碳環密封屬（shǔ）於非（fēi）接觸式密封（fēng）裝置，是浮環密封的一種形式 。其結構如圖（tú）1所示（shì）。碳環密封的（de）工作原理與（yǔ）浮環密封相同，不同的是其浮環材料采用非（fēi）金屬石墨環材料 。碳環密封的（de）結構包括環形密封（fēng）腔和環（huán）形軸套(軸套也可不使用)。密封腔內至少裝有兩個截（jié）麵為矩形的環形石墨密封環(也叫碳環 )，通過控製碳環內（nèi）徑（jìng）與環形軸套之間的間隙來達到密封效（xiào）果 。碳（tàn）環和軸（zhóu）之間（jiān）的單（dān）邊（biān）間隙（xì）通常取為3-10μm，密（mì）封介質可以為空氣、N₂、CO₂、氨氣等。

一、碳（tàn）環

碳環（huán）相當（dāng）於浮環密封中的動環，材質為炭精 。碳環材料按照（zhào）JB/T9580規定分兩類：機（jī）械用碳類和（hé）特（tè）種石墨類 。機械用碳類碳環采（cǎi）用的浸漬物為環氧樹脂、酚醛樹脂、巴氏（shì）合金、鋁合金、銅合金等。特種石墨類碳環主要采（cǎi）用矽作為浸漬物，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（yǎng）化、分（fèn）層、貫穿性麻（má）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（wéi）三瓣式。碳環結構如圖2所（suǒ）示，其中圖2(a)為整體式碳環結（jié）構，安裝方式為（wéi）從軸向安裝。圖2(b)為三瓣式（shì）碳環結構，安裝時用（yòng）彈簧箍在一起（qǐ），安裝在（zài）密封腔體內。圖（tú）2(c)是多瓣式碳環（huán）結構 [1]，切割成多段（duàn）的密封圈合圍成一個圓環，被切割的每（měi）段密封環的切口為斜切口，且每段切口（kǒu）是沿著同一方向進行（háng）平均切割（gē），斜切口的切線（xiàn）為密封環內圓周的（de）圓周（zhōu）切線，保證密（mì）封環在（zài）磨損之後碳環沿著斜切口向內滑移貼近軸套。使密（mì）封間隙保持不變。圖2(d)為具有自動（dòng）補償能力的無間隙碳環形式，其作用原理與（yǔ）圖2(c)相似，均利用碳環圓周槽上的碳（tàn）環實現碳環的自動補（bǔ）償。

碳環的肖（xiāo）氏硬度為459OHS。碳環在高溫高壓下（xià）與旋轉軸接觸容易（yì）導（dǎo）致（zhì）軸的疲勞磨損 ，因此經（jīng）常在軸外設置軸（zhóu）套 。並將軸套接觸表麵進行硬度處理，塗三氧化二鋁或者三氧化二鉻，或者采用純鉻塗層 。當轉速和壓力不高時（shí）。可（kě）直接（jiē）對軸表麵進行塗層處理，以提高軸的接觸硬度，達到保護旋轉軸的目（mù）的。軸套外表麵（miàn）塗有耐磨（mó）層，塗層材料一般為三氧化二鋁或（huò） 三氧化二鉻 。碳環密封用於密封易（yì）燃、易爆、有毒等有害氣體時（shí），密封腔內可以充入緩衝（chōng）氣，通常（cháng）為惰性氣體氮（dàn）氣，以保證氣體的（de）零泄漏（lòu）。碳環在一120℃時因本身的（de）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（le）一種可用於（yú）低溫（wēn）密封的碳環結構，主（zhǔ）要是在碳環密封（fēng）座的外（wài）圓周上添加鋁（lǚ）製(也可為銅製)的加熱環（huán），用抱箍和螺栓對加熱環進行固定，加熱環內布有電加（jiā）熱（rè）管線，與外部加熱控製電（diàn）源相連，通過溫控儀控製整個密封的使用溫度 。

二 、碳（tàn）環加工方法

流體在通過碳環密封時是通過逐級節流降壓（yā）實現密封的，故在碳環組裝前通過人工研（yán）刮碳環內徑來控製其與主軸的間（jiān）隙，使間隙在技術要求數值範圍內。碳（tàn）環有一定的硬度，新（xīn）備（bèi）件碳環留有（yǒu）加工餘量，多采用機（jī）加工來替代人工研刮，以提高加（jiā）工精度（dù）。整體式碳環的加工精度可（kě）通過控製加工速度、進刀量和加強冷卻的方法來保證。對於分瓣式碳環需要采用專用工裝才能（néng）保證加工精度。專用（yòng）工裝應保證精度定位與設計基準重（chóng）合。夾（jiá）緊力與支撐點要對（duì）應 。

三、碳環徑向對中（zhōng）裝置

在軸未啟動（dòng）時，由於重力作用（yòng）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（shǐ）碳環浮起 ，使之趨向於（yú）與軸同心 。空間間隙小，流體動壓力就小， 自動趨（qū）向軸心的能力就較差，因而大多采（cǎi）用橡膠O形圈進行定位（wèi）。O形圈既不會影響楔形氣膜的形成，又減少了碳環（huán）在（zài）靜態下的偏心度，同時也減少了（le）泄（xiè）漏量。O形圈（quān）也可以用彈（dàn）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（shí）碳環仍（réng）可以保持對正中心位置。碳環在（zài）外徑圓（yuán）上開槽以便於其與O形圈進行裝配，或者直接 與（yǔ）壓簧（huáng）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（xiàng）竄動，這就要求碳環在軸向方向具有一定（dìng）的彈性位移。在（zài）工程（chéng）應用中通常采用以下方式來進行軸向定位（wèi）：一是（shì）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（dìng）位 ；三是當形（xíng）成的（de）氣（qì）膜較碳環承受的（de）壓力大時，為防止碳環發生徑向旋轉，在碳環端（duān）麵上開設溝槽，設置防轉銷。碳環定位（wèi）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台如圖5所示。碳環密（mì）封應進行靜態密封試驗和（hé）動態密封試驗。在進行密封試驗後應檢查密封件。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（tàn）環（huán）密封不合格（gé） 。

試驗儀表（biǎo）：金（jīn）屬管浮（fú）子流量計或玻璃轉子流量計，精度為1.6；流量 、壓（yā）力、差壓變送器，精度為量程的5％。

5.1 靜態密封試驗  靜（jìng）態密封（fēng）試驗是將軸保持不動，分步（bù）逐漸增大（dà）密封壓（yā）力至最大（dà）靜態壓力P，然後依次減壓（yā）為 75％P、50％P、25％P，在 每個壓（yā）力下保壓並穩定一定時間(3-5min)，記錄密封靜態（tài）泄（xiè）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（sù）逐漸增加到最大連續轉速，在每（měi）個轉（zhuǎn）速階段穩定3-5min，記錄密封泄漏量（liàng）。其次，將轉速增加到跳車轉速(約（yuē）為最大連續轉速的（de）110％)，穩定運（yùn）行15min，且每隔5min記錄數據一（yī）次（cì）。再次，將轉速降低到最（zuì）大連續轉速。穩定運轉60min，每隔5min記錄試驗數據一次。然 後把轉速降到零，把（bǎ）壓力降到最小密封壓力。之後再增速到最（zuì）大連續轉速（sù），按照靜態密封（fēng）試驗進行加（jiā）壓。每階段穩定2min並記錄數據。動（dòng）態（tài）密封（fēng）試驗的泄漏量應小於（yú）規定的最大泄漏量（liàng） 。

六、集裝式碳環（huán）密封

碳（tàn）環密封多為集裝式整體結構，在高壓 、高轉速（sù）下多采（cǎi）用多級碳環串聯使用。碳環安裝（zhuāng）在碳（tàn）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介紹了一種用於空壓機碳環密封的拆卸工（gōng）裝——撬杆，具體（tǐ）結構如圖（tú）6所示。利用撬杆與碳環（huán）及密封座的接觸麵（miàn）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（yīng）采用具有抗腐蝕性的材料。碳環密封可以（yǐ）用於氣封和油封。碳環（huán）密封的設計壽（shòu）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（tàn）環密封在安裝時應保證密（mì）封腔內（nèi）沒有雜質（zhì）、固體顆（kē）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，不需要複雜的潤滑冷卻係統。可以（yǐ）避免油（yóu）、水等對氣體的汙染，且多組碳環並列使用可以有效地（dì）密封高壓氣體，故得到了廣泛的應用。碳環密封主要應用於石油化工、冶金等設備的軸端（duān）密封。也可應用於汽輪機、風機、發電機、壓（yā）縮（suō）機、透（tòu）平機等機組作為級間密封，其使用溫度在（zài）一120-500℃之間。

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