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摘 要：中石化安庆分公司二氧化碳压缩机透平调速器主油缸发生破损现象，拆 解主油缸后发现，油缸内壁及活塞环磨损，密封圈龟裂破损。原活塞环的材料是一种柔韧性非常好的球墨铸铁，改造后用聚四氟乙烯代替。原密封圈是橡胶材料的矩形密封圈，改造后使用进口聚酯材料，将原来的矩形结构也进行了改进。这不仅延长了主油缸的使用寿命，还降低了维修成本，更重要的是摆脱了对国外配件的依赖。
关键字：压缩机；主油缸；活塞环；密封圈；国产化改造
前言
二氧化碳压缩机组是中石化安庆分公司30wt/年尿素装置的心脏设备之一。压缩机采用低压、高压两段离心式压缩机组，驱动端采用由法国SOGET公司制造的抽气注入冷凝式透平，输出功率7600～9185 kW，转速范围6900～7612 r/min，进气压力 0.38MPa。2000年初，对透平调速系统进行了技术改造，采用了美国Parker公司生产的调速器。2012年在装置大检修期间检修解体发现，调速器主油缸损坏，主要问题有内壁及活塞环磨损，密封圈龟裂破损。由于生产时间紧迫，采购配件的周期长，故需要进行国产化改造。
1.存在的问题及分析
主油缸性能的优劣很大一部分取决于其密封性的好坏[1]，可靠的密封可以防止液压油泄露以及外界杂质进入油缸。液压油泄露无论是內泄还是外泄都会对油缸的性能造成影响，有些液压油外泄还会造成环境污染；外界杂质混入油缸的影响更为严重，不仅会导致油缸零件的磨损加速还有可能使得油缸无法正常运转甚至造成事故。
原主油缸上密封圈是材料为氟橡胶的矩形密封圈，活塞环的材料是一种柔韧性非常好的球墨铸铁。拆卸后可以看到缸体内壁有磨损，密封圈发生龟裂磨损，活塞环也已破损，密封效果明显下降，这也是造成主油缸压力不足的主要原因。密封圈的失效不仅有材料问题，还有结构上的不合理，在这种工况下氟橡胶是非常容易发生龟裂磨损的，所以考虑更换密封圈的材料，这种矩形结构密封圈与缸体接触面积大，容易聚留热量导致密封失效，因此密封圈的结构也应加以优化。活塞环的材料是球磨铸铁，当发生磨损或有外界杂质混入时，活塞环与缸体之间的磨损会随之加剧，不仅活塞环会磨损失效，缸体也会被擦伤，从而导致更大的损失，因此考虑更换活塞环的材料。
2.部件国产化改造
2.1密封圈改造
2.1.1密封材料选择
原设备的密封圈为氟橡胶，在检修过程中发现由于长期使用已经发生龟裂磨损，密封效果下降。氟橡胶的老化机制很复杂[2]，为了可以保证密封圈能够有较长的使用寿命，我们决定将密封圈的材料更换。随着材料科学的不断进步，密封材料的选择范围也越来越广，越来越多的新型材料被运用到一些特殊的密封场合，但是在选择材料时不能一味的追求高性能，还应该考虑到一定的经济效益。
橡胶是最常用的密封材料，如丁晴橡胶，氟橡胶，天然橡胶及硅橡胶等[3]，此外，适合用于密封的材料还有聚四氟乙烯、聚酯、石墨及各种密封胶等。聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）具有良好的综合性能，其化学性稳定，力学强度高，电绝缘性好，成型稳定性好，尺寸精度优良而且耐磨，耐腐蚀，耐热[4]，是非常合适的密封材料。密封件在其正常的工作压力和温度范围内，应具有良好的密封性，并能随着压力的变化自动跟踪其密封效果。因为动密封要求密封件与运动件相互运动，所以密封件的摩擦系数要小而且要稳定。密封件经常要与各种液压油接触，因此密封件要具有一定的耐油性和抗腐蚀能力。这些要求PBT都能够满足，因此我们决定密封圈的材料使用PBT。
2.1.2密封结构改造
在机械行业密封方面的研究基本已经趋于完善，我们要做的就是用最经济实惠的方案来满足当前工况要求达到的性能。密封结构有很多种，根据不同的工况要求可以组合出多种密封方式，各个密封方式的针对性各有不同，要选择适合工作要求的密封结构[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，每种密封方式的针对性和复杂程度都不同。
原设备的密封圈是矩形密封圈，为了改善其密封效果，我们决定对其结构作进一步的改进。图1为密封圈结构对比图，我们将原来的矩形截面变成带有凹槽的截面。改造前密封圈与缸体的接触面比较大，在密封圈跟随活塞做往复运动时，密封圈与缸体的摩擦面大容易聚留热量，这样密封圈就会长期处于较高的温度下，从而出现龟裂破损[6]。改造后截面留有凹槽，这样密封圈与缸体的接触面积减少了，从而避免了运动过程中因摩擦发热而导致的密封件损坏，而且凹槽中还可以存储少量的液压油，这样在密封圈与缸体摩擦时可以充当润滑剂，有效提高密封圈的寿命。
2.2活塞环改造
活塞环是主油缸的关键部件，其作用包括密封控油、导热、导向等。为了确保其性能达到要求，活塞环的材料应具备良好的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、强韧性，导热性、适当的弹性及与汽缸材料的磨合性等。所以为了延长活塞环的使用寿命，除了要对活塞环的结构进行优化外，还要合理的选择活塞环的材料。活塞环常用的材料有灰铸铁、球磨铸铁、钢等，但是随着材料科学的不断发展，越来越多的复合材料开始被应用到制作活塞环上，如聚酰亚胺、聚四氟乙烯等[7]。
原设备上活塞环用的是一种柔韧性非常好的球墨铸铁，可是由于是进口设备，配件采购的时间长而且价格昂贵，所以决定对活塞环进行国产化改造。但是由于活塞环的径向厚度与外径的比值较大，一般的球墨铸铁和钢加工后柔韧性又不足，无法安装到活塞槽内，故我们考虑在满足加工要求的条件下使用聚四氟乙烯复合材料。
聚四氟乙烯与铸铁和钢相比主要优点为材料的弹性模量适当，加工后柔韧性好可以满足使用要求；聚四氟乙烯较软，材料摩擦系数小，在活塞做往复运动时可以形成自润滑，减小材料磨损量；容易与缸体镜面贴合，密封效果好。但是聚四氟乙烯与铸铁和钢相比也有一些缺陷，如材料的膨胀系数较大，在预留膨胀间隙时一定要充分考虑这一点，应比金属环的间隙大一点；材料的强度较低，在结构设计时要考虑使用较大截面的活塞环或多个活塞环配合使用；材料的导热性较低，容易在缸体内聚留热量而影响密封[8]。 根据以上对比分析以及具体的工作环境，聚四氟乙烯活塞环基本满足当前的工作要求，而且在很多方面聚四氟乙烯活塞环表现的比球墨铸铁活塞环更加优秀。
3.改造效果
密封圈和活塞环改造完成后，及时的投入到工作中，目前已经使用了两年左右的时间，每个月都对主油缸进行一次检查，到目前为止，主油缸没有出现漏油现象，设备运行良好。球墨铸铁的活塞环不仅加工困难而且价格昂贵，一个球墨铸铁的活塞环要花费上万元，而一个聚四氟乙烯的活塞环只需要几十元。聚四氟乙烯活塞环加工方便，保存不需要苛刻的条件，可以一次性大量采购，大大减少了采购时间。密封圈的改进直接延长了其使用寿命。这次国产化改造大大降低了生产成本，更确保了生产的稳定运行。
4.结语
在很多化工企业中，压缩机完全依赖进口，一旦某些零部件出现问题就非常棘手，原厂家提供的配件不仅价格昂贵，而且不易购买，所以常常因为一些小的问题造成整个流水线停产，造成巨大的经济损失。通过此次的国产化改造，不仅可以为国家节省大量外汇，还为其它进口设备的关键备件国产化改造提供可靠的借鉴。
参考文献：
[1]张利平.液压工程简明手册[M].北京：化学工业出版社，2011.
[2]张晓军，常新龙，张世英，陈顺祥.氟橡胶密封材料的湿热老化机制[J].润滑与密封，2013，38（5）：38-40.
[3]彭兵，肖凤亮，李翔宇.橡胶密封制品[M].北京：化学工业出版社，2009.
[4]吕通建，沈燕侠，安丽平等.新型PBT增韧剂对PBT增韧的研究[J].塑料工业，2004，32（2）：18-20.
[5]战云峰，机械密封的原理及安装检修[J].中国机械，2014，13：92-93.
[6]赵备，液压及密封技术在石油机械中的应用[J].中国机械，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，卢树新.填充聚四氟乙烯活塞环的应用[J].一重技术，2006，1：44-46.
作者简介：
郑国栋（1969—），男，安徽盈创石化检修安装有限公司检修三分公司副经理，工程师。
关键字：压缩机；主油缸；活塞环；密封圈；国产化改造
前言
二氧化碳压缩机组是中石化安庆分公司30wt/年尿素装置的心脏设备之一。压缩机采用低压、高压两段离心式压缩机组，驱动端采用由法国SOGET公司制造的抽气注入冷凝式透平，输出功率7600～9185 kW，转速范围6900～7612 r/min，进气压力 0.38MPa。2000年初，对透平调速系统进行了技术改造，采用了美国Parker公司生产的调速器。2012年在装置大检修期间检修解体发现，调速器主油缸损坏，主要问题有内壁及活塞环磨损，密封圈龟裂破损。由于生产时间紧迫，采购配件的周期长，故需要进行国产化改造。
1.存在的问题及分析
主油缸性能的优劣很大一部分取决于其密封性的好坏[1]，可靠的密封可以防止液压油泄露以及外界杂质进入油缸。液压油泄露无论是內泄还是外泄都会对油缸的性能造成影响，有些液压油外泄还会造成环境污染；外界杂质混入油缸的影响更为严重，不仅会导致油缸零件的磨损加速还有可能使得油缸无法正常运转甚至造成事故。
原主油缸上密封圈是材料为氟橡胶的矩形密封圈，活塞环的材料是一种柔韧性非常好的球墨铸铁。拆卸后可以看到缸体内壁有磨损，密封圈发生龟裂磨损，活塞环也已破损，密封效果明显下降，这也是造成主油缸压力不足的主要原因。密封圈的失效不仅有材料问题，还有结构上的不合理，在这种工况下氟橡胶是非常容易发生龟裂磨损的，所以考虑更换密封圈的材料，这种矩形结构密封圈与缸体接触面积大，容易聚留热量导致密封失效，因此密封圈的结构也应加以优化。活塞环的材料是球磨铸铁，当发生磨损或有外界杂质混入时，活塞环与缸体之间的磨损会随之加剧，不仅活塞环会磨损失效，缸体也会被擦伤，从而导致更大的损失，因此考虑更换活塞环的材料。
2.部件国产化改造
2.1密封圈改造
2.1.1密封材料选择
原设备的密封圈为氟橡胶，在检修过程中发现由于长期使用已经发生龟裂磨损，密封效果下降。氟橡胶的老化机制很复杂[2]，为了可以保证密封圈能够有较长的使用寿命，我们决定将密封圈的材料更换。随着材料科学的不断进步，密封材料的选择范围也越来越广，越来越多的新型材料被运用到一些特殊的密封场合，但是在选择材料时不能一味的追求高性能，还应该考虑到一定的经济效益。
橡胶是最常用的密封材料，如丁晴橡胶，氟橡胶，天然橡胶及硅橡胶等[3]，此外，适合用于密封的材料还有聚四氟乙烯、聚酯、石墨及各种密封胶等。聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）具有良好的综合性能，其化学性稳定，力学强度高，电绝缘性好，成型稳定性好，尺寸精度优良而且耐磨，耐腐蚀，耐热[4]，是非常合适的密封材料。密封件在其正常的工作压力和温度范围内，应具有良好的密封性，并能随着压力的变化自动跟踪其密封效果。因为动密封要求密封件与运动件相互运动，所以密封件的摩擦系数要小而且要稳定。密封件经常要与各种液压油接触，因此密封件要具有一定的耐油性和抗腐蚀能力。这些要求PBT都能够满足，因此我们决定密封圈的材料使用PBT。
2.1.2密封结构改造
在机械行业密封方面的研究基本已经趋于完善，我们要做的就是用最经济实惠的方案来满足当前工况要求达到的性能。密封结构有很多种，根据不同的工况要求可以组合出多种密封方式，各个密封方式的针对性各有不同，要选择适合工作要求的密封结构[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，每种密封方式的针对性和复杂程度都不同。
原设备的密封圈是矩形密封圈，为了改善其密封效果，我们决定对其结构作进一步的改进。图1为密封圈结构对比图，我们将原来的矩形截面变成带有凹槽的截面。改造前密封圈与缸体的接触面比较大，在密封圈跟随活塞做往复运动时，密封圈与缸体的摩擦面大容易聚留热量，这样密封圈就会长期处于较高的温度下，从而出现龟裂破损[6]。改造后截面留有凹槽，这样密封圈与缸体的接触面积减少了，从而避免了运动过程中因摩擦发热而导致的密封件损坏，而且凹槽中还可以存储少量的液压油，这样在密封圈与缸体摩擦时可以充当润滑剂，有效提高密封圈的寿命。
2.2活塞环改造
活塞环是主油缸的关键部件，其作用包括密封控油、导热、导向等。为了确保其性能达到要求，活塞环的材料应具备良好的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、强韧性，导热性、适当的弹性及与汽缸材料的磨合性等。所以为了延长活塞环的使用寿命，除了要对活塞环的结构进行优化外，还要合理的选择活塞环的材料。活塞环常用的材料有灰铸铁、球磨铸铁、钢等，但是随着材料科学的不断发展，越来越多的复合材料开始被应用到制作活塞环上，如聚酰亚胺、聚四氟乙烯等[7]。
原设备上活塞环用的是一种柔韧性非常好的球墨铸铁，可是由于是进口设备，配件采购的时间长而且价格昂贵，所以决定对活塞环进行国产化改造。但是由于活塞环的径向厚度与外径的比值较大，一般的球墨铸铁和钢加工后柔韧性又不足，无法安装到活塞槽内，故我们考虑在满足加工要求的条件下使用聚四氟乙烯复合材料。
聚四氟乙烯与铸铁和钢相比主要优点为材料的弹性模量适当，加工后柔韧性好可以满足使用要求；聚四氟乙烯较软，材料摩擦系数小，在活塞做往复运动时可以形成自润滑，减小材料磨损量；容易与缸体镜面贴合，密封效果好。但是聚四氟乙烯与铸铁和钢相比也有一些缺陷，如材料的膨胀系数较大，在预留膨胀间隙时一定要充分考虑这一点，应比金属环的间隙大一点；材料的强度较低，在结构设计时要考虑使用较大截面的活塞环或多个活塞环配合使用；材料的导热性较低，容易在缸体内聚留热量而影响密封[8]。 根据以上对比分析以及具体的工作环境，聚四氟乙烯活塞环基本满足当前的工作要求，而且在很多方面聚四氟乙烯活塞环表现的比球墨铸铁活塞环更加优秀。
3.改造效果
密封圈和活塞环改造完成后，及时的投入到工作中，目前已经使用了两年左右的时间，每个月都对主油缸进行一次检查，到目前为止，主油缸没有出现漏油现象，设备运行良好。球墨铸铁的活塞环不仅加工困难而且价格昂贵，一个球墨铸铁的活塞环要花费上万元，而一个聚四氟乙烯的活塞环只需要几十元。聚四氟乙烯活塞环加工方便，保存不需要苛刻的条件，可以一次性大量采购，大大减少了采购时间。密封圈的改进直接延长了其使用寿命。这次国产化改造大大降低了生产成本，更确保了生产的稳定运行。
4.结语
在很多化工企业中，压缩机完全依赖进口，一旦某些零部件出现问题就非常棘手，原厂家提供的配件不仅价格昂贵，而且不易购买，所以常常因为一些小的问题造成整个流水线停产，造成巨大的经济损失。通过此次的国产化改造，不仅可以为国家节省大量外汇，还为其它进口设备的关键备件国产化改造提供可靠的借鉴。
参考文献：
[1]张利平.液压工程简明手册[M].北京：化学工业出版社，2011.
[2]张晓军，常新龙，张世英，陈顺祥.氟橡胶密封材料的湿热老化机制[J].润滑与密封，2013，38（5）：38-40.
[3]彭兵，肖凤亮，李翔宇.橡胶密封制品[M].北京：化学工业出版社，2009.
[4]吕通建，沈燕侠，安丽平等.新型PBT增韧剂对PBT增韧的研究[J].塑料工业，2004，32（2）：18-20.
[5]战云峰，机械密封的原理及安装检修[J].中国机械，2014，13：92-93.
[6]赵备，液压及密封技术在石油机械中的应用[J].中国机械，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，卢树新.填充聚四氟乙烯活塞环的应用[J].一重技术，2006，1：44-46.
作者简介：
郑国栋（1969—），男，安徽盈创石化检修安装有限公司检修三分公司副经理，工程师。