1. 概述
某厂高压装置引进荷兰无脉冲管式反应工艺，年生产能力14万t低密度聚乙烯（LDPE），其中超高压压缩机（以下简称K103）是高压装置的核心关键设备，其作用是经两段压缩向反应器提供工作压力220～260MPa的超高压乙烯。为保证对如此高的压力气体进行有效密封，气缸柱塞的密封采用了有多单元密封元件组成的复合密封形式，由油润滑，对柱塞和气缸夹套采用强制循环油冷却。该设备是引进苏尔寿公司制造F8类型2段8缸，即4个一段缸和4个二段缸，采用对置式结构，功率13000KW，吸气压力24.0MPa，排气压力260MPa，设计压力最高可达300MPa。
该压缩机在使用初期气缸填料使用寿命较长，但近几年以来，多次发生柱塞填料损坏故障，气缸柱塞密封填料使用周期比设计寿命显著缩短，严重影响了该装置的安稳长周期运行。通过分析运行跟踪记录发现密封失效主要有：（1）部分填料函颜色发蓝，表面变毛，出现过度磨损，甚至产生裂纹；（2）填料组件的密封环出现磨损严重，偏磨现象，甚至密封环和弹性元件发生断裂、碎裂等情况。因此非常有必要对气缸柱塞填料密封进行较系统的研究和分析，找出密封失效的主要原因，解决这个制约高压装置长周期生产的瓶颈问题。
2. 密封结构与密封原理
2.1 密封结构
K103压缩机柱塞填料（以二段为例）是密封高达260 MPa压力的乙烯气体，其由多级密封元件组成，主要由密封元件、导向环、气体节流环、填料函、热装缸套、注油冷却系统和低压填料等部分。如图1所示，其中 1～5填料函中装填料起密封作用，6中装导向环，7中装节流环，8为缸套。气缸与填料函之间、填料函与填料函之间采用金属与金属的直接接触密封，其密封表面为平面，采用特殊研磨处理，由螺栓提供紧固力。每组密封单元均为耐热、耐压、耐磨的铜锌合金制成的平面填料环密封元件，低压侧三瓣斜口填料环，高压侧为三瓣直口填料环，而两环之间通过定位销确定相互位置，为有效密封，使各切口相互错开一定角度。填料环按一定要求装填在填料函的腔内（见图2所示）。高压气体经过节流降压后将压力减小到0.5MPa，泄漏量在0-50kg/h范围内，从而保证超高压缩机的稳定运行。
压缩机在工作时，气缸内气体压力在100-260 MPa之间频繁波动，但与低压侧始终保持很大的压差，这样在气缸和填料函内由于存在压差就会产生气流，如图2所示。从图中结构可知，气流由高压处向低压处流动有两个通道。第一是沿柱塞表面，第二是填料环与填料函之间的间隙。
2.2 密封原理
在每个密封单元中两填料环都是由弹簧提供径向压力而对柱塞表面产生预紧，填料环与填料函室间充满密封气体，形成第一密封面。在此条件下被密封的气体因不能通过柱塞与填料环的间隙，便进入填料环与环槽即填料函之间的侧隙，并充满背隙空间。侧隙内气体压力使填料环与下一道填料函的密封端面（如图3示）压紧，形成第二密封面。同时背隙中的气体压力作用于填料环的背面，又加强了第一密封面密封效果。第一密封面是填料环起密封作用的关键。如果第一密封面被破坏，填料环与柱塞之间出现间隙，气体就会直接从间隙处流出，那么环背压力就建立不起来，此时，填料环虽然仍然与填料函的端面接触，但此密封面不能起到密封作用。第一密封面是以填料环的弹性元件提供的弹簧力为基础建立的，该力与环背气体压力相比很小，后者是帮助前者加强密封的。如果弹簧的紧力消失，那么填料环与柱塞间就会出现间隙，气体可直接从该处短路泄出，环背压不能建立，此时密封失效。
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