碳環密封的結構和應用
2024-07-31
碳環密封屬于非接觸式密封裝置，是浮環密封的一種形式 。其結構如圖1所示。碳環密封的工作原理與浮環密封相同，不同的是其浮環材料采用非金屬石墨環材料 。碳環密封的結構包括環形密封腔和環形軸套(軸套也可不使用)。密封腔內至少裝有兩個截面為矩形的環形石墨密封環(也叫碳環 )，通過控制碳環內徑與環形軸套之間的間隙來達到密封效果 。碳環和軸之間的單邊間隙通常取為3-10μm，密封介質可以為空氣、N2、CO2、氨氣等。
一、碳環
碳環相當于浮環密封中的動環，材質為炭精 。碳環材料按照JB/T9580規定分兩類：機械用碳類和特種石墨類 。機械用碳類碳環采用的浸漬物為環氧樹脂、酚醛樹脂、巴氏合金、鋁合金、銅合金等。特種石墨類碳環主要采用硅作為浸漬物，硬度較大。
碳環應做水壓試驗，持續10min不得有滲漏 。碳環加工不允許有裂紋、氧化、分層、貫穿性麻點等缺陷。碳環結構可以為整體式，也可以為分瓣式，常見的為三瓣式。碳環結構如圖2所示，其中圖2(a)為整體式碳環結構，安裝方式為從軸向安裝。圖2(b)為三瓣式碳環結構，安裝時用彈簧箍在一起，安裝在密封腔體內。圖2(c)是多瓣式碳環結構 [1]，切割成多段的密封圈合圍成一個圓環，被切割的每段密封環的切口為斜切口，且每段切口是沿著同一方向進行平均切割，斜切口的切線為密封環內圓周的圓周切線，保證密封環在磨損之后碳環沿著斜切口向內滑移貼近軸套。使密封間隙保持不變。圖2(d)為具有自動補償能力的無間隙碳環形式，其作用原理與圖2(c)相似，均利用碳環圓周槽上的碳環實現碳環的自動補償。
碳環的肖氏硬度為459OHS。碳環在高溫高壓下與旋轉軸接觸容易導致軸的疲勞磨損 ，因此經常在軸外設置軸套 。并將軸套接觸表面進行硬度處理，涂三氧化二鋁或者三氧化二鉻，或者采用純鉻涂層 。當轉速和壓力不高時。可直接對軸表面進行涂層處理，以提高軸的接觸硬度，達到保護旋轉軸的目的。軸套外表面涂有耐磨層，涂層材料一般為三氧化二鋁或 三氧化二鉻 。碳環密封用于密封易燃、易爆、有毒等有害氣體時，密封腔內可以充入緩沖氣，通常為惰性氣體氮氣，以保證氣體的零泄漏。碳環在一120℃時因本身的自潤性降低，影響與軸的配合，會降低密封效果。專利 CN202001607U介紹了一種可用于低溫密封的碳環結構，主要是在碳環密封座的外圓周上添加鋁制(也可為銅制)的加熱環，用抱箍和螺栓對加熱環進行固定，加熱環內布有電加熱管線，與外部加熱控制電源相連，通過溫控儀控制整個密封的使用溫度 。
二 、碳環加工方法
流體在通過碳環密封時是通過逐級節流降壓實現密封的，故在碳環組裝前通過人工研刮碳環內徑來控制其與主軸的間隙，使間隙在技術要求數值范圍內。碳環有一定的硬度，新備件碳環留有加工余量，多采用機加工來替代人工研刮，以提高加工精度。整體式碳環的加工精度可通過控制加工速度、進刀量和加強冷卻的方法來保證。對于分瓣式碳環需要采用專用工裝才能保證加工精度。專用工裝應保證精度定位與設計基準重合。夾緊力與支撐點要對應 。
三、碳環徑向對中裝置
在軸未啟動時，由于重力作用碳環會與軸接觸，而在軸下方形成月牙形間 隙氣膜。當軸啟動時，氣膜的壓力會使碳環浮起 ，使之趨向于與軸同心 ?？臻g間隙小，流體動壓力就小， 自動趨向軸心的能力就較差，因而大多采用橡膠O形圈進行定位。O形圈既不會影響楔形氣膜的形成，又減少了碳環在靜態下的偏心度，同時也減少了泄漏量。O形圈也可以用彈簧、壓簧等來代替。碳環在壓簧的作用下，當密封氣的壓力降低時碳環仍可以保持對正中心位置。碳環在外徑圓上開槽以便于其與O形圈進行裝配，或者直接 與壓簧過盈配合。碳環及其對中結構如圖3所示 。
四 、碳環軸向對中裝置
旋轉軸在工作狀態下會發生軸向竄動，這就要求碳環在軸向方向具有一定的彈性位移。在工程應用中通常采用以下方式來進行軸向定位：一是采用 彈簧進行軸向安裝定位；二是采用具有彈性變形的波形彈簧進行軸向定位 ；三是當形成的氣膜較碳環承受的壓力大時，為防止碳環發生徑向旋轉，在碳環端面上開設溝槽，設置防轉銷。碳環定位裝置結構如圖4所示 。
五、碳環密封性能試驗
碳環密封所用的試驗臺如圖5所示。碳環密封應進行靜態密封試驗和動態密封試驗。在進行密封試驗后應檢查密封件。若出現碳環接觸磨損、機械疲 勞及熱疲勞(例如磨損、熱裂)，或者試驗過程中出現碳環座溫度明顯上升，則認為碳環密封不合格 。
試驗儀表：金屬管浮子流量計或玻璃轉子流量計，精度為1.6；流量 、壓力、差壓變送器，精度為量程的5％。
5.1 靜態密封試驗 靜態密封試驗是將軸保持不動，分步逐漸增大密封壓力至最大靜態壓力P，然后依次減壓為 75％P、50％P、25％P，在 每個壓力下保壓并穩定一定時間(3-5min)，記錄密封靜態泄漏量。
5.2 動態密封試驗 按步驟進行動態密封試驗 。首先 ，將軸的轉速逐漸增加到最大連續轉速，在每個轉速階段穩定3-5min，記錄密封泄漏量。其次，將轉速增加到跳車轉速(約為最大連續轉速的110％)，穩定運行15min，且每隔5min記錄數據一次。再次，將轉速降低到最大連續轉速。穩定運轉60min，每隔5min記錄試驗數據一次。然 后把轉速降到零，把壓力降到最小密封壓力。之后再增速到最大連續轉速，按照靜態密封試驗進行加壓。每階段穩定2min并記錄數據。動態密封試驗的泄漏量應小于規定的最大泄漏量 。
六、集裝式碳環密封
碳環密封多為集裝式整體結構，在高壓 、高轉速下多采用多級碳環串聯使用。碳環安裝在碳環座內，在拆卸的過程中需要使用專門的拆卸工裝將碳環密封取下。專利CN201377410Y介紹了一種用于空壓機碳環密封的拆卸工裝——撬桿，具體結構如圖6所示。利用撬桿與碳環及密封座的接觸面為支撐，可很方便地進行碳環密封的拆卸 。
當密封介質為工藝介質時，碳環座應采用具有抗腐蝕性的材料。碳環密封可以用于氣封和油封。碳環密封的設計壽命多為5年，但是在化工流程中多在大修的時候(3年)更換密封，即使碳環密封仍然滿足使用要求也要更換。碳環密封在安裝時應保證密封腔內沒有雜質、固體顆粒等，避免在高速運轉下劃傷碳環 。
七、應用場合
碳環密封因其結構簡單、維修方便，不需要復雜的潤滑冷卻系統。可以避免油、水等對氣體的污染，且多組碳環并列使用可以有效地密封高壓氣體，故得到了廣泛的應用。碳環密封主要應用于石油化工、冶金等設備的軸端密封。也可應用于汽輪機、風機、發電機、壓縮機、透平機等機組作為級間密封，其使用溫度在一120-500℃之間。
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