活塞杆上的摩擦热负荷，这样提高密封效果，并减少长时间运行时的磨损，延长了运转时间并降低了维护成本，与传统环相比，活塞杆温度降低了38℃。
√获得专利的无间隙设计消除了泄漏路径，可最大程度地减少往复式压缩机的主要气体泄漏，更有效地密封并减少了可测量极限以下的逸散排放。
√在每个环组中，环根据压力顺序密封，从而最大程度地减少了在任何一次与杆接触的环的数量，并限制了任何单个环的接触时间。
√第一组密封圈完成了大部分密封，减少了施加到后续密封圈上的压力并消除了磨损。
在现场天然气集气站增压的两台Ariel JGT/4压缩机上安装了带有Cook压缩低排放杆环的填料函。运行1000小时后，测量结果确认排气孔泄漏为零；3,000小时后的另一次测量产生了相同的结果。
能源公司随后在其它三个压缩机集气站扩大了该技术的使用范围，并继续监控长期性能。两年半之后，能源公司授权对性能进行广泛评估：在三个压缩机站进行了填料中体放空排气流量测量，所有这些站均安装在Ariel JGT/4压缩机上。在所测量的18台机组（72个填料函）中，只有6个填料函的排放泄露到1.0 scfm以上，大多数填料函的泄露排放仍保持在零或接近零。
为了实现零泄漏或极低的泄漏，Cook Compression低排放杆环技术不仅使能源公司能够积极主动地实现排放合规性，而且还可以通过延长机器正常运行时间，增加生产量，减少劳动量和减少维护成本。
十、填料环升级改造：动、静态时都可以密封
往复式压缩机填料密封环是一种“动”密封环，即只有在压缩机工作时才起密封作用，在停机或其他情况下不能起到密封作用。传统的密封环在机组停机时，气缸内高压气体从填料函组件中逸出，不能保压。为解决此问题，美国Cook公司开发出一个专利产品：Static-Pac密封件，见下图：
特殊设计点：
√停机时会激活Static-Pac组件，将唇形密封件紧紧地机械楔紧在活塞杆上。柔性聚合物密封件与杆的圆周相符，并锁定在高压气体中。
√在压缩机启动过程中释放激活压力时，Static -Pac密封垫会抬起杆表面，以允许杆自由运动。
Static-Pac密封件可加装到大多数气体压缩机填料函组件中，可以适应各种压缩机工作条件，只需要替换杆填料函低压侧的一个或两个环槽密封环组件。
结束语
填料函是往复式压缩机的关键部件，其对压缩机的安全、稳定运行有至关重要保障，只有学习掌握填料函的密封原理、结构、装配注意事项，才能保证机组设备维护保养的质量标准。
〈本文连载完！〉
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
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
文/张安斌
〈接上期——〉
四、填料函应用选型
填料函根据气缸压缩气体压力等级、不同填料函的安全运行温度要求、气体介质危险性选择不同规格的填料函，填料函的关键考虑因素是填料函的标称压降、排热率和冷却剂变量。例如以下分类：
1）根据压缩气体压力等级填料函中填料环组数量不同，有关资料推荐如下：见下表，当气缸压力大于2000psi时，填料函中填料数量选5至7道密封环组；当气缸压力大于800psi而小于2000psi时，填料函中填料数量选4至6道密封环组；当气缸压力大于300psi而小于800psi时，填料函中填料数量选3至5道密封环组；当气缸压力小于300psi时，填料函中填料数量选2至4道密封环组；如果选用Cook公司生产的Low-Emissions填料环，根据压力等级会用比传统密封环组数少。
2）根据预测填料函承受的高压力和高温度选择水冷填料。通常的填料函都没有水冷系统，如预测填料承受的高压力和高温度选择水冷填料函，水冷填料需要仔细测算冷却液进口温度、冷却液类型和流速，见下图显示水冷填料函的水路系统。
3）根据压缩机气体介质安全性对润滑油要求，选择无油润滑填料和有油润滑填料。例如氢气活塞压缩机选择无油润滑填料，由于此填料制造技术难度高、造价昂贵，维修成本高，一般机型不选用，本论文不对无油润滑填料阐述。
4）根据隔离室数量填料函结构不同
见下图，由于没有单独的隔室，压力填料函和刮油环组是一个总成，多见于早期美国CAMERON公司制造的压缩机CFA34、RAM52系列机型，美国ARIEL公司制造的JGM:N:P:Q, JG:A和JGR:J系列机型。
见下图，配置了一个长体十字头导轨和一个短隔离室，压力填料函和刮油环组分别安装，多见于早期美国CAMERON公司制造的压缩机DPC2803:04系列，CFA34、RAM52、MH6系列机型，美国ARIEL公司制造的JGH:E:K:T系列机型。
见下图，一个隔墙在填料盒法兰处将隔离室隔开，形成两个腔室，压力填料函和刮油环组分别安装，这样可以将填料函泄露的气体和活塞杆处泄露的气体分别放空，多见于美国GE公司制造RAM52、CFR52系列机型。
见下图，2个隔离导轨有2个中体隔离室，由中间密封套（带密封环）隔开，位于两个隔室之间的中间隔板中；需要净化系统的酸性气体应用或者对安全系数要求比较高的场所采用这种十字头导向装置，在所有带可分离式十字头导轨的机身型号上，长两室十字头导轨都是可选的。
五、填料函拆卸维修安装注意事项
1）拆卸填料函时，先断开所有润滑油接管，检查润滑油路与填料法兰之间的接管中没有碎屑。
2）拆下用于将压力填料压盖法兰固定到气缸曲柄端的螺母，通常不拆下螺柱上的小螺母，因为它将填料盒保持在一起作为总成拆卸。然而，有些填料过大无法穿过隔离室或十字头导轨，因此必须拆下小螺母和填料法兰。对于某些更长、更高压力等级的填料盒，滚花螺母将剩余填料环槽保持在一起以辅助安装和拆卸，需将压力填料函放置在一个干净的平台上拆卸，保持凸出端即气缸端朝下。
3）填料环槽有标记以标识装配顺序，最靠近气缸的填料环槽标记为 1 号或用记号笔做以标识。
4）长连接双头螺栓将压力填料保持在一起，双头螺栓孔不均匀地间隔，以防止环槽里的密封环堆叠错位。拆下螺母并散开压力填料，要检查环的磨损情况。
5）在底端填料1 号环槽，使用尖锐锥子橇松软金属垫圈或片，切勿刮伤垫片凹槽侧面。
六、填料函安装注意事项
为确保压缩机正常工作，必须将填料函正确安装到气缸曲柄端盖中，在安装过程中，填料函必须位于活塞杆的中心，以确保活塞杆周围的环完全密封。有个小技巧：如是整体安装填料函，先紧固十字头锁母后，再正确扭矩扳手拧紧填料法兰螺母，填料端面压变形软头垫圈，迫使彼此密封。由于楔形磨损，锥形活塞杆或者光洁度不足的活塞杆会破坏填料环在活塞杆周围的密封能力，会快速衰减填料环寿命，导致气体泄露量增加。注意事项如下：
1）重新装配之前，应彻底清洗所有零件，注意不要清楚环槽标识。
2）活塞杆填料环密封的填料杯体背面必须光滑平整，如果填料杯或内槽有凹陷或出现锥度，则重新打磨或磨平。
3）在1号环槽背面涂抹润滑脂，然后放入软性垫圈，可以防止填料函装配过程中意外掉落。
4）仅允许使用与强制注油润滑系统使用的同种润滑油涂抹密封环。
5）确保连接双头螺栓完全旋入底端填料杯中。
6）检查所有零件是否有异常裂纹或毛刺，以免干扰活塞杆环在填料杯中的自由浮动。 特别小心由柔软材料（诸如青铜或 PTFE）制成的活塞杆环。
7）将装配好的环和环槽（注意装配标记）置于活塞杆上，检查端面对缝间隙，如搭口对接或接近对接，则应该更换重新检查填料环和环槽。
8）活塞杆填料环正确朝向压力侧，所有活塞杆环节段都有字母标示，注意方向。
9）拧紧连接双头螺栓螺母之前，检查WAT环和AL环对准中间位置。
10）安装连接双头螺栓螺母并紧固至恰当的扭矩。
11）磨合润滑速率是正常速率的约两倍，或者是正常周期时间的一半，磨合时间一般200小时。
七、填料失效引起泄露的因素
1）密封环安装顺序错误。
2）密封环轴向间隙不足。运行中温度升高，密封环轴向膨胀，在填料函中卡住，导致密封失效。填料标准要求：填料环在填料环槽中的轴向间隙不得小于0.25mm-0.30mm，如果小于就对环进行研磨，同时研磨过程中要保证两端面平行。
3）填料密封环表面抛光不理想。密封环的内径与活塞杆贴合度不佳，导致泄漏。
4）填料函与活塞杆的对中不佳。检查活塞杆垂直跳动不能超过0.05mm，水平跳动不能超过0.025mm。
5）注油量因素。填料运行时如果注油量不足导致润滑不良，填料环磨损较快，注油量太多会造成磨损的填料和润滑油形成油泥，导致润滑情况恶化。
6）冷却不良。有冷却水系统的填料函，如果冷却水不通畅会导致填料高温而快速磨损。
7）漏气放空系统是否通畅，如果填料放空系统憋压会导致泄露介质反串。
8）填料函法兰螺母扭矩不足。
八、刮油环故障排查
如机组曲轴箱润滑油消耗量大，机组运行时拆开中体边盖检查刮油环一侧出油情况。对导致故障的原因分析如下：
外在原因：
1）机组曲轴箱压力大，曲轴箱内热气从刮油环处泄露，携带润滑油泄露。需要检查曲轴箱压力，如呼吸帽是否畅通。
2）检查活塞杆光洁度是否标准。
3）检查刮油环环槽的回流孔是否堵塞或者足够大。
4）检查刮油环是否可以在环槽中自由浮动。
内在原因：
1）检查刮油环的侧间隙，标准的3RWS环刮油环侧间隙数值在0.15mm-0.19mm之间。
2）其它都正常，可能就需要更换更适合的环组设置或材料。
九、填料环升级改造成功案例分享
2011年初，西南一家大型能源公司启动了一项计划，以在其三个站点中使用的往复式压缩机为测试对象，意图减少从填料排放的气体。在研究了市场上可用的填料后，该公司使用了Cook Compression的低排放活塞杆状密封环（也称为实心环技术），见下图。
其主要改进点：
√每个环都依次密封，减少了活塞杆上的摩擦热负荷，这样提高密封效果，并减少长时间运行时的磨损，延长了运转时间并降低了维护成本，与传统环相比，活塞杆温度降低了38℃。
√获得专利的无间隙设计消除了泄漏路径，可最大程度地减少往复式压缩机的主要气体泄漏，更有效地密封并减少了可测量极限以下的逸散排放。
√在每个环组中，环根据压力顺序密封，从而最大程度地减少了在任何一次与杆接触的环的数量，并限制了任何单个环的接触时间。
√第一组密封圈完成了大部分密封，减少了施加到后续密封圈上的压力并消除了磨损。
在现场天然气集气站增压的两台Ariel JGT/4压缩机上安装了带有Cook压缩低排放杆环的填料函。运行1000小时后，测量结果确认排气孔泄漏为零；3,000小时后的另一次测量产生了相同的结果。
能源公司随后在其它三个压缩机集气站扩大了该技术的使用范围，并继续监控长期性能。两年半之后，能源公司授权对性能进行广泛评估：在三个压缩机站进行了填料中体放空排气流量测量，所有这些站均安装在Ariel JGT/4压缩机上。在所测量的18台机组（72个填料函）中，只有6个填料函的排放泄露到1.0 scfm以上，大多数填料函的泄露排放仍保持在零或接近零。
为了实现零泄漏或极低的泄漏，Cook Compression低排放杆环技术不仅使能源公司能够积极主动地实现排放合规性，而且还可以通过延长机器正常运行时间，增加生产量，减少劳动量和减少维护成本。
十、填料环升级改造：动、静态时都可以密封
往复式压缩机填料密封环是一种“动”密封环，即只有在压缩机工作时才起密封作用，在停机或其他情况下不能起到密封作用。传统的密封环在机组停机时，气缸内高压气体从填料函组件中逸出，不能保压。为解决此问题，美国Cook公司开发出一个专利产品：Static-Pac密封件，见下图：
特殊设计点：
√停机时会激活Static-Pac组件，将唇形密封件紧紧地机械楔紧在活塞杆上。柔性聚合物密封件与杆的圆周相符，并锁定在高压气体中。
√在压缩机启动过程中释放激活压力时，Static -Pac密封垫会抬起杆表面，以允许杆自由运动。
Static-Pac密封件可加装到大多数气体压缩机填料函组件中，可以适应各种压缩机工作条件，只需要替换杆填料函低压侧的一个或两个环槽密封环组件。
结束语
填料函是往复式压缩机的关键部件，其对压缩机的安全、稳定运行有至关重要保障，只有学习掌握填料函的密封原理、结构、装配注意事项，才能保证机组设备维护保养的质量标准。
〈本文连载完！〉
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
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》
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