張芯

摘要：本篇文章依據(jù)027-K101螺桿壓縮機的主要特點詳細闡述了其存在的問題。基于此，依托于其干氣密封的主要結(jié)構(gòu)特點以及材料試驗的基礎(chǔ)上使用干氣密封技術(shù)改造了螺桿壓縮機。

關(guān)鍵詞：螺桿壓縮機；干氣密封；改造

廣西石化將027-K101螺桿壓縮機視為是其關(guān)鍵設(shè)備之一。不過，此類設(shè)備機械在進行密封使用的時候卻逐漸凸顯出了部分問題，比如其中比較明顯的問題就是密封泄漏量大、密封靜壓檢查不合格以及使用壽命短。所以，廣西石化的技術(shù)人員聯(lián)合成都一通密封有限公司的技術(shù)人員開展了詳細的討論，最后決定對其進行密封改造方案，用雙端面干氣密封替代原有的雙端面機械密封。

1 原雙端面環(huán)機械密封結(jié)構(gòu)

027-K101螺桿壓縮機所用的為雙端面機械密封，此類密封需將介質(zhì)壓力大的密封液灌入到密封腔中來進行冷卻沖洗密封。如此一來，還是會有一部分的封液進入到工藝流程之中，之后便需要進行油氣分離操作，但是如果機封損壞，那么油氣分離量則會大幅增加。027-K101螺桿壓縮機干氣密封主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 原羅螺桿壓縮機雙端面機械密封存在問題

2.1 輔助系統(tǒng)要求高

螺桿壓縮機所進行機械密封的大多是氣體，因此密封介質(zhì)必須是水或者是密封油，再加之螺桿壓縮機進行機械密封會產(chǎn)生較大的振動，其中，端面比壓和彈簧比壓較大，所以導(dǎo)致摩擦發(fā)熱量較大，倘若介質(zhì)溫度大于50℃的時候就要立即進行冷卻以及潤滑。

2.2 介質(zhì)被密封液污染

機械密封端面是需要持續(xù)使用潤滑液膜才可以使得密封保持正常運轉(zhuǎn)，但是不管是使用單端面或者是雙端面密封結(jié)構(gòu)，要想保證工藝介質(zhì)不外泄，其密封液壓力都需要比介質(zhì)壓力高，否則必然會導(dǎo)致密封液泄漏進介質(zhì)中，從而對介質(zhì)純度產(chǎn)生不利影響。

2.3 環(huán)境污染問題

機械密封一定會存在泄漏問題，不管封油更換還是密封裝拆都會導(dǎo)致密封油泄露到環(huán)境之中的結(jié)果，因此會對環(huán)境產(chǎn)生較大的不良影響。

2.4 檢修頻繁

因為螺桿壓縮機很容易會產(chǎn)生振動，但是機械密封在接觸式運行的過程之中又對振動較敏感。所以很容易造成密封更換檢修量大以及工作壽命短的問題[1]。因此在后續(xù)維護的工程之中會產(chǎn)生很多費用。

2.5 功率消耗大

端面接觸運行需要消耗很多的功率。并且，如果是因為密封系統(tǒng)和機械密封使用故障問題而引發(fā)的系統(tǒng)停車以及螺桿壓縮機停車問題，那么將會產(chǎn)生難以估計的經(jīng)濟損失。所以，倘若以上這些問題出現(xiàn)在螺桿壓縮機機械密封之中，那么為了持續(xù)提升螺桿壓縮機運行穩(wěn)定性、可靠性以及安全運行性并使得裝置經(jīng)濟效益和運行水平得以提升，成都一通密封有限公司為螺桿壓縮機用量身定做了雙端面干氣密封。

3 干氣密封工作原理

3.1 端面槽型選擇

被用在螺桿壓縮機干氣密封之中的彈簧、密封副以及輔助密封圈都是通過動環(huán)與靜環(huán)共同組成的。其最大的特點就是在加工的過程之中，動環(huán)密封面上部均勻分布了一些淺槽，這些淺槽的槽深為幾微米[2]。其實，干氣密封有著眾多槽型，其中最為常見的就是單向螺旋槽型以及雙向旋轉(zhuǎn)T型槽（見圖1a和圖1b）。為了保障在穩(wěn)定的低轉(zhuǎn)速下會產(chǎn)生較強流體動壓效應(yīng)，成都一通公司所使用的為單向螺旋槽。

3.2 干氣密封作用原理

圖2為存在螺旋槽的密封端面的主要結(jié)構(gòu)。其是通過流槽、密封堰以及密封壩共同組成，一般會在密封環(huán)端面直徑以及外徑中間的部分進行動壓效應(yīng)螺旋槽加工，因此也被稱之為流體動壓槽。螺旋槽中間的平臺是密封堰，其主要作用就是對氣體圓周方向流動進行阻止，從而提升升壓作用。環(huán)內(nèi)徑和槽內(nèi)徑中間部分為密封壩，密封壩的作用就是使得螺旋槽可以產(chǎn)生足量流體動壓泄漏。這就意味著，流體動壓槽發(fā)揮著泵送作用，從而可以形成流體膜并生成流體膜承載能力。密封流體膜所生成的靜壓以及動壓承載能力會對流體圓周泄漏進行阻止，而密封壩流體膜所生成的靜壓承載能會對流體半徑泄漏進行阻止。這就表明，此端面密封是通過承載的軸承部分以及阻漏的密封部分所形成的動壓氣體端面以及流體靜進行機械密封的。密封端面螺旋槽的中有包括對數(shù)螺旋線以及阿基米德螺旋線在內(nèi)的兩種槽型線，而在反應(yīng)釜密封面中所使用的則是對數(shù)螺旋線。在進行干氣密封旋轉(zhuǎn)的時候，被密封的氣體通過環(huán)外周滲入到形螺旋槽之中并且沿著槽向內(nèi)徑方向進行流動，直到最后到達密封壩，而密封壩阻礙了氣體流向低壓側(cè)，隨之，氣體跟隨螺旋槽形狀被逐漸壓縮，導(dǎo)致局部高壓區(qū)出現(xiàn)在槽根部并使得氣體自身壓力得以提升，而此流體動壓力則是通過動環(huán)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的[3]。流體動壓力被施加于補償環(huán)之上并且使得動環(huán)和靜環(huán)相分離，其被稱之為開啟力。而施加于補償環(huán)之上彈簧力以及介質(zhì)力則是使得動環(huán)和靜環(huán)緊密貼合在一起，其被稱之為閉合力。如果開啟力等同于閉合力的話，在動靜環(huán)兩個密封面中的流動氣體會產(chǎn)生一層大約為3微米的氣膜。根據(jù)氣體動力學(xué)顯示，如果干氣密封兩端面間隙為2～3微米，那么此時的間隙氣體流動層則是最為穩(wěn)定的。

4 螺桿壓縮機干氣密封

4.1 總體結(jié)構(gòu)以及優(yōu)點

雙端面干氣密封以及串聯(lián)式干氣密封都是螺桿壓縮機進行干氣密封的比較常用的結(jié)構(gòu)。在分析了以上干氣密封的主要結(jié)構(gòu)特點之后，再結(jié)合相應(yīng)的條件，繪制出了如圖3所示的結(jié)構(gòu)簡圖。實現(xiàn)了工藝介質(zhì)零泄漏之后，使用新型的 “氣體阻塞”替代“液體阻塞”（也就是將帶壓密封液轉(zhuǎn)變?yōu)閹好芊鈿猓┮源_保工藝介質(zhì)完全不會逸出。此外，其 功率消耗實際是比較小的，因此使用壽命更長，再加之整套密封是處于非接觸運行的狀態(tài)，所以不會產(chǎn)生磨損和摩擦。此類密封系統(tǒng)比較簡單、方便操作。而且因為密封是處于非接觸隱形的狀態(tài)，所以端面不會有摩擦熱，如果介質(zhì)溫度低于200℃則可不用使用冷卻潤滑系統(tǒng)。因為干氣密封不再使用油系統(tǒng)，所以可以完全防止密封油滲入到工藝介質(zhì)和環(huán)境之中，完全不會污染到工藝介質(zhì)和環(huán)境。同時，其抗軸擺動性能良好、運行費用比較低，只需要穩(wěn)定連續(xù)的氣源而不需要進行額外的維護。雖然投入成本稍高，但日常運行費用低。

4.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

干氣密封的內(nèi)部氣體在流動的過程之中所經(jīng)過的氣膜為微米級。這就表示如果其中出現(xiàn)了微小的變化，那么很有可能會引起動靜密封環(huán)中出現(xiàn)大量的的干摩擦以及泄漏，所以為了保證干氣密封可以安全地運行下去，就必須要確保氣膜的安全穩(wěn)定性。但是，氣體端面密封是否具有可靠性和穩(wěn)定性將直接取決于其動力學(xué)特性。一般而言，不管是將哪種槽型加入到干氣密封端面上都有可以引發(fā)流體動壓效應(yīng)。根據(jù)研究顯示，螺旋槽干氣密封在工作的過程中會產(chǎn)生極強的流體動壓效，因此在這個時候產(chǎn)生的密封端面間氣膜剛度也是最大的。因此，我們使用到了螺旋槽干氣密封結(jié)構(gòu)。如果想要確保在低速的狀態(tài)下干氣密封也能具備優(yōu)良的密封性能，那么則需使用到有限元計算程序來優(yōu)化干氣密封端面的全部螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)[4]。在進行優(yōu)化的過程之中，優(yōu)化的最終目標就是使得干氣密封獲得最佳氣膜剛度。同時，計算干氣密封剛漏比的步驟也是必不可少的，以確保密封存在較大氣膜剛度以使得氣體泄漏量較小。

4.3 干氣密封材料

一旦確定了干氣密封結(jié)構(gòu)之后，就需要將重點放在密封元件材料之上，其實解決密封問題的的關(guān)鍵部分。包括摩擦副材料在內(nèi)的密封元件的選擇都是復(fù)雜的。螺桿壓縮機的摩擦副材料大多位碳化硅以及浸金屬碳石墨配對，前者具有較好的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性、耐熱沖擊性，可以說是最佳摩擦副材料之一。而后者具有孔隙率小、熱膨脹系數(shù)小、較高抗壓強度以及導(dǎo)熱系數(shù)高等優(yōu)勢。

4.4 干氣密封系統(tǒng)

在干氣密封的整體過程中，控制系統(tǒng)是不可或缺的一個組成部分。其控制系統(tǒng)所發(fā)揮的關(guān)鍵作用就是給干氣密封中輸入干凈氣體，同時還兼顧著監(jiān)測干氣密封運轉(zhuǎn)的責(zé)任，從而保障干氣密封可以安全運行下去。控制系統(tǒng)由多個單元組成，具體流程圖如圖4所示。過濾單元所使用的是過濾精度大約為一微米的高精度過濾器。因此，輸入到干凈密封中的密封器都是十分干凈，所以密封端面可以確保正常安全運行。進行密封氣調(diào)節(jié)的最終目的就是為了使得凈化密封氣壓力要大于密封腔工藝介質(zhì)壓力，從而避免出現(xiàn)密封損壞問題。系統(tǒng)能夠配置包括壓力開關(guān)在內(nèi)的監(jiān)控儀表，也能夠監(jiān)控中控室的密封工作狀況。要想保證密封正常運行，就必須要將密封泄漏量視為關(guān)鍵指標。不過需要注意的是，干氣密封控制介質(zhì)為氣體，所以無法用肉眼觀察氣體泄漏量，因此必須要借助儀表。

5 試驗驗證

當設(shè)計完干氣密封之后，筆者所在公司進行了干性能模擬試驗。根據(jù)實驗結(jié)果顯示，我們所設(shè)計的羅茨風(fēng)機干氣密封的密封性能良好，完全滿足現(xiàn)場運轉(zhuǎn)需求。

6 干氣密封和機械密封性能的對比

7 結(jié)論

根據(jù)干氣密封的實驗室試驗結(jié)果顯示，在計算機技術(shù)的基礎(chǔ)之上所優(yōu)化的螺桿壓縮機干氣密封可以實現(xiàn)密封非接觸運行，因此具有穩(wěn)定可靠的密封性能。并且，所設(shè)計出的控制系統(tǒng)在保障簡單可靠的同時還可以滿足螺桿壓縮機長期運行的需要。在將原有密封改造成干氣密封后，大大減少了能耗和物料消耗，因此創(chuàng)造出了極好的經(jīng)濟收益。此外，干氣密封被成功地應(yīng)用在螺桿壓縮機上，這使得干氣密封應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大，相關(guān)的新技術(shù)也被逐漸開發(fā)出來，共同促進了壓縮機干氣密封技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻：

[1]陳德才，崔德容.機械密封設(shè)計制造與使用.機械工業(yè)出版社，1993.

[2]王汝美.實用機械密封技術(shù)問答（第二版）.中國石化出版社，2004.

[3]顧永泉.機械密封實用技術(shù).機械工業(yè)出版社，2002.

[4]丁雪興，王悅，張偉政，俞樹榮，杜兆年.螺旋槽干氣密封潤滑氣膜角向渦動的穩(wěn)定性分析[J].北京化工大學(xué)學(xué)報，2008，35（2）：82-86（EI：081511196625）.