活塞壓縮機(jī)密封材料耐磨性能研究現(xiàn)狀

趙沖，張仁科，黃河，韓紅孝

（四川金星清潔能源裝備股份有限公司，四川成都611731）

活塞壓縮機(jī)密封材料耐磨性能研究現(xiàn)狀

趙沖，張仁科，黃河，韓紅孝

（四川金星清潔能源裝備股份有限公司，四川成都611731）

材料密封性能是制約活塞壓縮機(jī)可靠性的主要問題之一。本文介紹了壓縮機(jī)用高分子材料密封環(huán)耐磨性能研究現(xiàn)狀，解釋了高分子改性材料耐磨研究機(jī)理；對近年來出現(xiàn)的缸套、活塞桿處理工藝進(jìn)行了簡要闡述。

活塞壓縮機(jī)；耐磨；高分子材料；處理工藝

1　引言

壓縮機(jī)作為一種通用機(jī)械，從問世以來就廣泛應(yīng)用在石油、化工、天然氣、氣體分離等行業(yè)。目前，常用的壓縮機(jī)機(jī)型主要有活塞壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)、渦旋壓縮機(jī)、離心壓縮機(jī)等。

活塞式（曲軸連桿型）具有結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，加工制造技術(shù)要求較低，壓縮比實現(xiàn)容易等特點，在壓縮機(jī)市場上占有主導(dǎo)地位。隨著產(chǎn)品在實際生產(chǎn)過程中的實際應(yīng)用，針對活塞壓縮機(jī)的缺點爭議也一直未曾中斷過。氣閥、填料、活塞、缸套等在各種惡劣工況下密封問題越來越成為活塞壓縮機(jī)設(shè)計制造的重點。近年來，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)單位進(jìn)行了一系列廣泛深入的研究和改進(jìn)，取得了可喜的成績，科研成果和專利層出不窮，其中，新材料及其處理工藝成為活塞壓縮機(jī)密封性能研究一個主要方向。

2　高分子復(fù)合材料密封環(huán)研究現(xiàn)狀

活塞壓縮機(jī)的密封性能是壓縮機(jī)機(jī)組的一項重要指標(biāo)，直接影響著排氣壓力、排氣量等重要參數(shù)，對用戶的實際生產(chǎn)和產(chǎn)能效益起著定性作用。該機(jī)型密封點主要分布在填料、活塞環(huán)、氣閥等關(guān)鍵部位，由于工況復(fù)雜（動密封），工作環(huán)境惡劣（高溫、高壓、油污），對上述部位材料的耐高溫、抗磨損性能提出了明確而嚴(yán)格的要求。

目前，活塞壓縮機(jī)密封環(huán)用高分子復(fù)合材料主要分為聚四氟乙烯（PTFE）和聚醚醚酮（PEEK），2種材料具體性能見表1［1］。

純PTFE或PEEK一般無法直接使用，通常需要加入一定的填充材料以塑料形式投入使用。隨著無油潤滑壓縮機(jī)的提出，復(fù)合PTFE材料最早替代傳統(tǒng)金屬材料，在活塞環(huán)、填料等關(guān)鍵密封部位使用。但由于材料硬度低，抗磨損能力差，PV值在一定的速度、溫度、壓差的情況下，上升速度很快，并且在實際使用中易產(chǎn)生冷流現(xiàn)象，大大限制其在壓縮機(jī)中的使用范圍。為改善以上缺點，許多研究者對材料進(jìn)行改性研究。

表1　PTFE和PEEK性能對比

玻璃纖維、石墨、碳纖維等無機(jī)材料是研究最為廣泛的改性研究方向。研究表明，將石墨作為填料加入材料中，由于石墨本身摩擦系數(shù)小，并且能夠在對偶件表面形成轉(zhuǎn)移膜，從而顯著提高材料的抗磨性能；玻璃纖維、碳纖維等材料硬度大、線膨脹系數(shù)?。▋H為PTFE的1/100），添加到純PTFE、PEEK中，能夠起到傳遞載荷和承受載荷的作用，減少基體材料直接磨損的機(jī)會，使復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐磨損性能增強(qiáng)，但會小幅度提高材料摩擦系數(shù)。大量實驗數(shù)據(jù)表明，只有在一定含量范圍內(nèi)無機(jī)填料可以有效提高材料抗磨損性能，但當(dāng)無機(jī)填料用量過多時反而會降低材料的綜合性能。在實際應(yīng)用中，上海石化總廠芳烴廠采用南京玻璃纖維研究設(shè)計院研發(fā)的PTFE碳纖維復(fù)合材料，應(yīng)用到某臺進(jìn)口氫壓機(jī)的活塞環(huán)、支承環(huán)、密封環(huán)上，經(jīng)工業(yè)考核達(dá)到了8000 h的運行壽命。而全球著名密封材料公司賀爾碧格密封產(chǎn)品常用材料就為PTFE、PEEK，其中開發(fā)的碳纖維填充PTFE材料HY521、HY524、HY526等，成功應(yīng)用于國內(nèi)外活塞壓縮機(jī)的活塞環(huán)，填料密封環(huán)，保證無故障運行時間達(dá)到設(shè)計要求，但具體配方還不得而知［2］。

納米填料和有機(jī)填料改性是近年來的研究熱點。與無機(jī)材料相比，納米材料在具備相同強(qiáng)度和硬度條件下，還具有良好的塑性及韌性。納米粒子尺寸小，比表面積大，具有量子尺寸、宏觀量子隧道、表面、體積4大效應(yīng)，加入基體中可以整體提高材料性能。在磨損工況下，納米粒子有效的束縛基體材料大分子鏈間運動，從而防止材料大面積的帶狀磨損，同時，在材料表面的納米填料具有很強(qiáng)的表面活性，容易與對偶結(jié)合形成轉(zhuǎn)移層，從而有效提高復(fù)合材料的抗磨損效果。該研究的難點在于，能夠采取適當(dāng)方法使納米材料在基體中均勻分布。目前，在壓縮機(jī)中實際應(yīng)用使用情況報道較少。

而有機(jī)填料的出現(xiàn)，主要應(yīng)對于無機(jī)改性后的復(fù)合材料出現(xiàn)無機(jī)填料與基體相容性差、親和力低這一致命缺點。熱致型液晶聚合物（TLCP）具有極小的線膨脹系數(shù)，是目前最為有效的有機(jī)填料之一。通過混合加入TCLP、無機(jī)填料，能夠顯著降低材料摩擦系數(shù)，使復(fù)合材料的耐磨性提高了100多倍。2009年［3］，湖北三寧與南京大學(xué)共同開發(fā)的有機(jī)、無機(jī)復(fù)合材料替代原有的單純無機(jī)復(fù)合PTFE材料，4級、5級氣缸所使用的活塞環(huán)正常運行已超過8000 h，而原有復(fù)合PTFE材料壽命僅分為180天、30天。

此外，另一種優(yōu)良密封高分子材料聚酰亞胺（PI），其機(jī)械性能和耐磨性能與PEEK相當(dāng)，耐高溫性能更加卓越，在260℃溫度下力學(xué)性能變化小，瞬時使用溫度可達(dá)430℃，具有顯著的抗蠕變能力。國內(nèi)某公司填充PI復(fù)合材料替代原有PTFE復(fù)合材料制作活塞環(huán)，解決了復(fù)合PTFE活塞環(huán)在機(jī)組出氣口溫度為150℃左右時壽命短的問題，經(jīng)過7個月連續(xù)使用，未曾出現(xiàn)問題［4］。

3　缸套、活塞桿處理工藝

活塞壓縮機(jī)的缸套、活塞桿分別與活塞環(huán)、填料環(huán)等構(gòu)成摩擦副，在研究各種密封環(huán)的同時，還要提高相對應(yīng)缸套、活塞桿的性能，保證摩擦副之間良好的潤滑狀況。缸套、活塞桿在使用一段時間后，都會發(fā)生不同程度的磨損，一方面會導(dǎo)致氣體泄漏，影響壓力與氣量；另一方面，由于磨損情況不均勻，導(dǎo)致相對應(yīng)密封環(huán)在工作時受到額外的作用力，導(dǎo)致密封環(huán)過早斷裂損壞。此外，據(jù)相關(guān)報道，缸套、活塞桿疲勞斷裂在壓縮機(jī)安全事故所占比例一直居高不下，主要原因集中于原材料雜質(zhì)多、第二相在基體中分布不均勻、鑄造和熱處理工藝不恰當(dāng)?shù)龋?-6］。

新型鑄造工藝改善材料組織與性能。傳統(tǒng)鑄造工藝容易產(chǎn)生氣孔、砂眼、夾渣、縮松等缺陷，這些缺陷在長期高速、高載荷工況成為疲勞裂紋的裂紋源。許旸［7］等采用新型鑄造工藝-垂直上引連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)氮氫壓縮機(jī)缸套，獲得了細(xì)密的鑄態(tài)組織，材料共晶團(tuán)體積僅有傳統(tǒng)工藝的1/8～1/10，而晶界面積增加了4倍以上，從而顯著提高材料性能，具有高致密、零缺陷、強(qiáng)韌兼?zhèn)涞奶攸c。通過實際使用后表明，缸套壽命提高了一倍以上。

優(yōu)化熱處理工藝。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳梢詢?yōu)化材料顯微組織，控制第二相形狀和組成，達(dá)到提高材料性能的目的。目前，國內(nèi)主要壓縮機(jī)廠缸套、活塞桿制造中常用的熱處理工藝為正火調(diào)質(zhì)-去應(yīng)力退火-氮化，經(jīng)過大量實驗，根據(jù)產(chǎn)品材料確定了比較成熟的熱處理工藝［8-9］。但傳統(tǒng)熱處理也存在著各種缺陷，比如活塞桿在傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)熱處理工藝中容易出現(xiàn)彎曲變形、脆性裂紋、放電融化等致使活塞桿報廢的情況；氮化處理后雖然材料整體提高了硬度，但硬度分布不均勻，使缸套與活塞環(huán)、填料環(huán)與活塞桿之間剛性接觸增大，加速磨損。對此，有人采用了不同工藝對缸套、活塞桿進(jìn)行處理，取得了很好效果。安代明［10］為了提高活塞桿的抗磨損能力、延長使用壽命，用激光表面淬火工藝替代傳統(tǒng)熱處理工藝。試驗證明，采用激光表面淬火工藝可以徹底消除活塞桿變形及硬化不均勻現(xiàn)象，并且比傳統(tǒng)熱處理的硬度高15%～20%，最高硬度可達(dá)到60HRC，淬透層可達(dá)0.1～2.5 mm。舒炳生［11］等對高壓空壓機(jī)氣缸缸套內(nèi)表面激光淬火與傳熱處理對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過激光淬火后大大提高了缸套的耐磨性、抗疲勞、耐腐蝕、抗氧化等性能，硬度高達(dá)1024HV，使用壽命增加3～4倍。

由于大多數(shù)壓縮機(jī)主要應(yīng)用在汽、柴油的加氫精制、催化等設(shè)備裝置上，相關(guān)的壓縮氣體具有不同程度的腐蝕性，因此在一定工況下，需要缸套、活塞桿具有良好耐磨性的同時也具備出色的抗腐蝕性能。邱大偉［12］等將QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)應(yīng)用在壓縮機(jī)活塞桿上，利用不同性質(zhì)的熔融鹽液先后進(jìn)行處理，使多種元素同時滲入金屬表面，形成由集中化合物組成的復(fù)合深層，使活塞桿表面得到強(qiáng)化改性，從而提高了耐磨性、抗腐蝕性能。王光［13］等利用等離子噴涂技術(shù)對活塞桿摩擦面進(jìn)行陶瓷硬化處理工藝，大大簡化了活塞桿原有生產(chǎn)工序，縮短了生產(chǎn)周期，避免了傳統(tǒng)工藝出現(xiàn)的變形等缺點，制備的陶瓷涂層活塞桿表面硬度為HRC60，結(jié)合強(qiáng)度35 MPa，有效涂層厚度為0.3 mm。同時，40%TiO2-Al2O3涂層能顯著提高其抗腐蝕性能，經(jīng)過用戶實際使用對比發(fā)現(xiàn)，使用壽命提高了2倍。

4　結(jié)語

與密封相關(guān)課題研究起步較晚，與國際先進(jìn)水平相比，還有很大的差距。而無油潤滑密封材料在提高壓縮機(jī)使用壽命、降低成本、節(jié)能降噪、凈化氣體等各方面有著不可替代的優(yōu)越性。因此，需要不斷研發(fā)新型無油潤滑密封高分子材料，同時，還要深入研究潤滑與密封相關(guān)機(jī)理，采用新工藝提高缸套及活塞桿的磨損性能，與密封環(huán)匹配構(gòu)成合理摩擦副。

［1］梁延祥.PEEK-制作中高壓往復(fù)壓縮機(jī)活塞環(huán)的新材料［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2006，（6）.

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［5］丁毅.氫氣壓縮機(jī)缸套開裂失效分析［J］.金屬鍛造焊技術(shù)，2011，40（23）.

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［9］曲德毅.往復(fù)機(jī)球鐵缸套表面硬化處理［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2012，（2）.

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［13］王光.陶瓷涂層活塞桿的研制［J］.沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2005，24（1）.

Current Research Situation of Wear Resistance for Sealing Material Used in Piston Compressor

ZHAO Chong，ZHANG Ren-ke，HUANG He，HAN Hong-xiao
（Sichuan Jinxing Clean Energy Equipment Co.，Ltd.，Chengdu 611731，China）

The seal is one of the major problems restricting the development of piston compressor.This paper introduces the research status of polymer material for sealing ring used in piston compressor，and explains the wear resistance mechanism of polymer modification materials.At last，a simple elaboration about treatment processes of cylinder and piston rod appeared in recent years is made. Key words：piston compressor；wear resistance；polymer material；treatment process

TH457

B

1006-2971（2015）02-0043-03

趙沖（1987-），男，碩士研究生，2012年畢業(yè)于重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)。現(xiàn)在四川金星清潔能源裝備股份有限公司從事壓縮機(jī)設(shè)計工作。E-mail:377575868@qq.com

2014-12-17