引言

　　活塞式压缩机活塞环的主要作用是密封气缸与活塞之间的间隙，防止气体从压缩容积的一侧漏向另一侧。当活塞环安装在气缸内时，由于环本身的弹性，产生定比压P0，使环紧贴在气缸工作面上。当压缩机工作时，活塞环上部受气体压力P1作用，环的下部受P2作用，形成了压力差，使环推向压力较低一侧并紧贴在环槽端面上，封住了气体沿环槽端面的泄漏。作用在活塞环内圆表面的压力，可近似认为等于P0，此压力大于作用在活塞环外圆表面上的平均压力所形成的压力，有时远比环本身比压大得多，它使活塞环进一步紧贴在气缸工作面上，从而堵住问隙，活塞环的密封主要靠气体压力的作用。因此，环本身的比压作用也是关键的。假使活塞环的本身弹力消失，即开始活塞环与气缸工作面间出现间隙，气体可直接由此短路漏出。活塞环下部压力就会接近或等于P，此时密封失效。

　　对于无油润滑压缩机用的填充聚四氟乙烯活塞环，有时需加金属张力环，即在活塞环内圆表面套上一个金属环以增加比压。由于一般的活塞环都具有切口,气体可通过切口泄漏，加之气缸和活塞环槽与环端面的几何误差，这些也是造成泄漏的因素。所以必须采用多道活塞环，通过一道活塞环阻止气体泄漏是不可能的，通过多道环产生的节流作用，以达到减少泄漏的目的。

　　活塞环是活塞式压缩机易损坏的部件。其作用是封住气体外泄，与气缸形成压缩容积。活塞环常见的故障有：（1）活塞环断裂；（2）活塞环涨死，失去弹性，不能自由膨胀。活塞环不能起到密封作用的主要表现形式：（1）该级排气温度升高；（2）该级排气压力降低；（3）压缩机排气量下降。

　　在双作用压缩机中，当某一级压缩机活塞环损坏或者涨死时，不能起到密封作用，使得盖侧（或轴侧）被压缩的高压高温气体通过活塞环窜入轴侧（或盖侧）低压低温气体中，与吸入的低压低温气体混合，混合之后气体温度升高。又由于压缩气体通过活塞环在互窜，使该级的排气压力下降，压缩机的排气量也随之下降。本文通过案例详细分析活塞环的使用情况及磨损过快原因，并提出相应对策。

　　1案例分析

　　（1）某厂新氢活塞式压缩机机C/A-D是引进国外技术后首次设计制造的大型往复活塞式压缩机，4台压缩机均为3级对置平衡型压缩机。某年8月21日，C/D后3级排气温度突然上升很快，而且前3级与后3级温度相差15～20℃。经现场测温仪对前3、后3级所有气阀温度检测后发现：后3级入口两个气阀差不多，而且温度也不高，说明入口气阀没有问题。出口2个气阀温度也差不多，但比前3级出口气阀平均高20℃左右。分析认为：如果压缩机出口气阀泄漏或损坏，盖侧、轴侧两个排气阀同时损坏的可能性较小；又发现后3级气缸气流声比较大。因此初步判断为：后3级活塞环密封失效，要停机检修。

　　经拆开检查之后，后3级所有12根活塞环全部断裂，其中有一根活塞环的阻流环断裂10cm左右，12根活塞环基本上都不起作用。造成压缩气体在活塞环上互窜，使盖、轴侧两只排气阀温度同时上升。

　　（2）某年11月23日，C/C机1级出口温度缓慢上升，而且1级排气压力缓慢下降；即使1回1控制阀全关，1级排气压力仍下降；将1回1控制阀上、下游截止阀全部关闭，1级排气压力也不上升，而且压缩机组的排气量下降较多。

　　经现场测温仪对1级各个气阀温度检测后发现：入口气阀温度正常，出口4只气阀温度都差不多，但平均比正常时都高20～25℃左右。因为介质比较干净所以4个出口气阀同时损坏可能性较小。又从1级排气压力下降、排气量也下降这一情况，初步分析判断为：活塞环胀死，失去弹性不能起密封作用，要停机检修。

　　经拆开检查之后，未发现任何一根活塞环断裂，但活塞环与槽之间脏物很多，活塞环已不能在槽中自由伸缩，失去了弹性，失去了密封性能，从而造成了压缩气体互窜等现象。

　　2活塞环的密封原理

　　以活塞环为例，如图1所示，活塞环的开口使其产生弹力，而贴向气缸镜面。活塞环在其前压力P1与后压力P2压力差的作用下，被推向压力较低的一侧，即密封了气体沿环槽端面的泄露；当压力P沿活塞与气缸壁之间通过时，把槽内的活塞环推向一侧，压力P通过活塞环与环槽之间的间隙进入到环的背部，在环槽的底部对环形成背压力P3，将活塞环的外径压向气缸壁，活塞环阻塞了活塞与气缸壁之间的间隙，密封了气体。但仍有部分气体通过环的开口及活塞环的两端面在环槽内与槽两侧壁面周期紧贴的瞬间产生泄露P2，所以活塞环不能只设一道。

　　单作用时，受力侧第一道环受的的压力差最大，磨损的也最快。双作用时首尾两环所承受的压差最大，之后各环形成降压节流。

　　实验和实践证明，气体在第一道环中的节流压差是相当大的，如果气缸内压力为P时，在第一道环背隙处的径向压力已节流至80～85%P，如果以三道环作为密封环系，则经第一道环的节流，压力降至气缸内气体压力的26%；经第二道环的节流，压力降至气缸内气体压力的10%；经第三道环的节流，压力降至气缸内气体压力的7.6%，且在正常情况下，泄漏量只有吸气量的0.3～1%。

　　厄外斯（Eweis）对两道环及六道环在不同转速下所做的试验表明：

　　（1）活塞环的密封作用，主要由前三道环所承受，低转速时，第一、二道环承担比例接近；高转速时，第一道环承担了绝大部分压差；

　　（2）第四道，尤其第五道环的作用几乎等于零，这种现象随转速的提高更为明显。之所以出现这种现象，主要取决于“单位时间泄漏量”。当高转速时，单位时间内压缩机活塞运行中，改变方向的次数愈频繁，也即每次压缩压出过程的时间愈短，故在相同的总压差时，泄漏至第一道环后的气体量也就愈少，因此导致第一道至第二道环间的气体量愈少，因之其压力也愈低，所以节流效应更为显著。

　　因此，无论节流及阻塞的奏效，以及泄漏量的微小，都显示了活塞环作为密封件的可靠性。

　　3活塞环的结构及参数特性

　　活塞环的开口，常用的有直口和45°斜口、搭口三种形式，而在斜口中的搭口与45°斜口相比两者的密封性无显著的区别，但搭口的工艺性要复杂，而且环端在安装和使用中均易断裂，因此尽量不采用，非金属材料环的密封压差一般不超过2.5MPa，且非金属材料密封环强度较低，斜切口相比之下即安全又漏气量小，故多采用直口和斜切口。具体切口形式如图2。

　　实际使用过程中的活塞环如果出现易损不能达到使用要求时，一般从如下几点进行核对：

　　（1）材质及制坯：铸铁环通常用灰铸铁和合金铸铁，而选用起来一般小直径和高转速压缩机用合金铸铁；而铸铁的金相组织应该是细片状的珠光体并且有均匀分布的细片状、中等片状、漩涡形及直线形的石墨，不允许有游离的渗碳体存在，硬度为HB=～，且同一环上，硬度差应小于5个单位，并要比气缸镜面高出10～20布氏硬度；而对于以PTFE为基体填充成分及其百分比更应根据不同的使用环境及参数加以严格控制，有时虽是同一种品名的材料，但厂家所用规格不同，机械性能也不同；对于毛坯的密度和内部组织聚合率，这与混料、压制所采用的压力（含压力损失）和压力在组织内部的传递、烧结曲线、出炉温度甚至当时的空气温度和环境温度均有关系；如果采用的压力大，则制品密度大，线胀系数低，使用的材料要多；反之压制压力低，则制品的密度小，线胀系数大，可减少使用的材料，成本也低，显然压制压力影响毛坯的质量。

　　（2）活塞环的外圆锐角倒成小圆角，以利于形成润滑油膜，减少泄露和磨损，内圆锐角倒成45°角。而对于活塞环的外观结构及公差要求，表面不得有裂纹、气孔夹杂物疏松等铸造缺陷，环的两端面及外圆柱面不得有划痕，做验光检测时，整个圆周上漏光不得多于两处，最长不超过25°弧长，总长不超过45°弧长，且距离锁口不小于30°弧长。

　　（3）开口热间隙：

　　σ=απD（t2-t1）mm

　　D—活塞环外径，mm；

　　t2—活塞环工作温度，通常取排气温度，℃；

　　T1—检验尺寸时活塞环本身的温度，通常取20℃；

　　α—活塞环的线胀系数（1/℃），铸铁α=1.1×10-5（1/℃），聚四氟乙烯α=（～）×10-6（1/℃）；

　　（4）自由开口度

　　A=7.08D(D/t-1)3pk/E

　　pk—活塞环的比压kg/cm2，D＞，pk=0.38～1kg/cm2；

　　E—弹性模数kg/cm2，铸铁D＞，E=1.05×；

　　合金铸铁E=（0.9～1.4）×，球墨铸铁E=（1.5～1.65）×。

　　4活塞环异常磨损原因

　　（1）气缸内有液相水分使气缸锈蚀

　　主机和某些附属部位漏水。当气缸内发现液相水分时，应仔细检查压缩机的气缸和冷却器。主要检查气缸的气、水腔间有无渗漏，若有，可能是密封失效或者气缸有裂纹。冷却器的渗漏原因主要是密封垫片失效，管板与冷却管的胀接松动及冷却水管破损。

　　（2）被压缩介质含水

　　湿度较高地区的气体，在进入气缸冷却效果较好的压缩机时会降温，温度下降到进气压力条件下的露点温度以下，湿气体中的水分析出，造成缸内带水。因此，在压缩湿度较高的气体时，要求气体进入气缸后温度不能过低，特别是对低压级气缸更应注意。解决办法是，调节气缸的冷却水量，保证气体进入气缸后温度高于其进入气缸后该压力下的露点温度。按经验，一般应使气缸冷却水排水温度高于气体进气温度4～5℃。

　　（3）活塞环和支承环的材料选择不当

　　试验表明，对同一种对磨的金属材料，不同的介质对于同一种配方的填充聚四氟乙烯环，其磨损因子不同；对于同一种介质，不同的对磨金属材料对同一种配方的填充聚四氟乙烯环，磨损因子也不同。因此，压缩机制造厂家在进行产品设计时，是根据被压缩的介质及气缸或气缸套的材料来选择对应配方的。所以在购买填充聚四氟乙烯备件时，应直接向压缩机生产厂家购买。这样才能保证所购的活塞环、支承环配件与压缩介质及气缸材料相匹配，最大限度降低磨损。

　　（4）工作温度过高

　　冷却器冷却效果差，造成某级或各级气缸进气温度高于设计值。高压级气缸气体泄漏至相邻低压级气缸内，使低压级气体的压缩过程出现加热而使缸内温度升高。某级气缸的进、排气阀门泄漏。排气阀门如泄漏量较小，必须进行渗漏检查。如泄漏量较大，会引起次一级气缸排气压力升高，如III级排气阀门泄漏，则II级的排气压力就会升高，通过仪表可以发现。

　　（5）活塞环或支承环与气缸壁胀死

　　活塞环和支承环胀死一般在工作中受热膨胀发生，常温状态下安装和拆卸时无法发现。活塞环的切口安装间隙，是按设计工作温度下圆周方向的伸长量来确定的。支承环与气缸壁的径向间隙则是根据支承环在设计工作温度下的径向膨胀量来确定的，因此支承环与气缸壁的间隙不能随意改小。一般生产厂家提供给用户的技术文件和图纸中都有间隙要求。如果购买的活塞环和支承环在配方和质量上与原配方有差异，其热胀系数也会不同。因此，应尽量购买原压缩机制造厂家配套提供的活塞环和支承环，不得已要购买其他厂的产品时，应要求该生产厂家提供该环材料的热胀系数。在安装时应重新复验和计算活塞环的切口安装间隙和支承环的径向间隙。如果生产厂家不能提供数据，则无法通过复算确定安装间隙。这也表明该生产厂家可能只是简单复制配件，而不具备提供以上热膨胀系数的能力，不应采购该厂家的配件。

　　活塞环和支承环在气缸内胀死会使其迅速失效，这时与气缸壁接触部分的比压大大高于正常运转时的比压。由于比压增大，活塞环、支承环与缸壁间的摩擦力也增加。一般情况下，压缩机活塞运转时的线速度都在3.6m/s左右，活塞环、支承环与气缸壁间的接触温度会急剧上升，使其快速磨损。

　　（6）被压缩介质过脏

　　被压缩气体如果含有过多的粉尘、金属粉末、非金属纤维和水分等杂质，一旦进入气缸，就会有一部分杂质黏附甚至嵌入活塞环、支承环表面，造成相关间隙变小，加速环的不均匀磨损，严重降低活塞环、支承环的使用寿命。

　　5对策

　　（1）气缸由无油润滑改造为少油润滑

　　部分压缩机改为有油润滑。原厂家设计的压缩机活塞环、支承环为无油润滑，是基于比较理想的工况，如果操作得当是完全可行的。如被压缩介质较为复杂,尤其是自生产的水煤气、煤焦油、硫化物、水分、粉尘等杂质较高，同时由于各压缩机长期满负荷运行（部分已超过设计使用寿命），其气缸体等重要部件已出现不同程度缺陷。对此，如果工艺条件允许，有选择地将压缩机进行有油润滑的改造，以改善气缸表面、气缸活塞环和支承环的工作环境，减少磨损，降低停机更换次数。改进后效果非常明显。此项虽然多消耗了润滑油，但比起由于活塞环、支承环过快磨损而停机更换所造成的损失，还是比较合算的。

　　（2）严格检查气缸体和冷却器

　　大修压缩机时严格检查气缸体和冷却器，及时发现气缸裂纹、结构密封失效等重大缺陷，进行彻底修复或更换。也要对冷却器失效的密封垫片、管板与冷却管的胀接松动以及破损的冷却水管进行彻底修复。

　　（3）改造冷却水管路

　　循环使用的冷却水，水质较差、水温较高，水中杂质的存在使压缩机气缸及冷却器换热效果不佳。把冷却水管路，由原设计的中间冷却器串联作为各级气缸进水的冷却方式，改为中间冷却器、各级气缸单独并联进水，使气缸的排气温度降低了约15℃。同时也可通过冷却器排出水分，降低或避免气缸的锈蚀。

　　（3）增加过滤器

　　在各压缩机进气管前增加过滤器，解决进入气缸内介质含尘、含杂质问题。

　　（4）购买原压缩机生产厂家的配件

　　活塞环、支承环、填料环等，必须购买原压缩机生产厂家的配件。在活塞环、支承环安装前，对其径向尺寸，按照压缩机气缸的实际使用状况，进行必要的修整处理，尽量延长其使用寿命。

　　（5）做好巡检和日常维修工作

　　对漏水、温度异常升高等现象，及时发现及时解决。活塞环、支承环在装配过程中，严格控制装配间隙，确保达到检修规范的要求。通过采取以上改造措施，压缩机活塞环、支承环磨损速度大幅降低，使用寿命相应延长，平均可以稳定运行小时以上。

　　6日常检修及使用过程中的注意事项

　　（1）检修及装配时一定要保证各部件的清洁，包括进口、出口气阀室并注意各环的开口错开，并不得接近气阀室，确保无硬质颗粒进入密封部位及各密封件位置的合理。对于填充PTFE密封环的密封效果和寿命来讲，清洗机器内杂物十分必要，常用清洗剂为四氯化碳，必要时可用软面团将机器内杂物粘掉。

　　（2）严格控制各部位的间隙，在额定温度下，活塞环与活塞间保证合理的密封间隙和活塞环开口间隙。如果活塞环在环槽内的间隙过小，容易卡死在环槽内；间隙过大，则环在槽内产生敲击易损坏；而活塞环的开口尺寸大了则串气，气缸温度高，整机效率低；开口小了，环的接口处外胀，产生类似抱缸的现象，损坏活塞环。如果环槽和缸径变大可通过修复环槽和缸径，选配合适的活塞环而得已保证合理的间隙。在此强调一点，所购入的活塞环应为成品，若间隙不够可进行研磨，决不允许用户将购入的整体环用锯条按自己的经验锯开口，因为环的开口间隙的作用是在工作温度下，环膨胀后接口基本是接合堵死的，所以开口间隙很严格，如前所计算。

　　（3）严格控制注油量，对于无油润滑的活塞环，由于可以在活塞环与气缸间形成一个非金属的润滑膜来保证活塞环的寿命运行；对于有油润滑来讲，这层润滑膜就是靠油膜来形成的，而多油和少油对于理想的润滑油膜均不利，因而必须严格控制注油量。

　　（4）气缸的光洁度应在Ra0.8以上，活塞杆应在Ra0.4以上，光洁度过高不易形成油膜，还增加了制造成本，如发现气缸径加工粗糙或运行后有圆周方向的环形台肩，可用细砂纸或油石沿气缸轴向研磨，消除缺陷，否则容易造成漏气和缩短活塞环的寿命。

　　（5）气缸的冷却也要控制，设计多在℃以下，这时的PTFE的寿命也最长，而随着温度的升高，PTFE在℃时也可使用，这时要考虑膨胀间隙，用先进的红外线测温仪可以测量出气缸及各气阀的温度变化，如气阀漏气造成局部气缸过热，可能对活塞环的使用造成影响，而活塞环的磨损细屑又可能造成气阀密封性的下降，因而当各气阀温度达℃左右时，宜更换漏气气阀，PTFE的最高使用温度不可以超过℃。

　　（6）活塞环出现以下情况之一，需要更新：

　　①厚度（径向）磨损达1mm；

　　②高度（轴向）磨损0.2mm；

　　③环在环槽中轴向间隙超过正常间隙0.06～0.1mm；

　　④活塞环外表面与气缸镜面不能保持应有的紧密配合，不紧密贴合间隙的总长超过气缸圆周的三分之一；

　　⑤活塞环失去弹性。

　　参考文献

　　[1]活塞式压缩机设计（手册）.机械工业出版社，。

　　[2]陈永江主编.容积式压缩机原理与结构设计.西安交通大学，。

　　[3]郁永章等.压缩机工程手册.中国石化出版社，。

　　[4]王贵合等，往复式压缩机活塞环使用情况分析，化工设计通讯，（03）。