| PEEK产品在天然气压缩机（CNG）中的应用
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核心提示：本文讨论了将聚醚醚酮（PEEK）材料应用到CNG压缩机的生产中，针对CNG压缩机各个部位密封产品的不同个性需求，进行材料配方的选择及产品结构的设计。并介绍了PEEK产品的实际应用结构、尺寸。 PEEK密封产品经CNG压缩机用户应用，在高温、高压、无油或少油润滑密封的工况中取得了理想的效果。
关 键 字：PEEK 天然气压缩机 CNG
前言
天然气汽车加气站（常规站、子站、母站）的关键设备是CNG压缩机，CNG压缩机具有节省能源，运行稳定的特点是未来装备制造业发展的方向，随着国内压缩机制造水平的提高，我国自行研发的CNG机在市场的占有率也越来越高，作为压缩机密封配件的专业制造商，我们以市场的需要为导向，对不同用户CNG机中的阀片、支撑环、活塞环、及填料方面进行了研发，针对不同厂家的个性需求，选择以PEEK为基体材料添加各种辅助材料解决CNG机的密封需要，产品共有的特点是：耐磨性优异，使用寿命长。解决了CNG机高温、高压的密封技术难题，使PEEK产品在CNG机的应用成为一种趋势。CNG压缩机是经优化设计的产品，其中气阀部分，活塞及填料部分的密封是整机运行质量的关键，PEEK产品在无油或少油润滑的CNG机中显示出优势，在产品设计时有一些特殊性，我们将近些年应用到CNG压缩机中PEEK产品的经验，进行了整理在这里和读者共同分享一下。
1.聚醚醚酮（PEEK）阀片
聚醚醚酮阀片简称PEEK塑料阀片，是我公司多年来主导的产品，以它特有的性能被广泛应用于炼油厂、化肥厂和其它化工企业。PEEK塑料阀片在往复压缩机中已是被业内人士普遍认同的成熟产品，现又被CNG主机厂所认可并广为应用。
在CNG压缩机中，阀片是易损部件，它的质量直接影响压缩机的排气量，功率消耗及运转的可靠性。PEEK阀片是根据CNG机的需要设计的，适用于压差在25MPa以下的CNG压缩机。
1.1阀片专用料配方的选择：
机械强度：CNG机对阀片的要求是，机械强度要足够的高，阀片在工作时要承受进、排气的压力作用，如果阀片的机械强度不够，就会出现阀片的变形、或断裂，给生产造成损失。在选择材料配方时，我们以PEEK（本身具有高的机械性能）材料为基料，再填加一些耐磨损的碳纤维、玻纤维等增强的材料制成专用料、使其具有更高的机械强度，和较好的韧性。用这种专用料生产的PEEK阀片能够在工作时吸收大部分的能量，大大减少往复运动带来的撞击噪音，实现了低噪音的运行，保证了CNG机的环保要求。
使用寿命：评价压缩机的质量标准是寿命，高品质的阀片是主机质量的保证，根据CNG机的工作原理的需要，在设计PEEK阀片的配方时要提高材料的耐磨性能、耐疲劳性能，多年来通过用户对产品应用信息的反馈，我们在配方方面不断的改进，现在的阀片专用料的耐磨损性能较纯的PEEK材料增加2-3倍。从而延长了阀片的寿命。塑料阀片与金属阀片相比密度较低，即同体积的阀片具有较轻的重量，因此PEEK塑料阀片在工作状态下受到的冲击力较小，从而由冲击而产生的疲劳损伤大大降低，气阀的寿命得到延长，在CNG机中正常使用寿命可达8000小时。不用经常停机进行维修，维护费用降低，生产效率大幅度提高，达到了 CNG机高生产效率的技术要求。
耐高温性稳定：为CNG机配制的阀片专用料的长期使用温度为250℃，在生产工艺上对阀片产品进行后处理，使其在高温工况下拥有性能和尺寸的稳定性，不致于因温度的变化产生抱死、泄露。CNG压缩机的阀片正常工作温度都在200℃以下，完全能满足CNG机的高温设计要求。
提高密封性能：为达到良好的密封状态，在设计配方时要将专用料做到具有一定的韧性，这样才能使PEEK阀片在工作时达到密封面自动调节功能，才可在24小时内自动完成与接触面性状的微调，使密封效果达到最佳，最短时间内实现高效压缩。
1.2阀片的结构：
材料配方确定后阀片的结构也是提高阀片质量的关键，CNG机用阀片结构大多为网状，也有部分异型状。阀片的厚度、环间隙、中心孔、平面度、圆度都有公差要求的，值得注意的是PEEK阀片的厚度设计，与金属阀片相比，PEEK的强度要低一些，（PEEK阀片主要用于压差25MPa以下的机型），厚度与外径尺寸有关，对于外径大于100的阀片其厚度不能低于4mm,太薄会使平面度保证不了，平面度会超差，会发生泄漏。影响主机的密封质量。以下是我们为某CNG主机厂提供的系列PEEK阀片产品的实际应用的案例：其技术要求和尺寸如下。
阀片技术要求为：
材料要求PEEK，
材质密度1.45g/cm³，
熔点为334℃，
拉伸强度>160MPa，延伸率2.2％，
热膨胀系数1.2×10-5/℃，邵氏硬度HRC>82。使用寿命8000小时
2.PEEK支撑环（导向环）
支承环（导向环）是保证活塞位置度的关键部件，它在活塞中起导向和支撑的作用，并同时具有调节活塞环承受气体流量和压力的作用，能够保证活塞环有一个正常的工作状态，能延长活塞环以及填料密封的寿命。支撑环（导向环）的产品结构设计及加工精度具有同等重要的地位。设计支撑环（导向环）要从以下几个方面考虑。
2.1材料配方
根据支撑环的作用来分析，重点要保证材料的机械强度、硬度、摩擦性能，同时还要根据主机的各级压缩的工况——使用温度，压力，压差等，综合考虑后确定满足要求的专用料。另外，温度也是选择配方应考虑的，PEEK支撑环专用料的长期使用温度可达到250℃，完全适用于条件比较苛刻的工况，目前我们为主机厂提供的支撑环其最高排气温度为190℃。一般来讲用PTFE材质满足不了的工况下建议采用PEEK材料。
2.2结构
在设计支撑环的结构时要考虑：活塞及活塞杆的直径、重量，位置方向（对于不同型式的L型、V型，W型的主机），支撑环的几个重要的尺寸是：外径、厚度、高度、开口尺寸、卸荷槽截面宽度，卸荷槽深度、卸荷槽数量，卸荷槽倾斜角度等，这些尺寸的设计是根据工况来选择。支撑环结构一般可设计成整圆、半圆两种。卸荷槽的截面可根据需要设计为半圆形、长方形，卸荷槽的方向设计一般有三种选择，以轴向为基准其夹角分别为450、300或00为经常选用的。
2.3加工工艺
支撑环在生产加工方面也要有保证，要有专用的工装卡具来保证其加工精度。装配的经验也是必备的，多项综合因素都需要平衡兼顾，才能保证支撑环的性能发挥到最佳。以下为CNG机，压差为15MPa，排气温度为180℃，正常工作的支撑环的实际应用尺寸：
3 PEEK活塞环
活塞环是密封活塞与气缸间隙的部件，它置于活塞的环槽内，工作时外径紧贴气缸壁，阻塞间隙密封气体。它的质量能否达到主机的设计、加工要求，直接涉及到加气站的整机组的质量，有缺陷的活塞环会给用户带来维修量的增加，给生产带来隐患。所以设计高质量的活塞环是主机产品设计工作的重点。设计活塞环主要要考虑因素：活塞中各级的进气、排气温度，进气及排气压力，压差，润滑的方式，气缸的缸径，活塞的环槽宽度、深度等，这些因素直接决定材料配方和产品的结构。
3.1活塞环材料配方
3.1.1各级的进气、排气温度，压力，压差C
NG压缩机分为母站、子站。母站的压缩机压缩的级数一般为3－4级，子站用的压缩机大多为1－2级压缩。PEEK活塞环适用于压力小于25MPa，压差小于25MPa。温度低于250℃的CNG机。
3.1.2 耐高温性,PEEK制作的活塞环能够在200-250℃的温度下长期使用，这一点国际论文已有报道，我们根据这些年给主机厂作密封产品的经验，已对 PEEK高温活塞环进行了高温性能测试，其方法是：用高温活塞环专用料按美国ATSM标准制成测试样条，分别在高温250℃、中温160℃、常温23℃的环境下作机械性能对比试验，结果表明高温活塞环料的机械性能在高温250℃的环境下各项指标仍能保持高于PTFE材料常温下的机械性能。结果表明： PEEK活塞环在高温的工况下，从理论上是安全可靠的。
3.1.3高温下长期使用的稳定性，在配方中我们把材料的线膨胀系数控制在2.5×10－5/℃以下，经多家用户应用证明：用PEEK活塞环专用料加工的活塞环用在CNG机上完全能够满足子、母机的使用温度要求。
3.2润滑方式
CNG机的气缸部分润滑方式：
3.2.1有油润滑，活塞环的自润滑性要求的不高，对于压差高于25MPa的机型，可使用铸铁，铜合金的材质来制作活塞环，这不是本文涉及的内容暂不论述。
3.2.2微油或少油润滑，在压差低于25MPa的机型建议采用PEEK活塞环，与支撑环的配方设计不同之处，活塞环起着摩擦密封的作用，在PEEK材料配方中需要填加润滑材料以降低摩擦系数，使它在运行过程中有小的阻力，提高密封性能，确保主机的安全性。
3.2.3 无油润滑，在活塞环的设计中是比较难以达到的，目前国内的无油润滑有两种体系，一个是PTFE体系，另一个就是PEEK体系，两种体系各有千秋，PEEK 活塞环是用在工况比较恶劣的主机上，（温度较高250℃以下，压力差25MPa、压力25MPa较大的工况下）。PEEK的机械强度较PTFE高5－10 倍左右，价格上PTFE较PEEK更具有优势，为了满足性能和成本的需求，在同一台CNG机中，对于一、二级使用温度低的压差、压力不大的工况下，大多数选择PTFE材料，对于三、四级温度高，压差较大的工况下应选择PEEK材料。无油活塞环的配方更要注意摩擦系数、机械强度、热膨胀系数的兼顾和统一。
3.3设计活塞环的结构：
气缸、活塞都有圆度公差，环槽和环槽端面也有平面度公差，活塞环是利用外缘与气缸内壁相接触，活塞环的结构及几何尺寸是重要的，活塞环的尺寸随着各级温度的不同是动态的，尤其是外径和开口的尺寸大小，在设计产品时理论上要把材料的线膨胀系数算好留量，还需再加上经验系数修正，这样才可避免活塞环因温度的升高发生抱死或因没达到设计的胀量而产生泄漏现象。要达到理想的密封效果，外径和开口尺寸的大小是重要的。
要根据工况需要、气缸的缸径、活塞槽底径等来设计活塞环的结构，下面的几个尺寸很重要，直接影响活塞的密封质量，设计时要根据工况需要全面考虑。
3.3.1几何尺寸：外径、宽度、高度、开口。
3.3.2开口的型式：斜开口、直开口、搭结口。
3.3.3结构方式：整环、两瓣环
3.4 活塞环的数量活塞环的密封是阻塞和节流密封的组合。PEEK活塞环在一、二级活塞环的环槽数为4-6道，在三、四级活塞环的环槽数不超过9-12道，各槽内均置有两个或两个以上活塞环，因活塞环有切口，气体能够通过切口泄漏，同一环槽内放置多个活塞环能够减少泄漏，活塞环的道数与所密封的压力差、环的耐磨性、切口形式等有关，在设计配方时应尽量提高材料的耐磨性，这样可以减少活塞环的环数，缩短气缸轴向的长度，降低环与气缸内壁的摩擦力，降低压缩机的功耗。
4 PEEK填料密封环
填料是密封气缸座和活塞杆间隙的部件，密封的原理是利用阻流和节流两种作用的组合，填料是利用内缘和活塞杆相配合，填料的结构大多为1200切线方向均布，三瓣环。各别主机的填料是整环斜开口，值得重视的是：加工节流环、阻流环时要保证内圆及切线方向的公差尺寸，三瓣的切线方向接触面及内圆要经研磨处理，研磨处理后将三瓣产品组合放到专用检具检测，研磨处组合一体后以不透光线为合格品。
结束语
PEEK 阀片、支撑环、活塞环、填料密封环是CNG机的关键密封部件，都是密封产品但因产品的个性需要不同，在产品的材料配方设计上每一种产品的侧重点也不同，产品的差异性满足了主机的整体密封需要。随着各个用户对产品需求的不同，满足用户工况需求的PEEK密封产品也在不断的改进，推出高品质的密封产品是市场的需要，完美的密封产品在技术上还有许多细化的工作要去做。
参考文献：
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（2）郁永章等天然气汽车加气站设备与运行北京中国石化出版社2006
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（5）林玉娟等往复压缩机密封材料和结构的优选与优化压缩机技术2005(5)27-28
（6）钱向仙无备机的石化工艺用往复压缩机的设计和制造压缩机通讯2006(4)15-32
（7）《中国压缩机》2006.10（8）二十一世纪国内外压缩机技术进展与市场需求2004
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