高压空气干燥系统油气分离器密封方式改进

王延明，赵 月，高丽芳，谷国兴，吴武超

（中国航天空气动力技术研究院，北京 100074）

0 引言

压缩空气作为一种重要的动力源，广泛应用于风洞试验中。压缩机产出的压缩空气中混有水分、油分及少量固体微粒等杂质，其中水分主要来自于大气，压缩冷凝后成为湿饱和空气；油分主要来源于压缩机中的润滑油，在活塞、曲轴高速运转时会有少部分混入压缩空气中。某单位的活塞式高压压缩机采用少油润滑的形式，既能实现润滑、密封和冷却的目的，又能尽量减少压缩空气的含油量。

1 油气分离器的作用

为获得洁净干燥的高压空气，气体经压缩机压缩后，需再经过干燥器干燥，除去高压气体中的油气和水气，才能满足风洞流场的指标要求。由于油有黏度且不易挥发，如果吸附在干燥塔中的干燥剂上，会严重影响除水效果，所以高压气体要除去水分必先经过油气分离器除油。油气分离器的运行状态直接关系到气体干燥质量，是整个系统中至关重要的一环。为保证除油效果，每台干燥系统配有两级油气分离器，分别为粗滤和精滤（图1）。油气分离器的核心部件是滤芯，寿命周期是半年，正常情况下，油气分离器只需半年拆卸安装一次更换滤芯。

图1 干燥系统工作流程

为了提高产能，某院2019 年采购了1 台新高压压缩机及附属高压空气干燥系统，并于2020 年8 月投入运行，该设备压气量大、效率高，满足了用气需求。但新高压空气干燥系统的油气分离器O 形圈密封频繁破损漏气，2 周就需要拆卸维修1 次，是更换滤芯频次的12 倍。由于油气分离器质量重、操作空间小，每次拆卸安装需高压机停机1 d。油气分离器O 形圈密封频繁破损漏气问题成了影响新高压机运行效率的瓶颈问题。

2 油气分离器的结构与工作原理

油气分离器主要由3 部分组成，即滤筒、滤芯和O 形圈（图2）。其中滤筒分为筒盖和筒体两部分，靠螺纹连接，周向用O 形圈密封，命名为1#O 形圈；滤芯放在筒体里，上端插入筒盖与其连接，也是周向用O 形圈密封，命名为2#O 形圈。

图2 油气分离器结构

工作原理：压缩气体经入口进入滤筒，气体穿过滤芯经出口排出，进入气水干燥器，经过滤芯时所含的油雾被滤掉，实现油气分离；分离器下方装有自动排污阀，利用筒内气体压力可将内部的杂质通过下方排污口排出。两级滤芯过滤精度分别为1 mg/m3和0.01 mg/m3，当干燥器运行稳定后，测量气体中的油雾含量，决定是否更换滤芯，一般半年更换一次。

油气分离器中有两部分需要密封，均通过O 形圈实现：一是滤芯与筒盖之间，两者压差很小，基本没有泄漏；二是筒盖和筒体之间，有2 道O 形圈密封，筒内为20 MPa 高压，与外界环境压差较大，泄漏主要发生在此处。

3 O 形圈破裂原因

高压机正式运行后不久，油气分离器滤筒就出现频繁的漏气问题，超出了正常的维护保养频率。对分离器维修时发现，筒盖和筒体之间的1#O 形圈有严重破裂，但无断裂。更换O 形圈，使用2～3 周后再次漏气，经检查发现O 形圈破裂情况相同（图3）。

图3 油气分离器密封结构

每次安装完成后都没有立即漏气且能保持2～3 周，说明不存在安装上的问题。分析可知，筒盖和筒体之间为1#O形圈密封，筒内为20 MPa 高压，筒外为大气压，内外存在很大压差，漏气发生在1#O 形圈密封处。而滤芯与筒盖之间处于同一压力环境，不存在压差，其之间的2#O 形圈没出现过泄漏问题。可以推测滤筒内外压差过大是造成1#O 形圈破裂的主要原因。活塞式压缩机会造成压力波动，产生冲击力，交变高压气体的冲击力传递到O 形圈，对其造成破坏。另外由于O 形圈受力面积小，承受压强较大，并且筒内高压气体温度高于外界气温，温度不均匀使O形圈热胀冷缩，受力不匀，密封性能下降。当应力的总和超出了其所能承受的压力极限并持续一段时间后，O 形圈破裂，密封被破坏，造成气体泄漏。

4 改进方法

O 形圈破裂的主要原因是高压气体的冲击力造成的破坏。O 形圈受力面积过小，考虑更换密封方式，增大受力面积。同时按照经验，密封应尽量安装在气体易泄漏的地方，减少气体冲击对下游部件的影响。筒体和筒盖之间，受力面积较大，而且是气体泄漏的源头，在此处加装密封垫片较为合理。

对滤筒筒体的顶部与筒盖内腔顶端的距离进行测量，找到两者之间的间隙量，在此安装不易变形的聚四氟乙烯垫作为密封（图4）。经测量间隙为3 mm，垫片厚度拟定为5～8 mm，通过挤压变形来达到密封的目的。上游密封问题解决后，1#O形圈受到的气体冲击力大大减少，不易损坏，留作补充密封。如此，将分离器筒盖与筒体之间的两道O 形圈密封，改为一垫双圈的密封形式。

图4 一垫双圈密封形式

自此，分离器漏气的问题被彻底解决，改进后再没有出现严重泄漏的问题（表1）。偶尔日常生产中出现微小漏气，将滤筒加力紧固，增大聚四氟乙烯垫的变形量即可解决。辅助密封的O 形圈，也没有再发生损坏，说明上游聚四氟乙烯垫的密封性良好。

表1 改进前后两种密封方式的对比

5 结论

此次改进很成功，新的密封方式总结起来有以下优点：①将漏气问题彻底解决，每月避免了2 d 的停机维修时间，一劳永逸，大大提高了生产效率，保证了压缩机的运行时效，减少了维修人员的劳动强度；②操作简单，效果显著，有效解决了油气分离器O 形圈密封频繁破损漏气影响新高压机运行效率的瓶颈问题；③聚四氟乙烯垫片材料易获取，可根据需要自行制作；④避免了漏气造成的高压气浪费。