【壓縮機網(wǎng)】引言
活塞式壓縮機活塞環(huán)的主要作用是密封氣缸與活塞之間的間隙，防止氣體從壓縮容積的一側漏向另一側。當活塞環(huán)安裝在氣缸內時(shí)，由于環(huán)本身的彈性，產(chǎn)生定比壓P0，使環(huán)緊貼在氣缸工作面上。當壓縮機工作時(shí)，活塞環(huán)上部受氣體壓力P1作用，環(huán)的下部受P2作用，形成了壓力差，使環(huán)推向壓力較低一側并緊貼在環(huán)槽端面上，封住了氣體沿環(huán)槽端面的泄漏。作用在活塞環(huán)內圓表面的壓力，可近似認為等于P0，此壓力大于作用在活塞環(huán)外圓表面上的平均壓力所形成的壓力，有時(shí)遠比環(huán)本身比壓大得多，它使活塞環(huán)進(jìn)一步緊貼在氣缸工作面上，從而堵住問(wèn)隙，活塞環(huán)的密封主要靠氣體壓力的作用。因此，環(huán)本身的比壓作用也是關(guān)鍵的。假使活塞環(huán)的本身彈力消失，即開(kāi)始活塞環(huán)與氣缸工作面間出現間隙，氣體可直接由此短路漏出?；钊h(huán)下部壓力就會(huì )接近或等于P，此時(shí)密封失效。
對于無(wú)油潤滑壓縮機用的填充聚四氟乙烯活塞環(huán)，有時(shí)需加金屬張力環(huán)，即在活塞環(huán)內圓表面套上一個(gè)金屬環(huán)以增加比壓。由于一般的活塞環(huán)都具有切口,氣體可通過(guò)切口泄漏，加之氣缸和活塞環(huán)槽與環(huán)端面的幾何誤差，這些也是造成泄漏的因素。所以必須采用多道活塞環(huán)，通過(guò)一道活塞環(huán)阻止氣體泄漏是不可能的，通過(guò)多道環(huán)產(chǎn)生的節流作用，以達到減少泄漏的目的。
活塞環(huán)是活塞式壓縮機易損壞的部件。其作用是封住氣體外泄，與氣缸形成壓縮容積?；钊h(huán)常見(jiàn)的故障有：（1）活塞環(huán)斷裂；（2）活塞環(huán)漲死，失去彈性，不能自由膨脹?；钊h(huán)不能起到密封作用的主要表現形式：（1）該級排氣溫度升高；（2）該級排氣壓力降低；（3）壓縮機排氣量下降。
在雙作用壓縮機中，當某一級壓縮機活塞環(huán)損壞或者漲死時(shí)，不能起到密封作用，使得蓋側（或軸側）被壓縮的高壓高溫氣體通過(guò)活塞環(huán)竄入軸側（或蓋側）低壓低溫氣體中，與吸入的低壓低溫氣體混合，混合之后氣體溫度升高。又由于壓縮氣體通過(guò)活塞環(huán)在互竄，使該級的排氣壓力下降，壓縮機的排氣量也隨之下降。本文通過(guò)案例詳細分析活塞環(huán)的使用情況及磨損過(guò)快原因，并提出相應對策。
1 案例分析
?。?）某廠(chǎng)新氫活塞式壓縮機機C302/A-D是引進(jìn)國外技術(shù)后首次設計制造的大型往復活塞式壓縮機，4臺壓縮機均為3級對置平衡型壓縮機。某年8月21日，C302/D后3級排氣溫度突然上升很快，而且前3級與后3級溫度相差15～20℃。經(jīng)現場(chǎng)測溫儀對前3、后3級所有氣閥溫度檢測后發(fā)現：后3級入口兩個(gè)氣閥差不多，而且溫度也不高，說(shuō)明入口氣閥沒(méi)有問(wèn)題。出口2個(gè)氣閥溫度也差不多，但比前3級出口氣閥平均高20℃左右。分析認為：如果壓縮機出口氣閥泄漏或損壞，蓋側、軸側兩個(gè)排氣閥同時(shí)損壞的可能性較??；又發(fā)現后3級氣缸氣流聲比較大。因此初步判斷為：后3級活塞環(huán)密封失效，要停機檢修。
經(jīng)拆開(kāi)檢查之后，后3級所有12根活塞環(huán)全部斷裂，其中有一根活塞環(huán)的阻流環(huán)斷裂10cm左右，12根活塞環(huán)基本上都不起作用。造成壓縮氣體在活塞環(huán)上互竄，使蓋、軸側兩只排氣閥溫度同時(shí)上升。
?。?）某年11月23日，C302/C機 1級出口溫度緩慢上升，而且1級排氣壓力緩慢下降；即使1回1控制閥全關(guān)，1級排氣壓力仍下降；將1回1控制閥上、下游截止閥全部關(guān)閉，1級排氣壓力也不上升，而且壓縮機組的排氣量下降較多。
經(jīng)現場(chǎng)測溫儀對1級各個(gè)氣閥溫度檢測后發(fā)現：入口氣閥溫度正常，出口4只氣閥溫度都差不多，但平均比正常時(shí)都高20～25℃左右。因為介質(zhì)比較干凈所以4個(gè)出口氣閥同時(shí)損壞可能性較小。又從1級排氣壓力下降、排氣量也下降這一情況，初步分析判斷為：活塞環(huán)脹死，失去彈性不能起密封作用，要停機檢修。
經(jīng)拆開(kāi)檢查之后，未發(fā)現任何一根活塞環(huán)斷裂，但活塞環(huán)與槽之間臟物很多，活塞環(huán)已不能在槽中自由伸縮，失去了彈性，失去了密封性能，從而造成了壓縮氣體互竄等現象。
2 活塞環(huán)的密封原理
以活塞環(huán)為例，如圖1所示，活塞環(huán)的開(kāi)口使其產(chǎn)生彈力，而貼向氣缸鏡面?；钊h(huán)在其前壓力P1與后壓力P2壓力差的作用下，被推向壓力較低的一側，即密封了氣體沿環(huán)槽端面的泄露；當壓力P沿活塞與氣缸壁之間通過(guò)時(shí)，把槽內的活塞環(huán)推向一側，壓力P通過(guò)活塞環(huán)與環(huán)槽之間的間隙進(jìn)入到環(huán)的背部，在環(huán)槽的底部對環(huán)形成背壓力P3，將活塞環(huán)的外徑壓向氣缸壁，活塞環(huán)阻塞了活塞與氣缸壁之間的間隙，密封了氣體。但仍有部分氣體通過(guò)環(huán)的開(kāi)口及活塞環(huán)的兩端面在環(huán)槽內與槽兩側壁面周期緊貼的瞬間產(chǎn)生泄露P2，所以活塞環(huán)不能只設一道。
單作用時(shí)，受力側第一道環(huán)受的的壓力差最大，磨損的也最快。雙作用時(shí)首尾兩環(huán)所承受的壓差最大，之后各環(huán)形成降壓節流。
實(shí)驗和實(shí)踐證明，氣體在第一道環(huán)中的節流壓差是相當大的，如果氣缸內壓力為P時(shí)，在第一道環(huán)背隙處的徑向壓力已節流至80～85%P，如果以三道環(huán)作為密封環(huán)系，則經(jīng)第一道環(huán)的節流，壓力降至氣缸內氣體壓力的26%；經(jīng)第二道環(huán)的節流，壓力降至氣缸內氣體壓力的10%；經(jīng)第三道環(huán)的節流，壓力降至氣缸內氣體壓力的7.6%，且在正常情況下，泄漏量只有吸氣量的0.3～1%。
厄外斯（Eweis）對兩道環(huán)及六道環(huán)在不同轉速下所做的試驗表明：
?。?）活塞環(huán)的密封作用，主要由前三道環(huán)所承受，低轉速時(shí)，第一、二道環(huán)承擔比例接近；高轉速時(shí)，第一道環(huán)承擔了絕大部分壓差；
?。?）第四道，尤其第五道環(huán)的作用幾乎等于零，這種現象隨轉速的提高更為明顯。之所以出現這種現象，主要取決于“單位時(shí)間泄漏量”。當高轉速時(shí)，單位時(shí)間內壓縮機活塞運行中，改變方向的次數愈頻繁，也即每次壓縮壓出過(guò)程的時(shí)間愈短，故在相同的總壓差時(shí)，泄漏至第一道環(huán)后的氣體量也就愈少，因此導致第一道至第二道環(huán)間的氣體量愈少，因之其壓力也愈低，所以節流效應更為顯著(zhù)。
因此，無(wú)論節流及阻塞的奏效，以及泄漏量的微小，都顯示了活塞環(huán)作為密封件的可靠性。
3 活塞環(huán)的結構及參數特性
活塞環(huán)的開(kāi)口，常用的有直口和45°斜口、搭口三種形式，而在斜口中的搭口與45°斜口相比兩者的密封性無(wú)顯著(zhù)的區別，但搭口的工藝性要復雜，而且環(huán)端在安裝和使用中均易斷裂，因此盡量不采用，非金屬材料環(huán)的密封壓差一般不超過(guò)2.5MPa，且非金屬材料密封環(huán)強度較低，斜切口相比之下即安全又漏氣量小，故多采用直口和斜切口。具體切口形式如圖2。
實(shí)際使用過(guò)程中的活塞環(huán)如果出現易損不能達到使用要求時(shí)，一般從如下幾點(diǎn)進(jìn)行核對：
?。?）材質(zhì)及制坯：鑄鐵環(huán)通常用灰鑄鐵和合金鑄鐵，而選用起來(lái)一般小直徑和高轉速壓縮機用合金鑄鐵；而鑄鐵的金相組織應該是細片狀的珠光體并且有均勻分布的細片狀、中等片狀、漩渦形及直線(xiàn)形的石墨，不允許有游離的滲碳體存在，硬度為HB=190～250，且同一環(huán)上，硬度差應小于5個(gè)單位，并要比氣缸鏡面高出10～20布氏硬度；而對于以PTFE為基體填充成分及其百分比更應根據不同的使用環(huán)境及參數加以嚴格控制，有時(shí)雖是同一種品名的材料，但廠(chǎng)家所用規格不同，機械性能也不同；對于毛坯的密度和內部組織聚合率，這與混料、壓制所采用的壓力（含壓力損失）和壓力在組織內部的傳遞、燒結曲線(xiàn)、出爐溫度甚至當時(shí)的空氣溫度和環(huán)境溫度均有關(guān)系；如果采用的壓力大，則制品密度大，線(xiàn)脹系數低，使用的材料要多；反之壓制壓力低，則制品的密度小，線(xiàn)脹系數大，可減少使用的材料，成本也低，顯然壓制壓力影響毛坯的質(zhì)量。
?。?）活塞環(huán)的外圓銳角倒成小圓角，以利于形成潤滑油膜，減少泄露和磨損，內圓銳角倒成45°角。而對于活塞環(huán)的外觀(guān)結構及公差要求，表面不得有裂紋、氣孔夾雜物疏松等鑄造缺陷，環(huán)的兩端面及外圓柱面不得有劃痕，做驗光檢測時(shí)，整個(gè)圓周上漏光不得多于兩處，最長(cháng)不超過(guò)25°弧長(cháng)，總長(cháng)不超過(guò)45°弧長(cháng)，且距離鎖口不小于30°弧長(cháng)。
?。?）開(kāi)口熱間隙：
σ=απD（t2-t1）mm
D—活塞環(huán)外徑，mm；
t2—活塞環(huán)工作溫度，通常取排氣溫度，℃；
T1—檢驗尺寸時(shí)活塞環(huán)本身的溫度，通常取20℃；
α—活塞環(huán)的線(xiàn)脹系數（1/℃），鑄鐵α=1.1×10-5（1/℃），聚四氟乙烯α=（100～120）×10-6（1/℃）；
?。?）自由開(kāi)口度
A=7.08D(D/t-1)3 pk/E
pk—活塞環(huán)的比壓kg/cm2，D＞150，pk=0.38～1 kg/cm2；
E—彈性模數kg/cm2，鑄鐵D＞300，E=1.05×106；
合金鑄鐵E=（0.9～1.4）×106，球墨鑄鐵E=（1.5～1.65）×106。
4 活塞環(huán)異常磨損原因
?。?）氣缸內有液相水分使氣缸銹蝕
主機和某些附屬部位漏水。當氣缸內發(fā)現液相水分時(shí)，應仔細檢查壓縮機的氣缸和冷卻器。主要檢查氣缸的氣、水腔間有無(wú)滲漏，若有，可能是密封失效或者氣缸有裂紋。冷卻器的滲漏原因主要是密封墊片失效，管板與冷卻管的脹接松動(dòng)及冷卻水管破損。
?。?）被壓縮介質(zhì)含水
濕度較高地區的氣體，在進(jìn)入氣缸冷卻效果較好的壓縮機時(shí)會(huì )降溫，溫度下降到進(jìn)氣壓力條件下的露點(diǎn)溫度以下，濕氣體中的水分析出，造成缸內帶水。因此，在壓縮濕度較高的氣體時(shí)，要求氣體進(jìn)入氣缸后溫度不能過(guò)低，特別是對低壓級氣缸更應注意。解決辦法是，調節氣缸的冷卻水量，保證氣體進(jìn)入氣缸后溫度高于其進(jìn)入氣缸后該壓力下的露點(diǎn)溫度。按經(jīng)驗，一般應使氣缸冷卻水排水溫度高于氣體進(jìn)氣溫度4～5℃。
?。?）活塞環(huán)和支承環(huán)的材料選擇不當
試驗表明，對同一種對磨的金屬材料，不同的介質(zhì)對于同一種配方的填充聚四氟乙烯環(huán)，其磨損因子不同；對于同一種介質(zhì)，不同的對磨金屬材料對同一種配方的填充聚四氟乙烯環(huán)，磨損因子也不同。因此，壓縮機制造廠(chǎng)家在進(jìn)行產(chǎn)品設計時(shí)，是根據被壓縮的介質(zhì)及氣缸或氣缸套的材料來(lái)選擇對應配方的。所以在購買(mǎi)填充聚四氟乙烯備件時(shí)，應直接向壓縮機生產(chǎn)廠(chǎng)家購買(mǎi)。這樣才能保證所購的活塞環(huán)、支承環(huán)配件與壓縮介質(zhì)及氣缸材料相匹配，最大限度降低磨損。
?。?）工作溫度過(guò)高
冷卻器冷卻效果差，造成某級或各級氣缸進(jìn)氣溫度高于設計值。高壓級氣缸氣體泄漏至相鄰低壓級氣缸內，使低壓級氣體的壓縮過(guò)程出現加熱而使缸內溫度升高。某級氣缸的進(jìn)、排氣閥門(mén)泄漏。排氣閥門(mén)如泄漏量較小，必須進(jìn)行滲漏檢查。如泄漏量較大，會(huì )引起次一級氣缸排氣壓力升高，如III級排氣閥門(mén)泄漏，則II級的排氣壓力就會(huì )升高，通過(guò)儀表可以發(fā)現。
?。?）活塞環(huán)或支承環(huán)與氣缸壁脹死
活塞環(huán)和支承環(huán)脹死一般在工作中受熱膨脹發(fā)生，常溫狀態(tài)下安裝和拆卸時(shí)無(wú)法發(fā)現?；钊h(huán)的切口安裝間隙，是按設計工作溫度下圓周方向的伸長(cháng)量來(lái)確定的。支承環(huán)與氣缸壁的徑向間隙則是根據支承環(huán)在設計工作溫度下的徑向膨脹量來(lái)確定的，因此支承環(huán)與氣缸壁的間隙不能隨意改小。一般生產(chǎn)廠(chǎng)家提供給用戶(hù)的技術(shù)文件和圖紙中都有間隙要求。如果購買(mǎi)的活塞環(huán)和支承環(huán)在配方和質(zhì)量上與原配方有差異，其熱脹系數也會(huì )不同。因此，應盡量購買(mǎi)原壓縮機制造廠(chǎng)家配套提供的活塞環(huán)和支承環(huán)，不得已要購買(mǎi)其他廠(chǎng)的產(chǎn)品時(shí)，應要求該生產(chǎn)廠(chǎng)家提供該環(huán)材料的熱脹系數。在安裝時(shí)應重新復驗和計算活塞環(huán)的切口安裝間隙和支承環(huán)的徑向間隙。如果生產(chǎn)廠(chǎng)家不能提供數據，則無(wú)法通過(guò)復算確定安裝間隙。這也表明該生產(chǎn)廠(chǎng)家可能只是簡(jiǎn)單復制配件，而不具備提供以上熱膨脹系數的能力，不應采購該廠(chǎng)家的配件。
活塞環(huán)和支承環(huán)在氣缸內脹死會(huì )使其迅速失效，這時(shí)與氣缸壁接觸部分的比壓大大高于正常運轉時(shí)的比壓。由于比壓增大，活塞環(huán)、支承環(huán)與缸壁間的摩擦力也增加。一般情況下，壓縮機活塞運轉時(shí)的線(xiàn)速度都在3.6m/s左右，活塞環(huán)、支承環(huán)與氣缸壁間的接觸溫度會(huì )急劇上升，使其快速磨損。
?。?）被壓縮介質(zhì)過(guò)臟
被壓縮氣體如果含有過(guò)多的粉塵、金屬粉末、非金屬纖維和水分等雜質(zhì)，一旦進(jìn)入氣缸，就會(huì )有一部分雜質(zhì)黏附甚至嵌入活塞環(huán)、支承環(huán)表面，造成相關(guān)間隙變小，加速環(huán)的不均勻磨損，嚴重降低活塞環(huán)、支承環(huán)的使用壽命。
5 對策
?。?）氣缸由無(wú)油潤滑改造為少油潤滑
部分壓縮機改為有油潤滑。原廠(chǎng)家設計的壓縮機活塞環(huán)、支承環(huán)為無(wú)油潤滑，是基于比較理想的工況，如果操作得當是完全可行的。如被壓縮介質(zhì)較為復雜,尤其是自生產(chǎn)的水煤氣、煤焦油、硫化物、水分、粉塵等雜質(zhì)較高，同時(shí)由于各壓縮機長(cháng)期滿(mǎn)負荷運行（部分已超過(guò)設計使用壽命），其氣缸體等重要部件已出現不同程度缺陷。對此，如果工藝條件允許，有選擇地將壓縮機進(jìn)行有油潤滑的改造，以改善氣缸表面、氣缸活塞環(huán)和支承環(huán)的工作環(huán)境，減少磨損，降低停機更換次數。改進(jìn)后效果非常明顯。此項雖然多消耗了潤滑油，但比起由于活塞環(huán)、支承環(huán)過(guò)快磨損而停機更換所造成的損失，還是比較合算的。
?。?）嚴格檢查氣缸體和冷卻器
大修壓縮機時(shí)嚴格檢查氣缸體和冷卻器，及時(shí)發(fā)現氣缸裂紋、結構密封失效等重大缺陷，進(jìn)行徹底修復或更換。也要對冷卻器失效的密封墊片、管板與冷卻管的脹接松動(dòng)以及破損的冷卻水管進(jìn)行徹底修復。
?。?）改造冷卻水管路
循環(huán)使用的冷卻水，水質(zhì)較差、水溫較高，水中雜質(zhì)的存在使壓縮機氣缸及冷卻器換熱效果不佳。把冷卻水管路，由原設計的中間冷卻器串聯(lián)作為各級氣缸進(jìn)水的冷卻方式，改為中間冷卻器、各級氣缸單獨并聯(lián)進(jìn)水，使氣缸的排氣溫度降低了約15℃。同時(shí)也可通過(guò)冷卻器排出水分，降低或避免氣缸的銹蝕。
?。?）增加過(guò)濾器
在各壓縮機進(jìn)氣管前增加過(guò)濾器，解決進(jìn)入氣缸內介質(zhì)含塵、含雜質(zhì)問(wèn)題。
?。?）購買(mǎi)原壓縮機生產(chǎn)廠(chǎng)家的配件
活塞環(huán)、支承環(huán)、填料環(huán)等，必須購買(mǎi)原壓縮機生產(chǎn)廠(chǎng)家的配件。在活塞環(huán)、支承環(huán)安裝前，對其徑向尺寸，按照壓縮機氣缸的實(shí)際使用狀況，進(jìn)行必要的修整處理，盡量延長(cháng)其使用壽命。
?。?）做好巡檢和日常維修工作
對漏水、溫度異常升高等現象，及時(shí)發(fā)現及時(shí)解決?；钊h(huán)、支承環(huán)在裝配過(guò)程中，嚴格控制裝配間隙，確保達到檢修規范的要求。通過(guò)采取以上改造措施，壓縮機活塞環(huán)、支承環(huán)磨損速度大幅降低，使用壽命相應延長(cháng)，平均可以穩定運行8000小時(shí)以上。
6 日常檢修及使用過(guò)程中的注意事項
?。?）檢修及裝配時(shí)一定要保證各部件的清潔，包括進(jìn)口、出口氣閥室并注意各環(huán)的開(kāi)口錯開(kāi)，并不得接近氣閥室，確保無(wú)硬質(zhì)顆粒進(jìn)入密封部位及各密封件位置的合理。對于填充PTFE密封環(huán)的密封效果和壽命來(lái)講，清洗機器內雜物十分必要，常用清洗劑為四氯化碳，必要時(shí)可用軟面團將機器內雜物粘掉。
?。?）嚴格控制各部位的間隙，在額定溫度下，活塞環(huán)與活塞間保證合理的密封間隙和活塞環(huán)開(kāi)口間隙。如果活塞環(huán)在環(huán)槽內的間隙過(guò)小，容易卡死在環(huán)槽內；間隙過(guò)大，則環(huán)在槽內產(chǎn)生敲擊易損壞；而活塞環(huán)的開(kāi)口尺寸大了則串氣，氣缸溫度高，整機效率低；開(kāi)口小了，環(huán)的接口處外脹，產(chǎn)生類(lèi)似抱缸的現象，損壞活塞環(huán)。如果環(huán)槽和缸徑變大可通過(guò)修復環(huán)槽和缸徑，選配合適的活塞環(huán)而得已保證合理的間隙。在此強調一點(diǎn)，所購入的活塞環(huán)應為成品，若間隙不夠可進(jìn)行研磨，決不允許用戶(hù)將購入的整體環(huán)用鋸條按自己的經(jīng)驗鋸開(kāi)口，因為環(huán)的開(kāi)口間隙的作用是在工作溫度下，環(huán)膨脹后接口基本是接合堵死的，所以開(kāi)口間隙很?chē)栏?，如前所計算?/p>
?。?）嚴格控制注油量，對于無(wú)油潤滑的活塞環(huán)，由于可以在活塞環(huán)與氣缸間形成一個(gè)非金屬的潤滑膜來(lái)保證活塞環(huán)的壽命運行；對于有油潤滑來(lái)講，這層潤滑膜就是靠油膜來(lái)形成的，而多油和少油對于理想的潤滑油膜均不利，因而必須嚴格控制注油量。
?。?）氣缸的光潔度應在Ra0.8以上，活塞桿應在Ra0.4以上，光潔度過(guò)高不易形成油膜，還增加了制造成本，如發(fā)現氣缸徑加工粗糙或運行后有圓周方向的環(huán)形臺肩，可用細砂紙或油石沿氣缸軸向研磨，消除缺陷，否則容易造成漏氣和縮短活塞環(huán)的壽命。
?。?）氣缸的冷卻也要控制，設計多在150℃以下，這時(shí)的PTFE的壽命也最長(cháng)，而隨著(zhù)溫度的升高，PTFE在180℃時(shí)也可使用，這時(shí)要考慮膨脹間隙，用先進(jìn)的紅外線(xiàn)測溫儀可以測量出氣缸及各氣閥的溫度變化，如氣閥漏氣造成局部氣缸過(guò)熱，可能對活塞環(huán)的使用造成影響，而活塞環(huán)的磨損細屑又可能造成氣閥密封性的下降，因而當各氣閥溫度達180℃左右時(shí)，宜更換漏氣氣閥，PTFE的最高使用溫度不可以超過(guò)180℃。
?。?）活塞環(huán)出現以下情況之一，需要更新：
?、俸穸龋◤较颍┠p達1mm；
?、诟叨龋ㄝS向）磨損0.2mm；
?、郗h(huán)在環(huán)槽中軸向間隙超過(guò)正常間隙0.06～0.1mm；
?、芑钊h(huán)外表面與氣缸鏡面不能保持應有的緊密配合，不緊密貼合間隙的總長(cháng)超過(guò)氣缸圓周的三分之一；
?、莼钊h(huán)失去彈性。
參考文獻
[1]活塞式壓縮機設計（手冊）. 機械工業(yè)出版社，1974。
[2]陳永江主編. 容積式壓縮機原理與結構設計. 西安交通大學(xué)，1985。
[3]郁永章等. 壓縮機工程手冊. 中國石化出版社，2012。
[4]王貴合等，往復式壓縮機活塞環(huán)使用情況分析，化工設計通訊，2007（03）。
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【壓縮機網(wǎng)】引言
活塞式壓縮機活塞環(huán)的主要作用是密封氣缸與活塞之間的間隙，防止氣體從壓縮容積的一側漏向另一側。當活塞環(huán)安裝在氣缸內時(shí)，由于環(huán)本身的彈性，產(chǎn)生定比壓P0，使環(huán)緊貼在氣缸工作面上。當壓縮機工作時(shí)，活塞環(huán)上部受氣體壓力P1作用，環(huán)的下部受P2作用，形成了壓力差，使環(huán)推向壓力較低一側并緊貼在環(huán)槽端面上，封住了氣體沿環(huán)槽端面的泄漏。作用在活塞環(huán)內圓表面的壓力，可近似認為等于P0，此壓力大于作用在活塞環(huán)外圓表面上的平均壓力所形成的壓力，有時(shí)遠比環(huán)本身比壓大得多，它使活塞環(huán)進(jìn)一步緊貼在氣缸工作面上，從而堵住問(wèn)隙，活塞環(huán)的密封主要靠氣體壓力的作用。因此，環(huán)本身的比壓作用也是關(guān)鍵的。假使活塞環(huán)的本身彈力消失，即開(kāi)始活塞環(huán)與氣缸工作面間出現間隙，氣體可直接由此短路漏出?；钊h(huán)下部壓力就會(huì )接近或等于P，此時(shí)密封失效。
對于無(wú)油潤滑壓縮機用的填充聚四氟乙烯活塞環(huán)，有時(shí)需加金屬張力環(huán)，即在活塞環(huán)內圓表面套上一個(gè)金屬環(huán)以增加比壓。由于一般的活塞環(huán)都具有切口,氣體可通過(guò)切口泄漏，加之氣缸和活塞環(huán)槽與環(huán)端面的幾何誤差，這些也是造成泄漏的因素。所以必須采用多道活塞環(huán)，通過(guò)一道活塞環(huán)阻止氣體泄漏是不可能的，通過(guò)多道環(huán)產(chǎn)生的節流作用，以達到減少泄漏的目的。
活塞環(huán)是活塞式壓縮機易損壞的部件。其作用是封住氣體外泄，與氣缸形成壓縮容積?；钊h(huán)常見(jiàn)的故障有：（1）活塞環(huán)斷裂；（2）活塞環(huán)漲死，失去彈性，不能自由膨脹?；钊h(huán)不能起到密封作用的主要表現形式：（1）該級排氣溫度升高；（2）該級排氣壓力降低；（3）壓縮機排氣量下降。
在雙作用壓縮機中，當某一級壓縮機活塞環(huán)損壞或者漲死時(shí)，不能起到密封作用，使得蓋側（或軸側）被壓縮的高壓高溫氣體通過(guò)活塞環(huán)竄入軸側（或蓋側）低壓低溫氣體中，與吸入的低壓低溫氣體混合，混合之后氣體溫度升高。又由于壓縮氣體通過(guò)活塞環(huán)在互竄，使該級的排氣壓力下降，壓縮機的排氣量也隨之下降。本文通過(guò)案例詳細分析活塞環(huán)的使用情況及磨損過(guò)快原因，并提出相應對策。
1 案例分析
?。?）某廠(chǎng)新氫活塞式壓縮機機C302/A-D是引進(jìn)國外技術(shù)后首次設計制造的大型往復活塞式壓縮機，4臺壓縮機均為3級對置平衡型壓縮機。某年8月21日，C302/D后3級排氣溫度突然上升很快，而且前3級與后3級溫度相差15～20℃。經(jīng)現場(chǎng)測溫儀對前3、后3級所有氣閥溫度檢測后發(fā)現：后3級入口兩個(gè)氣閥差不多，而且溫度也不高，說(shuō)明入口氣閥沒(méi)有問(wèn)題。出口2個(gè)氣閥溫度也差不多，但比前3級出口氣閥平均高20℃左右。分析認為：如果壓縮機出口氣閥泄漏或損壞，蓋側、軸側兩個(gè)排氣閥同時(shí)損壞的可能性較??；又發(fā)現后3級氣缸氣流聲比較大。因此初步判斷為：后3級活塞環(huán)密封失效，要停機檢修。
經(jīng)拆開(kāi)檢查之后，后3級所有12根活塞環(huán)全部斷裂，其中有一根活塞環(huán)的阻流環(huán)斷裂10cm左右，12根活塞環(huán)基本上都不起作用。造成壓縮氣體在活塞環(huán)上互竄，使蓋、軸側兩只排氣閥溫度同時(shí)上升。
?。?）某年11月23日，C302/C機 1級出口溫度緩慢上升，而且1級排氣壓力緩慢下降；即使1回1控制閥全關(guān)，1級排氣壓力仍下降；將1回1控制閥上、下游截止閥全部關(guān)閉，1級排氣壓力也不上升，而且壓縮機組的排氣量下降較多。
經(jīng)現場(chǎng)測溫儀對1級各個(gè)氣閥溫度檢測后發(fā)現：入口氣閥溫度正常，出口4只氣閥溫度都差不多，但平均比正常時(shí)都高20～25℃左右。因為介質(zhì)比較干凈所以4個(gè)出口氣閥同時(shí)損壞可能性較小。又從1級排氣壓力下降、排氣量也下降這一情況，初步分析判斷為：活塞環(huán)脹死，失去彈性不能起密封作用，要停機檢修。
經(jīng)拆開(kāi)檢查之后，未發(fā)現任何一根活塞環(huán)斷裂，但活塞環(huán)與槽之間臟物很多，活塞環(huán)已不能在槽中自由伸縮，失去了彈性，失去了密封性能，從而造成了壓縮氣體互竄等現象。
2 活塞環(huán)的密封原理
以活塞環(huán)為例，如圖1所示，活塞環(huán)的開(kāi)口使其產(chǎn)生彈力，而貼向氣缸鏡面?；钊h(huán)在其前壓力P1與后壓力P2壓力差的作用下，被推向壓力較低的一側，即密封了氣體沿環(huán)槽端面的泄露；當壓力P沿活塞與氣缸壁之間通過(guò)時(shí)，把槽內的活塞環(huán)推向一側，壓力P通過(guò)活塞環(huán)與環(huán)槽之間的間隙進(jìn)入到環(huán)的背部，在環(huán)槽的底部對環(huán)形成背壓力P3，將活塞環(huán)的外徑壓向氣缸壁，活塞環(huán)阻塞了活塞與氣缸壁之間的間隙，密封了氣體。但仍有部分氣體通過(guò)環(huán)的開(kāi)口及活塞環(huán)的兩端面在環(huán)槽內與槽兩側壁面周期緊貼的瞬間產(chǎn)生泄露P2，所以活塞環(huán)不能只設一道。
單作用時(shí)，受力側第一道環(huán)受的的壓力差最大，磨損的也最快。雙作用時(shí)首尾兩環(huán)所承受的壓差最大，之后各環(huán)形成降壓節流。
實(shí)驗和實(shí)踐證明，氣體在第一道環(huán)中的節流壓差是相當大的，如果氣缸內壓力為P時(shí)，在第一道環(huán)背隙處的徑向壓力已節流至80～85%P，如果以三道環(huán)作為密封環(huán)系，則經(jīng)第一道環(huán)的節流，壓力降至氣缸內氣體壓力的26%；經(jīng)第二道環(huán)的節流，壓力降至氣缸內氣體壓力的10%；經(jīng)第三道環(huán)的節流，壓力降至氣缸內氣體壓力的7.6%，且在正常情況下，泄漏量只有吸氣量的0.3～1%。
厄外斯（Eweis）對兩道環(huán)及六道環(huán)在不同轉速下所做的試驗表明：
?。?）活塞環(huán)的密封作用，主要由前三道環(huán)所承受，低轉速時(shí)，第一、二道環(huán)承擔比例接近；高轉速時(shí)，第一道環(huán)承擔了絕大部分壓差；
?。?）第四道，尤其第五道環(huán)的作用幾乎等于零，這種現象隨轉速的提高更為明顯。之所以出現這種現象，主要取決于“單位時(shí)間泄漏量”。當高轉速時(shí)，單位時(shí)間內壓縮機活塞運行中，改變方向的次數愈頻繁，也即每次壓縮壓出過(guò)程的時(shí)間愈短，故在相同的總壓差時(shí)，泄漏至第一道環(huán)后的氣體量也就愈少，因此導致第一道至第二道環(huán)間的氣體量愈少，因之其壓力也愈低，所以節流效應更為顯著(zhù)。
因此，無(wú)論節流及阻塞的奏效，以及泄漏量的微小，都顯示了活塞環(huán)作為密封件的可靠性。
3 活塞環(huán)的結構及參數特性
活塞環(huán)的開(kāi)口，常用的有直口和45°斜口、搭口三種形式，而在斜口中的搭口與45°斜口相比兩者的密封性無(wú)顯著(zhù)的區別，但搭口的工藝性要復雜，而且環(huán)端在安裝和使用中均易斷裂，因此盡量不采用，非金屬材料環(huán)的密封壓差一般不超過(guò)2.5MPa，且非金屬材料密封環(huán)強度較低，斜切口相比之下即安全又漏氣量小，故多采用直口和斜切口。具體切口形式如圖2。
實(shí)際使用過(guò)程中的活塞環(huán)如果出現易損不能達到使用要求時(shí)，一般從如下幾點(diǎn)進(jìn)行核對：
?。?）材質(zhì)及制坯：鑄鐵環(huán)通常用灰鑄鐵和合金鑄鐵，而選用起來(lái)一般小直徑和高轉速壓縮機用合金鑄鐵；而鑄鐵的金相組織應該是細片狀的珠光體并且有均勻分布的細片狀、中等片狀、漩渦形及直線(xiàn)形的石墨，不允許有游離的滲碳體存在，硬度為HB=190～250，且同一環(huán)上，硬度差應小于5個(gè)單位，并要比氣缸鏡面高出10～20布氏硬度；而對于以PTFE為基體填充成分及其百分比更應根據不同的使用環(huán)境及參數加以嚴格控制，有時(shí)雖是同一種品名的材料，但廠(chǎng)家所用規格不同，機械性能也不同；對于毛坯的密度和內部組織聚合率，這與混料、壓制所采用的壓力（含壓力損失）和壓力在組織內部的傳遞、燒結曲線(xiàn)、出爐溫度甚至當時(shí)的空氣溫度和環(huán)境溫度均有關(guān)系；如果采用的壓力大，則制品密度大，線(xiàn)脹系數低，使用的材料要多；反之壓制壓力低，則制品的密度小，線(xiàn)脹系數大，可減少使用的材料，成本也低，顯然壓制壓力影響毛坯的質(zhì)量。
?。?）活塞環(huán)的外圓銳角倒成小圓角，以利于形成潤滑油膜，減少泄露和磨損，內圓銳角倒成45°角。而對于活塞環(huán)的外觀(guān)結構及公差要求，表面不得有裂紋、氣孔夾雜物疏松等鑄造缺陷，環(huán)的兩端面及外圓柱面不得有劃痕，做驗光檢測時(shí)，整個(gè)圓周上漏光不得多于兩處，最長(cháng)不超過(guò)25°弧長(cháng)，總長(cháng)不超過(guò)45°弧長(cháng)，且距離鎖口不小于30°弧長(cháng)。
?。?）開(kāi)口熱間隙：
σ=απD（t2-t1）mm
D—活塞環(huán)外徑，mm；
t2—活塞環(huán)工作溫度，通常取排氣溫度，℃；
T1—檢驗尺寸時(shí)活塞環(huán)本身的溫度，通常取20℃；
α—活塞環(huán)的線(xiàn)脹系數（1/℃），鑄鐵α=1.1×10-5（1/℃），聚四氟乙烯α=（100～120）×10-6（1/℃）；
?。?）自由開(kāi)口度
A=7.08D(D/t-1)3 pk/E
pk—活塞環(huán)的比壓kg/cm2，D＞150，pk=0.38～1 kg/cm2；
E—彈性模數kg/cm2，鑄鐵D＞300，E=1.05×106；
合金鑄鐵E=（0.9～1.4）×106，球墨鑄鐵E=（1.5～1.65）×106。
4 活塞環(huán)異常磨損原因
?。?）氣缸內有液相水分使氣缸銹蝕
主機和某些附屬部位漏水。當氣缸內發(fā)現液相水分時(shí)，應仔細檢查壓縮機的氣缸和冷卻器。主要檢查氣缸的氣、水腔間有無(wú)滲漏，若有，可能是密封失效或者氣缸有裂紋。冷卻器的滲漏原因主要是密封墊片失效，管板與冷卻管的脹接松動(dòng)及冷卻水管破損。
?。?）被壓縮介質(zhì)含水
濕度較高地區的氣體，在進(jìn)入氣缸冷卻效果較好的壓縮機時(shí)會(huì )降溫，溫度下降到進(jìn)氣壓力條件下的露點(diǎn)溫度以下，濕氣體中的水分析出，造成缸內帶水。因此，在壓縮濕度較高的氣體時(shí)，要求氣體進(jìn)入氣缸后溫度不能過(guò)低，特別是對低壓級氣缸更應注意。解決辦法是，調節氣缸的冷卻水量，保證氣體進(jìn)入氣缸后溫度高于其進(jìn)入氣缸后該壓力下的露點(diǎn)溫度。按經(jīng)驗，一般應使氣缸冷卻水排水溫度高于氣體進(jìn)氣溫度4～5℃。
?。?）活塞環(huán)和支承環(huán)的材料選擇不當
試驗表明，對同一種對磨的金屬材料，不同的介質(zhì)對于同一種配方的填充聚四氟乙烯環(huán)，其磨損因子不同；對于同一種介質(zhì)，不同的對磨金屬材料對同一種配方的填充聚四氟乙烯環(huán)，磨損因子也不同。因此，壓縮機制造廠(chǎng)家在進(jìn)行產(chǎn)品設計時(shí)，是根據被壓縮的介質(zhì)及氣缸或氣缸套的材料來(lái)選擇對應配方的。所以在購買(mǎi)填充聚四氟乙烯備件時(shí)，應直接向壓縮機生產(chǎn)廠(chǎng)家購買(mǎi)。這樣才能保證所購的活塞環(huán)、支承環(huán)配件與壓縮介質(zhì)及氣缸材料相匹配，最大限度降低磨損。
?。?）工作溫度過(guò)高
冷卻器冷卻效果差，造成某級或各級氣缸進(jìn)氣溫度高于設計值。高壓級氣缸氣體泄漏至相鄰低壓級氣缸內，使低壓級氣體的壓縮過(guò)程出現加熱而使缸內溫度升高。某級氣缸的進(jìn)、排氣閥門(mén)泄漏。排氣閥門(mén)如泄漏量較小，必須進(jìn)行滲漏檢查。如泄漏量較大，會(huì )引起次一級氣缸排氣壓力升高，如III級排氣閥門(mén)泄漏，則II級的排氣壓力就會(huì )升高，通過(guò)儀表可以發(fā)現。
?。?）活塞環(huán)或支承環(huán)與氣缸壁脹死
活塞環(huán)和支承環(huán)脹死一般在工作中受熱膨脹發(fā)生，常溫狀態(tài)下安裝和拆卸時(shí)無(wú)法發(fā)現?；钊h(huán)的切口安裝間隙，是按設計工作溫度下圓周方向的伸長(cháng)量來(lái)確定的。支承環(huán)與氣缸壁的徑向間隙則是根據支承環(huán)在設計工作溫度下的徑向膨脹量來(lái)確定的，因此支承環(huán)與氣缸壁的間隙不能隨意改小。一般生產(chǎn)廠(chǎng)家提供給用戶(hù)的技術(shù)文件和圖紙中都有間隙要求。如果購買(mǎi)的活塞環(huán)和支承環(huán)在配方和質(zhì)量上與原配方有差異，其熱脹系數也會(huì )不同。因此，應盡量購買(mǎi)原壓縮機制造廠(chǎng)家配套提供的活塞環(huán)和支承環(huán)，不得已要購買(mǎi)其他廠(chǎng)的產(chǎn)品時(shí)，應要求該生產(chǎn)廠(chǎng)家提供該環(huán)材料的熱脹系數。在安裝時(shí)應重新復驗和計算活塞環(huán)的切口安裝間隙和支承環(huán)的徑向間隙。如果生產(chǎn)廠(chǎng)家不能提供數據，則無(wú)法通過(guò)復算確定安裝間隙。這也表明該生產(chǎn)廠(chǎng)家可能只是簡(jiǎn)單復制配件，而不具備提供以上熱膨脹系數的能力，不應采購該廠(chǎng)家的配件。
活塞環(huán)和支承環(huán)在氣缸內脹死會(huì )使其迅速失效，這時(shí)與氣缸壁接觸部分的比壓大大高于正常運轉時(shí)的比壓。由于比壓增大，活塞環(huán)、支承環(huán)與缸壁間的摩擦力也增加。一般情況下，壓縮機活塞運轉時(shí)的線(xiàn)速度都在3.6m/s左右，活塞環(huán)、支承環(huán)與氣缸壁間的接觸溫度會(huì )急劇上升，使其快速磨損。
?。?）被壓縮介質(zhì)過(guò)臟
被壓縮氣體如果含有過(guò)多的粉塵、金屬粉末、非金屬纖維和水分等雜質(zhì)，一旦進(jìn)入氣缸，就會(huì )有一部分雜質(zhì)黏附甚至嵌入活塞環(huán)、支承環(huán)表面，造成相關(guān)間隙變小，加速環(huán)的不均勻磨損，嚴重降低活塞環(huán)、支承環(huán)的使用壽命。
5 對策
?。?）氣缸由無(wú)油潤滑改造為少油潤滑
部分壓縮機改為有油潤滑。原廠(chǎng)家設計的壓縮機活塞環(huán)、支承環(huán)為無(wú)油潤滑，是基于比較理想的工況，如果操作得當是完全可行的。如被壓縮介質(zhì)較為復雜,尤其是自生產(chǎn)的水煤氣、煤焦油、硫化物、水分、粉塵等雜質(zhì)較高，同時(shí)由于各壓縮機長(cháng)期滿(mǎn)負荷運行（部分已超過(guò)設計使用壽命），其氣缸體等重要部件已出現不同程度缺陷。對此，如果工藝條件允許，有選擇地將壓縮機進(jìn)行有油潤滑的改造，以改善氣缸表面、氣缸活塞環(huán)和支承環(huán)的工作環(huán)境，減少磨損，降低停機更換次數。改進(jìn)后效果非常明顯。此項雖然多消耗了潤滑油，但比起由于活塞環(huán)、支承環(huán)過(guò)快磨損而停機更換所造成的損失，還是比較合算的。
?。?）嚴格檢查氣缸體和冷卻器
大修壓縮機時(shí)嚴格檢查氣缸體和冷卻器，及時(shí)發(fā)現氣缸裂紋、結構密封失效等重大缺陷，進(jìn)行徹底修復或更換。也要對冷卻器失效的密封墊片、管板與冷卻管的脹接松動(dòng)以及破損的冷卻水管進(jìn)行徹底修復。
?。?）改造冷卻水管路
循環(huán)使用的冷卻水，水質(zhì)較差、水溫較高，水中雜質(zhì)的存在使壓縮機氣缸及冷卻器換熱效果不佳。把冷卻水管路，由原設計的中間冷卻器串聯(lián)作為各級氣缸進(jìn)水的冷卻方式，改為中間冷卻器、各級氣缸單獨并聯(lián)進(jìn)水，使氣缸的排氣溫度降低了約15℃。同時(shí)也可通過(guò)冷卻器排出水分，降低或避免氣缸的銹蝕。
?。?）增加過(guò)濾器
在各壓縮機進(jìn)氣管前增加過(guò)濾器，解決進(jìn)入氣缸內介質(zhì)含塵、含雜質(zhì)問(wèn)題。
?。?）購買(mǎi)原壓縮機生產(chǎn)廠(chǎng)家的配件
活塞環(huán)、支承環(huán)、填料環(huán)等，必須購買(mǎi)原壓縮機生產(chǎn)廠(chǎng)家的配件。在活塞環(huán)、支承環(huán)安裝前，對其徑向尺寸，按照壓縮機氣缸的實(shí)際使用狀況，進(jìn)行必要的修整處理，盡量延長(cháng)其使用壽命。
?。?）做好巡檢和日常維修工作
對漏水、溫度異常升高等現象，及時(shí)發(fā)現及時(shí)解決?；钊h(huán)、支承環(huán)在裝配過(guò)程中，嚴格控制裝配間隙，確保達到檢修規范的要求。通過(guò)采取以上改造措施，壓縮機活塞環(huán)、支承環(huán)磨損速度大幅降低，使用壽命相應延長(cháng)，平均可以穩定運行8000小時(shí)以上。
6 日常檢修及使用過(guò)程中的注意事項
?。?）檢修及裝配時(shí)一定要保證各部件的清潔，包括進(jìn)口、出口氣閥室并注意各環(huán)的開(kāi)口錯開(kāi)，并不得接近氣閥室，確保無(wú)硬質(zhì)顆粒進(jìn)入密封部位及各密封件位置的合理。對于填充PTFE密封環(huán)的密封效果和壽命來(lái)講，清洗機器內雜物十分必要，常用清洗劑為四氯化碳，必要時(shí)可用軟面團將機器內雜物粘掉。
?。?）嚴格控制各部位的間隙，在額定溫度下，活塞環(huán)與活塞間保證合理的密封間隙和活塞環(huán)開(kāi)口間隙。如果活塞環(huán)在環(huán)槽內的間隙過(guò)小，容易卡死在環(huán)槽內；間隙過(guò)大，則環(huán)在槽內產(chǎn)生敲擊易損壞；而活塞環(huán)的開(kāi)口尺寸大了則串氣，氣缸溫度高，整機效率低；開(kāi)口小了，環(huán)的接口處外脹，產(chǎn)生類(lèi)似抱缸的現象，損壞活塞環(huán)。如果環(huán)槽和缸徑變大可通過(guò)修復環(huán)槽和缸徑，選配合適的活塞環(huán)而得已保證合理的間隙。在此強調一點(diǎn)，所購入的活塞環(huán)應為成品，若間隙不夠可進(jìn)行研磨，決不允許用戶(hù)將購入的整體環(huán)用鋸條按自己的經(jīng)驗鋸開(kāi)口，因為環(huán)的開(kāi)口間隙的作用是在工作溫度下，環(huán)膨脹后接口基本是接合堵死的，所以開(kāi)口間隙很?chē)栏?，如前所計算?/p>
?。?）嚴格控制注油量，對于無(wú)油潤滑的活塞環(huán)，由于可以在活塞環(huán)與氣缸間形成一個(gè)非金屬的潤滑膜來(lái)保證活塞環(huán)的壽命運行；對于有油潤滑來(lái)講，這層潤滑膜就是靠油膜來(lái)形成的，而多油和少油對于理想的潤滑油膜均不利，因而必須嚴格控制注油量。
?。?）氣缸的光潔度應在Ra0.8以上，活塞桿應在Ra0.4以上，光潔度過(guò)高不易形成油膜，還增加了制造成本，如發(fā)現氣缸徑加工粗糙或運行后有圓周方向的環(huán)形臺肩，可用細砂紙或油石沿氣缸軸向研磨，消除缺陷，否則容易造成漏氣和縮短活塞環(huán)的壽命。
?。?）氣缸的冷卻也要控制，設計多在150℃以下，這時(shí)的PTFE的壽命也最長(cháng)，而隨著(zhù)溫度的升高，PTFE在180℃時(shí)也可使用，這時(shí)要考慮膨脹間隙，用先進(jìn)的紅外線(xiàn)測溫儀可以測量出氣缸及各氣閥的溫度變化，如氣閥漏氣造成局部氣缸過(guò)熱，可能對活塞環(huán)的使用造成影響，而活塞環(huán)的磨損細屑又可能造成氣閥密封性的下降，因而當各氣閥溫度達180℃左右時(shí)，宜更換漏氣氣閥，PTFE的最高使用溫度不可以超過(guò)180℃。
?。?）活塞環(huán)出現以下情況之一，需要更新：
?、俸穸龋◤较颍┠p達1mm；
?、诟叨龋ㄝS向）磨損0.2mm；
?、郗h(huán)在環(huán)槽中軸向間隙超過(guò)正常間隙0.06～0.1mm；
?、芑钊h(huán)外表面與氣缸鏡面不能保持應有的緊密配合，不緊密貼合間隙的總長(cháng)超過(guò)氣缸圓周的三分之一；
?、莼钊h(huán)失去彈性。
參考文獻
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