碳环密封的结构和应用

碳环密封的结构和应用
赵利娜;周鹏;陈宗华
【摘要】介绍了压缩机机组中常用的碳环密封结构,包括石墨环结构及材料、石墨环加工方法、碳环安装方法、碳环密封试验方法及应用场合.
【期刊名称】《化工装备技术》
【年(卷),期】2013(034)005
【总页数】3页(P13-15)
【关键词】压缩机;碳环密封;碳环;密封试验
【作者】赵利娜;周鹏;陈宗华
【作者单位】三一能源重工有限公司;三一能源重工有限公司;三一能源重工有限公
司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ050.3
碳环密封属于非接触式密封装置，是浮环密封的一种形式，其结构如图1所示。

碳环密封的工作原理与浮环密封相同，不同的是其浮环材料采用非金属石墨环材料。

碳环密封的结构包括环形密封腔和环形轴套（轴套也可不使用）。

密封腔内至少
装有两个截面为矩形的环形石墨密封环（也叫碳环），通过控制碳环内径与环形
轴套之间的间隙来达到密封效果。

碳环和轴之间的单边间隙通常取为3～10 μm，密封介质可以为空气、 N2、CO2、氨气等。

碳环相当于浮环密封中的动环，材质为炭精。

碳环材料按照JB/T 9580规定分两
类：机械用碳类和特种石墨类。

机械用碳类碳环采用的浸渍物为环氧树脂、酚醛树脂、巴氏合金、铝合金、铜合金等。

特种石墨类碳环主要采用硅作为浸渍物，硬度较大。

碳环应做水压试验，持续10 min不得有渗漏。

碳环加工不允许有裂纹、氧化、分层、贯穿性麻点等缺陷。

碳环结构可以为整体式，也可以为分瓣式，常见的为三瓣式。

碳环结构如图2所示，其中图2（a）为整体式碳环结构，安装方式为从轴向
安装。

图2（b）为三瓣式碳环结构，安装时用弹簧箍在一起，安装在密封腔体内。

图2（c）是多瓣式碳环结构[1]，切割成多段的密封圈合围成一个圆环，被切割的每段密封环的切口为斜切口，且每段切口是沿着同一方向进行平均切割，斜切口的切线为密封环内圆周的圆周切线，保证密封环在磨损之后碳环沿着斜切口向内滑移贴近轴套，使密封间隙保持不变。

图2（d）为具有自动补偿能力的无间隙碳环形式，其作用原理与图2（c）相似，均利用碳环外圆周槽上的碳环实现碳环的自动
补偿[2]。

碳环的肖氏硬度为45～90 HS。

碳环在高温高压下与旋转轴接触容易导致轴的疲
劳磨损，因此经常在轴外设置轴套，并将轴套接触表面进行硬度处理，涂三氧化二铝或者三氧化二铬，或者采用纯铬涂层。

当转速和压力不高时，可直接对轴表面进行涂层处理，以提高轴的接触硬度，达到保护旋转轴的目的。

轴套外表面涂有耐磨层，涂层材料一般为三氧化二铝或三氧化二铬。

碳环密封用于密封易燃、易爆、有毒等有害气体时，密封腔内可以充入缓冲气，通常为惰性气体氮气，以保证气体的零泄漏。

碳环在-120℃时因本身的自润性降低，影响与轴的配合，会降低密封效果。

专利CN202001607U介绍了一种可用于低温密封的碳环结构[3]，主要是在碳环密封
座的外圆周上添加铝制（也可为铜制）的加热环，用抱箍和螺栓对加热环进行固定，加热环内布有电加热管线，与外部加热控制电源相连，通过温控仪控制整个密封的
使用温度。

流体在通过碳环密封时是通过逐级节流降压实现密封的，故在碳环组装前通过人工研刮碳环内径来控制其与主轴的间隙，使间隙在技术要求数值范围内。

碳环有一定的硬度，新备件碳环留有加工余量，多采用机加工来替代人工研刮，以提高加工精度。

整体式碳环的加工精度可通过控制加工速度、进刀量和加强冷却的方法来保证。

对于分瓣式碳环需要采用专用工装才能保证加工精度[4]。

专用工装应保证精度定
位与设计基准重合，夹紧力与支撑点要对应。

在轴未启动时，由于重力作用碳环会与轴接触，而在轴下方形成月牙形间隙气膜。

当轴启动时，气膜的压力会使碳环浮起，使之趋向于与轴同心。

空间间隙小，流体动压力就小，自动趋向轴心的能力就较差，因而大多采用橡胶O形圈进行定位。

O形圈既不会影响楔形气膜的形成，又减少了碳环在静态下的偏心度，同时也减
少了泄漏量。

O形圈也可以用弹簧、压簧等来代替。

碳环在压簧的作用下，当密
封气的压力降低时碳环仍可以保持对正中心位置。

碳环在外径圆上开槽以便于其与O形圈进行装配，或者直接与压簧过盈配合。

碳环及其对中结构如图3所示。

旋转轴在工作状态下会发生轴向窜动，这就要求碳环在轴向方向具有一定的弹性位移。

在工程应用中通常采用以下方式来进行轴向定位：一是采用弹簧进行轴向安装定位；二是采用具有弹性变形的波形弹簧进行轴向定位；三是当形成的气膜较碳环承受的压力大时，为防止碳环发生径向旋转，在碳环端面上开设沟槽，设置防转销。

碳环定位装置结构如图4所示。

碳环密封所用的试验台如图5所示。

碳环密封应进行静态密封试验和动态密封试验。

在进行密封试验后应检查密封件。

若出现碳环接触磨损、机械疲劳及热疲劳（例如磨损、热裂），或者试验过程中出现碳环座温度明显上升，则认为碳环密封不合格。

试验仪表：金属管浮子流量计或玻璃转子流量计，精度为1.6；流量、压力、差压
变送器，精度为量程的5%。

5.1 静态密封试验
静态密封试验是将轴保持不动，分步逐渐增大密封压力至最大静态压力P，然后依次减压为75% P、50%P、25%P，在每个压力下保压并稳定一定时间（3～5 min），记录密封静态泄漏量。

5.2 动态密封试验
按步骤进行动态密封试验。

首先，将轴的转速逐渐增加到最大连续转速，在每个转速阶段稳定3～5 min，记录密封泄漏量。

其次，将转速增加到跳车转速（约为最大连续转速的110%），稳定运行15 min，且每隔5 min记录数据一次。

再次，将转速降低到最大连续转速，稳定运转60 min，每隔5 min记录试验数据一次。

然后把转速降到零，把压力降到最小密封压力。

之后再增速到最大连续转速，按照静态密封试验进行加压，每阶段稳定2 min并记录数据。

动态密封试验的泄漏量应小于规定的最大泄漏量。

碳环密封多为集装式整体结构，在高压、高转速下多采用多级碳环串联使用。

碳环安装在碳环座内，在拆卸的过程中需要使用专门的拆卸工装将碳环密封取下。

专利CN201377410Y[5]介绍了一种用于空压机碳环密封的拆卸工装——撬杆，具体结构如图6所示。

利用撬杆与碳环及密封座的接触面为支撑，可很方便地进行碳环密封的拆卸。

当密封介质为工艺介质时，碳环座应采用具有抗腐蚀性的材料。

碳环密封可以用于气封和油封。

碳环密封的设计寿命多为5年，但是在化工流程中多在大修的时候（3年）更换密封，即使碳环密封仍然满足使用要求也要更换。

碳环密封在安装时应保证密封腔内没有杂质、固体颗粒等，避免在高速运转下划伤碳环。

碳环密封因其结构简单、维修方便，不需要复杂的润滑冷却系统，可以避免油、水等对气体的污染，且多组碳环并列使用可以有效地密封高压气体，故得到了广泛的
应用。

碳环密封主要应用于石油化工、冶金等设备的轴端密封，也可应用于汽轮机、风机、发电机、压缩机、透平机等机组作为级间密封，其使用温度在-120～500℃之间。

【相关文献】
[1]上海超惠通风环保设备有限公司.碳环密封的密封环结构：中国，CN201120101380[P].2011-
11-23.
[2]侯玉杰，程诺.自补偿无间隙碳环密封：中国，CN201020568054[P].2011-08-10.
[3]上海超惠通风环保设备有限公司.一种低温碳环密封装置：中国，CN202001607U[P].2011-10-05.
[4]万仕强，方文，欧安伦.透平气封“碳环”加工工装设计 [J].贵州化工，2010，35（1）：54-55.
[5]孟经纬.空压机碳环密封拆卸的撬杆：中国，CN201377410Y[P].2010-01-06.。