碳環(huán)密封的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

碳環(huán)密封屬于非接觸式密封裝置，是浮環(huán)密封的一種形式 。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。碳環(huán)密封的工作原理與浮環(huán)密封相同，不同的是其浮環(huán)材料采用非金屬石墨環(huán)材料 。碳環(huán)密封的結(jié)構(gòu)包括環(huán)形密封腔和環(huán)形軸套(軸套也可不使用)。密封腔內(nèi)至少裝有兩個(gè)截面為矩形的環(huán)形石墨密封環(huán)(也叫碳環(huán) )，通過(guò)控制碳環(huán)內(nèi)徑與環(huán)形軸套之間的間隙來(lái)達(dá)到密封效果 。碳環(huán)和軸之間的單邊間隙通常取為3-10μm，密封介質(zhì)可以為空氣、N₂、CO₂、氨氣等。

一、碳環(huán)

碳環(huán)相當(dāng)于浮環(huán)密封中的動(dòng)環(huán)，材質(zhì)為炭精 。碳環(huán)材料按照J(rèn)B/T9580規(guī)定分兩類(lèi)：機(jī)械用碳類(lèi)和特種石墨類(lèi) 。機(jī)械用碳類(lèi)碳環(huán)采用的浸漬物為環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、巴氏合金、鋁合金、銅合金等。特種石墨類(lèi)碳環(huán)主要采用硅作為浸漬物，硬度較大。

碳環(huán)應(yīng)做水壓試驗(yàn)，持續(xù)10min不得有滲漏 。碳環(huán)加工不允許有裂紋、氧化、分層、貫穿性麻點(diǎn)等缺陷。碳環(huán)結(jié)構(gòu)可以為整體式，也可以為分瓣式，常見(jiàn)的為三瓣式。碳環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中圖2(a)為整體式碳環(huán)結(jié)構(gòu)，安裝方式為從軸向安裝。圖2(b)為三瓣式碳環(huán)結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)用彈簧箍在一起，安裝在密封腔體內(nèi)。圖2(c)是多瓣式碳環(huán)結(jié)構(gòu) [1]，切割成多段的密封圈合圍成一個(gè)圓環(huán)，被切割的每段密封環(huán)的切口為斜切口，且每段切口是沿著同一方向進(jìn)行平均切割，斜切口的切線為密封環(huán)內(nèi)圓周的圓周切線，保證密封環(huán)在磨損之后碳環(huán)沿著斜切口向內(nèi)滑移貼近軸套。使密封間隙保持不變。圖2(d)為具有自動(dòng)補(bǔ)償能力的無(wú)間隙碳環(huán)形式，其作用原理與圖2(c)相似，均利用碳環(huán)圓周槽上的碳環(huán)實(shí)現(xiàn)碳環(huán)的自動(dòng)補(bǔ)償。

碳環(huán)的肖氏硬度為459OHS。碳環(huán)在高溫高壓下與旋轉(zhuǎn)軸接觸容易導(dǎo)致軸的疲勞磨損 ，因此經(jīng)常在軸外設(shè)置軸套 。并將軸套接觸表面進(jìn)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(dāng)轉(zhuǎn)速和壓力不高時(shí)?？芍苯訉?duì)軸表面進(jìn)行涂層處理，以提高軸的接觸硬度，達(dá)到保護(hù)旋轉(zhuǎn)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(huán)密封用于密封易燃、易爆、有毒等有害氣體時(shí)，密封腔內(nèi)可以充入緩沖氣，通常為惰性氣體氮?dú)?，以保證氣體的零泄漏。碳環(huán)在一120℃時(shí)因本身的自潤(rùn)性降低，影響與軸的配合，會(huì)降低密封效果。專(zhuān)利 CN202001607U介紹了一種可用于低溫密封的碳環(huán)結(jié)構(gòu)，主要是在碳環(huán)密封座的外圓周上添加鋁制(也可為銅制)的加熱環(huán)，用抱箍和螺栓對(duì)加熱環(huán)進(jìn)行固定，加熱環(huán)內(nèi)布有電加熱管線，與外部加熱控制電源相連，通過(guò)溫控儀控制整個(gè)密封的使用溫度 。

二 、碳環(huán)加工方法

流體在通過(guò)碳環(huán)密封時(shí)是通過(guò)逐級(jí)節(jié)流降壓實(shí)現(xiàn)密封的，故在碳環(huán)組裝前通過(guò)人工研刮碳環(huán)內(nèi)徑來(lái)控制其與主軸的間隙，使間隙在技術(shù)要求數(shù)值范圍內(nèi)。碳環(huán)有一定的硬度，新備件碳環(huán)留有加工余量，多采用機(jī)加工來(lái)替代人工研刮，以提高加工精度。整體式碳環(huán)的加工精度可通過(guò)控制加工速度、進(jìn)刀量和加強(qiáng)冷卻的方法來(lái)保證。對(duì)于分瓣式碳環(huán)需要采用專(zhuān)用工裝才能保證加工精度。專(zhuān)用工裝應(yīng)保證精度定位與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合。夾緊力與支撐點(diǎn)要對(duì)應(yīng) 。

三、碳環(huán)徑向?qū)χ醒b置

在軸未啟動(dòng)時(shí)，由于重力作用碳環(huán)會(huì)與軸接觸，而在軸下方形成月牙形間 隙氣膜。當(dāng)軸啟動(dòng)時(shí)，氣膜的壓力會(huì)使碳環(huán)浮起 ，使之趨向于與軸同心 ?？臻g間隙小，流體動(dòng)壓力就小， 自動(dòng)趨向軸心的能力就較差，因而大多采用橡膠O形圈進(jìn)行定位。O形圈既不會(huì)影響楔形氣膜的形成，又減少了碳環(huán)在靜態(tài)下的偏心度，同時(shí)也減少了泄漏量。O形圈也可以用彈簧、壓簧等來(lái)代替。碳環(huán)在壓簧的作用下，當(dāng)密封氣的壓力降低時(shí)碳環(huán)仍可以保持對(duì)正中心位置。碳環(huán)在外徑圓上開(kāi)槽以便于其與O形圈進(jìn)行裝配，或者直接 與壓簧過(guò)盈配合。碳環(huán)及其對(duì)中結(jié)構(gòu)如圖3所示 。

四 、碳環(huán)軸向?qū)χ醒b置

旋轉(zhuǎn)軸在工作狀態(tài)下會(huì)發(fā)生軸向竄動(dòng)，這就要求碳環(huán)在軸向方向具有一定的彈性位移。在工程應(yīng)用中通常采用以下方式來(lái)進(jìn)行軸向定位：一是采用 彈簧進(jìn)行軸向安裝定位；二是采用具有彈性變形的波形彈簧進(jìn)行軸向定位 ；三是當(dāng)形成的氣膜較碳環(huán)承受的壓力大時(shí)，為防止碳環(huán)發(fā)生徑向旋轉(zhuǎn)，在碳環(huán)端面上開(kāi)設(shè)溝槽，設(shè)置防轉(zhuǎn)銷(xiāo)。碳環(huán)定位裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示 。

五、碳環(huán)密封性能試驗(yàn)

碳環(huán)密封所用的試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示。碳環(huán)密封應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)密封試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)。在進(jìn)行密封試驗(yàn)后應(yīng)檢查密封件。若出現(xiàn)碳環(huán)接觸磨損、機(jī)械疲 勞及熱疲勞(例如磨損、熱裂)，或者試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)碳環(huán)座溫度明顯上升，則認(rèn)為碳環(huán)密封不合格 。

試驗(yàn)儀表：金屬管浮子流量計(jì)或玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，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(tài)密封試驗(yàn)  靜態(tài)密封試驗(yàn)是將軸保持不動(dòng)，分步逐漸增大密封壓力至最大靜態(tài)壓力P，然后依次減壓為 75％P、50％P、25％P，在 每個(gè)壓力下保壓并穩(wěn)定一定時(shí)間(3-5min)，記錄密封靜態(tài)泄漏量。

5.2 動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)  按步驟進(jìn)行動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn) 。首先 ，將軸的轉(zhuǎn)速逐漸增加到最大連續(xù)轉(zhuǎn)速，在每個(gè)轉(zhuǎn)速階段穩(wěn)定3-5min，記錄密封泄漏量。其次，將轉(zhuǎn)速增加到跳車(chē)轉(zhuǎn)速(約為最大連續(xù)轉(zhuǎn)速的110％)，穩(wěn)定運(yùn)行15min，且每隔5min記錄數(shù)據(jù)一次。再次，將轉(zhuǎn)速降低到最大連續(xù)轉(zhuǎn)速。穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)60min，每隔5min記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)一次。然 后把轉(zhuǎn)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(xù)轉(zhuǎn)速，按照靜態(tài)密封試驗(yàn)進(jìn)行加壓。每階段穩(wěn)定2min并記錄數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)的泄漏量應(yīng)小于規(guī)定的最大泄漏量 。

六、集裝式碳環(huán)密封

碳環(huán)密封多為集裝式整體結(jié)構(gòu)，在高壓 、高轉(zhuǎn)速下多采用多級(jí)碳環(huán)串聯(lián)使用。碳環(huán)安裝在碳環(huán)座內(nèi)，在拆卸的過(guò)程中需要使用專(zhuān)門(mén)的拆卸工裝將碳環(huán)密封取下。專(zhuān)利CN201377410Y介紹了一種用于空壓機(jī)碳環(huán)密封的拆卸工裝——撬桿，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。利用撬桿與碳環(huán)及密封座的接觸面為支撐，可很方便地進(jìn)行碳環(huán)密封的拆卸 。

當(dāng)密封介質(zhì)為工藝介質(zhì)時(shí)，碳環(huán)座應(yīng)采用具有抗腐蝕性的材料。碳環(huán)密封可以用于氣封和油封。碳環(huán)密封的設(shè)計(jì)壽命多為5年，但是在化工流程中多在大修的時(shí)候(3年)更換密封，即使碳環(huán)密封仍然滿足使用要求也要更換。碳環(huán)密封在安裝時(shí)應(yīng)保證密封腔內(nèi)沒(méi)有雜質(zhì)、固體顆粒等，避免在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下劃傷碳環(huán) 。

七、應(yīng)用場(chǎng)合

碳環(huán)密封因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便，不需要復(fù)雜的潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)?？梢员苊庥汀⑺葘?duì)氣體的污染，且多組碳環(huán)并列使用可以有效地密封高壓氣體，故得到了廣泛的應(yīng)用。碳環(huán)密封主要應(yīng)用于石油化工、冶金等設(shè)備的軸端密封。也可應(yīng)用于汽輪機(jī)、風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、透平機(jī)等機(jī)組作為級(jí)間密封，其使用溫度在一120-500℃之間。

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