【壓縮機網】引言

　　活塞式壓縮機活塞環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。當活塞環安裝在氣缸內時，由于環本身的彈性，產生定比壓P0，使環緊貼在氣缸工作面上。當壓縮機工作時，活塞環上部受氣體壓力P1作用，環的下部受P2作用，形成了壓力差，使環推向壓力較低一側并緊貼在環槽端面上，封住了氣體沿環槽端面的泄漏。作用在活塞環內圓表面的壓力，可近似認為等于P0，此壓力大于作用在活塞環外圓表面上的平均壓力所形成的壓力，有時遠比環本身比壓大得多，它使活塞環進一步緊貼在氣缸工作面上，從而堵住問隙，活塞環的密封主要靠氣體壓力的作用。因此，環本身的比壓作用也是關鍵的。假使活塞環的本身彈力消失，即開始活塞環與氣缸工作面間出現間隙，氣體可直接由此短路漏出?；钊h下部壓力就會接近或等于P，此時密封失效。

　　對于無油潤滑壓縮機用的填充聚四氟乙烯活塞環，有時需加金屬張力環，即在活塞環內圓表面套上一個金屬環以增加比壓。由于一般的活塞環都具有切口,氣體可通過切口泄漏，加之氣缸和活塞環槽與環端面的幾何誤差，這些也是造成泄漏的因素。所以必須采用多道活塞環，通過一道活塞環阻止氣體泄漏是不可能的，通過多道環產生的節流作用，以達到減少泄漏的目的。

　　活塞環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常見的故障有：（1）活塞環斷裂；（2）活塞環漲死，失去彈性，不能自由膨脹?；钊h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損壞或者漲死時，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活塞環竄入軸側（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活塞環在互竄，使該級的排氣壓力下降，壓縮機的排氣量也隨之下降。本文通過案例詳細分析活塞環的使用情況及磨損過快原因，并提出相應對策。

　　1 案例分析

　?。?）某廠新氫活塞式壓縮機機C302/A-D是引進國外技術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℃。經現場測溫儀對前3、后3級所有氣閥溫度檢測后發現：后3級入口兩個氣閥差不多，而且溫度也不高，說明入口氣閥沒有問題。出口2個氣閥溫度也差不多，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、軸側兩個排氣閥同時損壞的可能性較??；又發現后3級氣缸氣流聲比較大。因此初步判斷為：后3級活塞環密封失效，要停機檢修。

　　經拆開檢查之后，后3級所有12根活塞環全部斷裂，其中有一根活塞環的阻流環斷裂10cm左右，12根活塞環基本上都不起作用。造成壓縮氣體在活塞環上互竄，使蓋、軸側兩只排氣閥溫度同時上升。

　?。?）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，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。

　　經現場測溫儀對1級各個氣閥溫度檢測后發現：入口氣閥溫度正常，出口4只氣閥溫度都差不多，但平均比正常時都高20～25℃左右。因為介質比較干凈所以4個出口氣閥同時損壞可能性較小。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：活塞環脹死，失去彈性不能起密封作用，要停機檢修。

　　經拆開檢查之后，未發現任何一根活塞環斷裂，但活塞環與槽之間臟物很多，活塞環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 活塞環的密封原理

　　以活塞環為例，如圖1所示，活塞環的開口使其產生彈力，而貼向氣缸鏡面?；钊h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，即密封了氣體沿環槽端面的泄露；當壓力P沿活塞與氣缸壁之間通過時，把槽內的活塞環推向一側，壓力P通過活塞環與環槽之間的間隙進入到環的背部，在環槽的底部對環形成背壓力P3，將活塞環的外徑壓向氣缸壁，活塞環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環的開口及活塞環的兩端面在環槽內與槽兩側壁面周期緊貼的瞬間產生泄露P2，所以活塞環不能只設一道。

　　單作用時，受力側第一道環受的的壓力差最大，磨損的也最快。雙作用時首尾兩環所承受的壓差最大，之后各環形成降壓節流。

　　實驗和實踐證明，氣體在第一道環中的節流壓差是相當大的，如果氣缸內壓力為P時，在第一道環背隙處的徑向壓力已節流至80～85%P，如果以三道環作為密封環系，則經第一道環的節流，壓力降至氣缸內氣體壓力的26%；經第二道環的節流，壓力降至氣缸內氣體壓力的10%；經第三道環的節流，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）對兩道環及六道環在不同轉速下所做的試驗表明：

　?。?）活塞環的密封作用，主要由前三道環所承受，低轉速時，第一、二道環承擔比例接近；高轉速時，第一道環承擔了絕大部分壓差；

　?。?）第四道，尤其第五道環的作用幾乎等于零，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“單位時間泄漏量”。當高轉速時，單位時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程的時間愈短，故在相同的總壓差時，泄漏至第一道環后的氣體量也就愈少，因此導致第一道至第二道環間的氣體量愈少，因之其壓力也愈低，所以節流效應更為顯著。

　　因此，無論節流及阻塞的奏效，以及泄漏量的微小，都顯示了活塞環作為密封件的可靠性。

　　3 活塞環的結構及參數特性

　　活塞環的開口，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顯著的區別，但搭口的工藝性要復雜，而且環端在安裝和使用中均易斷裂，因此盡量不采用，非金屬材料環的密封壓差一般不超過2.5MPa，且非金屬材料密封環強度較低，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。

　　實際使用過程中的活塞環如果出現易損不能達到使用要求時，一般從如下幾點進行核對：

　?。?）材質及制坯：鑄鐵環通常用灰鑄鐵和合金鑄鐵，而選用起來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，且同一環上，硬度差應小于5個單位，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境及參數加以嚴格控制，有時雖是同一種品名的材料，但廠家所用規格不同，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、出爐溫度甚至當時的空氣溫度和環境溫度均有關系；如果采用的壓力大，則制品密度大，線脹系數低，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量。

　?。?）活塞環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。而對于活塞環的外觀結構及公差要求，表面不得有裂紋、氣孔夾雜物疏松等鑄造缺陷，環的兩端面及外圓柱面不得有劃痕，做驗光檢測時，整個圓周上漏光不得多于兩處，最長不超過25°弧長，總長不超過45°弧長，且距離鎖口不小于30°弧長。

　?。?）開口熱間隙：

　　σ=απD（t2-t1）mm

　　D—活塞環外徑，mm；

　　t2—活塞環工作溫度，通常取排氣溫度，℃；

　　T1—檢驗尺寸時活塞環本身的溫度，通常取20℃；

　　α—活塞環的線脹系數（1/℃），鑄鐵α=1.1×10-5（1/℃），聚四氟乙烯α=（100～120）×10-6（1/℃）；

　?。?）自由開口度

　　A=7.08D(D/t-1)3 pk/E

　　pk—活塞環的比壓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。當氣缸內發現液相水分時，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及冷卻水管破損。

　?。?）被壓縮介質含水

　　濕度較高地區的氣體，在進入氣缸冷卻效果較好的壓縮機時會降溫，溫度下降到進氣壓力條件下的露點溫度以下，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，要求氣體進入氣缸后溫度不能過低，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，保證氣體進入氣缸后溫度高于其進入氣缸后該壓力下的露點溫度。按經驗，一般應使氣缸冷卻水排水溫度高于氣體進氣溫度4～5℃。

　?。?）活塞環和支承環的材料選擇不當

　　試驗表明，對同一種對磨的金屬材料，不同的介質對于同一種配方的填充聚四氟乙烯環，其磨損因子不同；對于同一種介質，不同的對磨金屬材料對同一種配方的填充聚四氟乙烯環，磨損因子也不同。因此，壓縮機制造廠家在進行產品設計時，是根據被壓縮的介質及氣缸或氣缸套的材料來選擇對應配方的。所以在購買填充聚四氟乙烯備件時，應直接向壓縮機生產廠家購買。這樣才能保證所購的活塞環、支承環配件與壓縮介質及氣缸材料相匹配，最大限度降低磨損。

　?。?）工作溫度過高

　　冷卻器冷卻效果差，造成某級或各級氣缸進氣溫度高于設計值。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程出現加熱而使缸內溫度升高。某級氣缸的進、排氣閥門泄漏。排氣閥門如泄漏量較小，必須進行滲漏檢查。如泄漏量較大，會引起次一級氣缸排氣壓力升高，如III級排氣閥門泄漏，則II級的排氣壓力就會升高，通過儀表可以發現。

　?。?）活塞環或支承環與氣缸壁脹死

　　活塞環和支承環脹死一般在工作中受熱膨脹發生，常溫狀態下安裝和拆卸時無法發現?；钊h的切口安裝間隙，是按設計工作溫度下圓周方向的伸長量來確定的。支承環與氣缸壁的徑向間隙則是根據支承環在設計工作溫度下的徑向膨脹量來確定的，因此支承環與氣缸壁的間隙不能隨意改小。一般生產廠家提供給用戶的技術文件和圖紙中都有間隙要求。如果購買的活塞環和支承環在配方和質量上與原配方有差異，其熱脹系數也會不同。因此，應盡量購買原壓縮機制造廠家配套提供的活塞環和支承環，不得已要購買其他廠的產品時，應要求該生產廠家提供該環材料的熱脹系數。在安裝時應重新復驗和計算活塞環的切口安裝間隙和支承環的徑向間隙。如果生產廠家不能提供數據，則無法通過復算確定安裝間隙。這也表明該生產廠家可能只是簡單復制配件，而不具備提供以上熱膨脹系數的能力，不應采購該廠家的配件。

　　活塞環和支承環在氣缸內脹死會使其迅速失效，這時與氣缸壁接觸部分的比壓大大高于正常運轉時的比壓。由于比壓增大，活塞環、支承環與缸壁間的摩擦力也增加。一般情況下，壓縮機活塞運轉時的線速度都在3.6m/s左右，活塞環、支承環與氣缸壁間的接觸溫度會急劇上升，使其快速磨損。

　?。?）被壓縮介質過臟

　　被壓縮氣體如果含有過多的粉塵、金屬粉末、非金屬纖維和水分等雜質，一旦進入氣缸，就會有一部分雜質黏附甚至嵌入活塞環、支承環表面，造成相關間隙變小，加速環的不均勻磨損，嚴重降低活塞環、支承環的使用壽命。

　　5 對策

　?。?）氣缸由無油潤滑改造為少油潤滑

　　部分壓縮機改為有油潤滑。原廠家設計的壓縮機活塞環、支承環為無油潤滑，是基于比較理想的工況，如果操作得當是完全可行的。如被壓縮介質較為復雜,尤其是自生產的水煤氣、煤焦油、硫化物、水分、粉塵等雜質較高，同時由于各壓縮機長期滿負荷運行（部分已超過設計使用壽命），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行有油潤滑的改造，以改善氣缸表面、氣缸活塞環和支承環的工作環境，減少磨損，降低停機更換次數。改進后效果非常明顯。此項雖然多消耗了潤滑油，但比起由于活塞環、支承環過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

　　大修壓縮機時嚴格檢查氣缸體和冷卻器，及時發現氣缸裂紋、結構密封失效等重大缺陷，進行徹底修復或更換。也要對冷卻器失效的密封墊片、管板與冷卻管的脹接松動以及破損的冷卻水管進行徹底修復。

　?。?）改造冷卻水管路

　　循環使用的冷卻水，水質較差、水溫較高，水中雜質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作為各級氣缸進水的冷卻方式，改為中間冷卻器、各級氣缸單獨并聯進水，使氣缸的排氣溫度降低了約15℃。同時也可通過冷卻器排出水分，降低或避免氣缸的銹蝕。

　?。?）增加過濾器

　　在各壓縮機進氣管前增加過濾器，解決進入氣缸內介質含塵、含雜質問題。

　?。?）購買原壓縮機生產廠家的配件

　　活塞環、支承環、填料環等，必須購買原壓縮機生產廠家的配件。在活塞環、支承環安裝前，對其徑向尺寸，按照壓縮機氣缸的實際使用狀況，進行必要的修整處理，盡量延長其使用壽命。

　?。?）做好巡檢和日常維修工作

　　對漏水、溫度異常升高等現象，及時發現及時解決?；钊h、支承環在裝配過程中，嚴格控制裝配間隙，確保達到檢修規范的要求。通過采取以上改造措施，壓縮機活塞環、支承環磨損速度大幅降低，使用壽命相應延長，平均可以穩定運行8000小時以上。

　　6 日常檢修及使用過程中的注意事項

　?。?）檢修及裝配時一定要保證各部件的清潔，包括進口、出口氣閥室并注意各環的開口錯開，并不得接近氣閥室，確保無硬質顆粒進入密封部位及各密封件位置的合理。對于填充PTFE密封環的密封效果和壽命來講，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，活塞環與活塞間保證合理的密封間隙和活塞環開口間隙。如果活塞環在環槽內的間隙過小，容易卡死在環槽內；間隙過大，則環在槽內產生敲擊易損壞；而活塞環的開口尺寸大了則串氣，氣缸溫度高，整機效率低；開口小了，環的接口處外脹，產生類似抱缸的現象，損壞活塞環。如果環槽和缸徑變大可通過修復環槽和缸徑，選配合適的活塞環而得已保證合理的間隙。在此強調一點，所購入的活塞環應為成品，若間隙不夠可進行研磨，決不允許用戶將購入的整體環用鋸條按自己的經驗鋸開口，因為環的開口間隙的作用是在工作溫度下，環膨脹后接口基本是接合堵死的，所以開口間隙很嚴格，如前所計算。

　?。?）嚴格控制注油量，對于無油潤滑的活塞環，由于可以在活塞環與氣缸間形成一個非金屬的潤滑膜來保證活塞環的壽命運行；對于有油潤滑來講，這層潤滑膜就是靠油膜來形成的，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，光潔度過高不易形成油膜，還增加了制造成本，如發現氣缸徑加工粗糙或運行后有圓周方向的環形臺肩，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的壽命。

　?。?）氣缸的冷卻也要控制，設計多在150℃以下，這時的PTFE的壽命也最長，而隨著溫度的升高，PTFE在180℃時也可使用，這時要考慮膨脹間隙，用先進的紅外線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熱，可能對活塞環的使用造成影響，而活塞環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，宜更換漏氣氣閥，PTFE的最高使用溫度不可以超過180℃。

　?。?）活塞環出現以下情況之一，需要更新：

　?、俸穸龋◤较颍┠p達1mm；

　?、诟叨龋ㄝS向）磨損0.2mm；

　?、郗h在環槽中軸向間隙超過正常間隙0.06～0.1mm；

　?、芑钊h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超過氣缸圓周的三分之一；

　?、莼钊h失去彈性。

　　參考文獻

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