， ， ， (中國石油 獨山子石化分公司， 新疆 獨山子　833699)

中國石油新疆獨山子石化分公司乙烯廠尾氣壓縮機(21-K-2471)為德國MAN公司提供的蒸汽透平機驅(qū)動的單級雙螺桿壓縮機。該機組由透平機、變速箱、螺桿壓縮機組3個主要部分構(gòu)成，這3部分共用1個油系統(tǒng)。該壓縮機輸送介質(zhì)為富氫尾氣，額定質(zhì)量流量為10 025 kg/h，軸封為浮環(huán)密封，轉(zhuǎn)速3 511 r/min。自2009年運行至今，該壓縮機共進行了5次解體檢修，其中碳環(huán)密封更換了4次。該碳環(huán)密封為福斯公司制造，單套售價660萬元左右。福斯碳環(huán)密封不僅價格昂貴，而且故障率高，無法滿足該設備所在裝置4 a檢修一次的要求。為了延長設備平穩(wěn)運行時間及降低設備檢維修費，調(diào)研了國內(nèi)幾家密封廠家的生產(chǎn)和技術(shù)情況，決定對該壓縮機密封系統(tǒng)進行改造。

1　壓縮機碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)

單級雙螺桿壓縮機原裝配套密封為德國福斯公司生產(chǎn)的串聯(lián)式碳環(huán)密封,結(jié)構(gòu)見圖1。該密封為8級結(jié)構(gòu)，其中介質(zhì)側(cè)5級，大氣側(cè)3級，高壓端和低壓端的結(jié)構(gòu)相同，輔助系統(tǒng)為蒸汽和氮氣兩級密封。該碳環(huán)密封在驅(qū)動和非驅(qū)動端各有2套，結(jié)構(gòu)基本相同，僅介質(zhì)側(cè)壓蓋軸向尺寸稍有差別。

圖1　單級雙螺桿壓縮機原裝進口碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)

2　進口碳環(huán)密封失效原因分析

2.1　密封失效情況

壓縮機前5次解體檢修結(jié)果表明，靜密封失效導致密封失效1次，動密封失效導致密封失效4次。靜密封失效主要是由于O形圈選型安裝不當造成的[1]，動密封失效涉及原因較廣，也是影響碳環(huán)密封壽命的主要因素。在碳環(huán)密封改造之前，密封使用壽命只有一次達到了API 682—2014《離心泵和轉(zhuǎn)子泵用軸封系統(tǒng)》[2]要求的25 000 h，拆檢過程中主要發(fā)現(xiàn)以下問題：①碳環(huán)磨損不一，單圈碳環(huán)及不同位置的各道碳環(huán)磨損量差別很大，有的碳環(huán)已經(jīng)磨損失效，而有的碳環(huán)磨損量幾乎可以忽略。②碳環(huán)補償彈簧經(jīng)常被聚合物限制，無法自由伸縮或彈簧補償量不夠。③碳環(huán)上粘附大量聚合物。

2.2　靜密封失效分析

該碳環(huán)密封靜密封方式均為O形圈密封。O形圈密封原理簡單[3]，通常情況下只要材質(zhì)選用得當、尺寸合適、安裝精準就不會導致密封失效[4]。雖然該臺壓縮機上發(fā)生過1次O形密封圈選用不當導致的密封失效，但是靜密封泄漏的可能性相對較小。選用O形密封圈時一定要考慮在不同工況及溫度下密封槽和O形密封圈的膨脹量以及輸送介質(zhì)對O形密封圈的腐蝕性[5]。

2.3　動密封失效分析

動密封失效是碳環(huán)密封失效的主要形式。福斯公司的碳環(huán)密封采用自動磨損平衡技術(shù)設計[6]。當壓縮機未開機時，碳環(huán)和軸套靜止接觸。開機后軸套隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的過程中，碳環(huán)和軸套自動磨損，磨損出的間隙尺寸滿足通過的密封氣恰好能夠支撐碳環(huán)浮起，從而達到最小的間隙、最小的泄漏量和最小的密封氣消耗量。這樣的動密封屬于浮環(huán)密封，是非常先進的密封技術(shù)[7]，其失效往往涉及多方面的因素。結(jié)合實際檢修情況分析碳環(huán)動密封失效的原因，主要有3點。

2.3.1氣膜壓力不穩(wěn)

碳環(huán)和軸套之間的密封腔體內(nèi)氣膜壓力不穩(wěn)定，會導致碳環(huán)浮動異常，進而使碳環(huán)和軸套之間上下間隙不一致，最終出現(xiàn)偏磨。出現(xiàn)這種情況主要原因是密封氣壓力波動和安裝質(zhì)量問題。安裝質(zhì)量主要涉及軸套的安裝對中，如果軸套沒有損傷，則壓縮機陰陽轉(zhuǎn)子軸肩的同心度一般都符合要求，安裝時注意即可。

氣膜壓力波動導致的碳環(huán)密封偏磨，可以結(jié)合圖1進行分析。碳環(huán)密封的密封蒸汽有兩股，分別為密封氮氣和密封蒸汽。密封蒸汽的作用是阻止介質(zhì)泄漏，密封蒸汽在碳環(huán)內(nèi)分作兩路流動，流向分別為，①蒸汽注入口—碳環(huán)C—碳環(huán)B—碳環(huán)A—介質(zhì)側(cè)。②蒸汽注入口—碳環(huán)D—碳環(huán)E—排放口。密封氮氣的作用是阻止?jié)櫥托孤?，密封氮氣在碳環(huán)內(nèi)分作兩路流動，流向分別為，①氮氣注入口—碳環(huán)1—潤滑油側(cè)。②氮氣注入口—碳環(huán)2—碳環(huán)3—排放口。密封氣的流向都是從高壓側(cè)流向低壓側(cè)，結(jié)合福斯公司的自動磨損平衡技術(shù)可以推測，全新碳環(huán)密封在使用初期碳環(huán)和軸套處于接觸狀態(tài)[8]，氣體無法通過或通過量很少，隨著碳環(huán)密封使用過程的延續(xù)，從密封氣高壓側(cè)到低壓側(cè)的密封碳環(huán)逐個依次形成穩(wěn)定的密封氣膜。當穩(wěn)定狀態(tài)的氣膜形成后，碳環(huán)和軸套就分離開來，磨損將會明顯減緩。依此進一步推斷，低壓側(cè)的碳環(huán)磨損量應較大[9]。

實際的碳環(huán)磨損情況與上述的技術(shù)分析推測結(jié)果并不相同。全新密封碳環(huán)厚度為9.4 mm，幾次檢修對碳環(huán)的拆解測量數(shù)據(jù)見表1。從表1可以看出，高壓一側(cè)碳環(huán)磨損量明顯較大，尤其是密封氣主入口的第一道碳環(huán)。針對檢修過程中實際測得的數(shù)據(jù)進行進一步的過程分析。碳環(huán)在剛開始運行時的情況符合前述分析，表現(xiàn)為低壓側(cè)的碳環(huán)磨損量較大。但是當所有碳環(huán)全都形成穩(wěn)定的氣膜后出現(xiàn)密封氣的壓力波動，情況就會發(fā)生變化。最先受到影響的是高壓一側(cè)碳環(huán)和軸套之間的氣膜，它會傳遞密封氣的波動并造成碳環(huán)損傷。密封氣壓力雖然是靠自勵閥控制，但是當自勵閥的閥前壓力出現(xiàn)波動時，自勵閥閥后的背壓也會隨之波動，因此檢修時才有密封氣高壓一側(cè)碳環(huán)，尤其是主入口處的碳環(huán)磨損較快的現(xiàn)象。因此，嚴格控制密封氣壓力，包括密封氮氣和密封蒸汽壓力對延長碳環(huán)密封的使用壽命至關重要。

表1　碳環(huán)解體時碳環(huán)厚度測量數(shù)據(jù)　mm

2.3.2補償彈簧彈性疲勞

福斯公司原裝進口碳環(huán)密封內(nèi)部結(jié)構(gòu)及密封磨損情況見圖2。

從圖2可以看出，福斯公司設計的碳環(huán)密封有軸向的鐲形補償彈簧和垂直于軸向的柱形補償彈簧。通常碳環(huán)磨損后，碳環(huán)在補償彈簧的推動下仍能保證碳環(huán)和密封座之間的間隙，維持原來的密封效果[10]。

圖2　進口碳環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

碳環(huán)的補償彈簧疲勞后，將不能提供需要的補償尺寸。隨著使用時間的推移，將依次出現(xiàn)碳環(huán)和密封座之間的間隙變大、密封氣的通過量變大、泄漏量增大，直至嚴重時密封失效。實際檢修過程中，每次都會發(fā)現(xiàn)彈簧補償失效的情況。

2.3.3工藝介質(zhì)泄漏和結(jié)焦

非正常情況下工藝介質(zhì)發(fā)生泄漏并進入碳環(huán)密封內(nèi)部時，將會發(fā)生結(jié)焦并導致碳環(huán)密封浮動異常。當密封氣壓力較低以及碳環(huán)密封彈簧補償失效后，碳環(huán)密封兩側(cè)平衡壓力被打破，造成一定量的工藝介質(zhì)反躥至碳環(huán)密封腔體。這部分工藝介質(zhì)，包括所輸送的工藝氣體和潤滑油，會在密封腔體內(nèi)部聚合結(jié)焦。

密封腔體內(nèi)部長期結(jié)焦導致的失效密封外觀形貌見圖3和圖4。

圖3　內(nèi)部結(jié)焦后失效密封外觀形貌(一)

圖4　內(nèi)部結(jié)焦后失效密封外觀形貌(二)

3　單級雙螺桿壓縮機碳環(huán)密封國產(chǎn)化改造

3.1　國產(chǎn)化技術(shù)方案

向國內(nèi)多家密封件制造廠家技術(shù)咨詢后，通過對各家改造方案的對比，最終優(yōu)選了大連華陽密封有限公司的改造建議。改造之后的浮環(huán)密封低壓側(cè)結(jié)構(gòu)見圖5[11]。

3.2　國產(chǎn)化技術(shù)特點

3.2.1自然分體式密封環(huán)

福斯公司的碳環(huán)采用自動磨損平衡技術(shù)，一個完整的碳環(huán)由兩瓣組成，碳環(huán)接口處必須留有間隙，否則就會破壞鐲形彈簧對碳環(huán)磨損量的補償，使補償無法形成。這種搭接式結(jié)構(gòu)在接口處形成了新的泄漏點，并且該處的泄漏會造成碳環(huán)密封局部泄漏量大而導致碳環(huán)的偏磨。華陽密封的密封環(huán)采用自然分體式結(jié)構(gòu)，碳環(huán)在接口處幾乎不存在間隙，能夠避免福斯公司搭接式碳環(huán)在接口處的泄漏。但同時碳環(huán)磨損后也是無法補償?shù)?，密封氣的通過量會隨著運行時間的延長逐漸增大。針對這個問題，華陽密封采用更耐磨的密封組件，軸套采用特殊合金鍍層，硬度更高、耐磨性更好。此外，研磨了碳環(huán)對應的密封座，將軸套的表面粗糙度由3.2 μm提高至1.6 μm，軸向竄動允差由0.3 mm降至0.2 mm，提高了金屬件的平整度，使碳環(huán)與金屬座的貼合更緊密，減少碳環(huán)的磨損，提高其使用壽命。

圖5　改造后浮環(huán)密封低壓側(cè)方案

3.2.2柱形彈簧改進

調(diào)整了碳環(huán)柱形彈簧的側(cè)向彈簧力及其金屬座的貼合面積。調(diào)整后，一方面使碳環(huán)在工作狀態(tài)時保持與金屬座的貼合，形成端面接觸，阻止端面泄漏，另一方面增加了碳環(huán)的浮動性，使碳環(huán)與軸徑方向始終保持微小的間隙，從而減少了碳環(huán)的磨損[12]，具體可參考碳環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(圖2)。福斯密封和華陽密封對于圖2中泄漏途徑A的密封應用了相同的原理，均借助柱形彈簧擠壓碳環(huán)緊密貼合密封座來阻止泄漏。華陽密封此次改進主要包括通過增大柱形彈簧的彈力來提高碳環(huán)的貼緊力，增大彈簧的直徑使彈力更加均勻地分布在碳環(huán)上，避免碳環(huán)和密封座的偏磨。

3.2.3碳環(huán)內(nèi)部動壓槽改進

碳環(huán)內(nèi)部動壓槽增加動壓效果，使碳環(huán)運轉(zhuǎn)時浮動效果更佳，使用壽命更長。碳環(huán)內(nèi)部動壓槽的改進主要是為了減少圖2中泄漏途徑B的泄漏并改善碳環(huán)運轉(zhuǎn)時的浮動效果[13]。福斯密封和華陽密封對于圖2中泄漏途徑B應用了相同的密封原理，即通過鐲形彈簧來提供預緊力。當鐲形彈簧的彈力和密封蒸汽通過泄漏途徑B時產(chǎn)生的浮力動態(tài)平衡時，碳環(huán)密封處于穩(wěn)定狀態(tài)工作，不同的是華陽密封在與軸套接觸的碳環(huán)端面上刻了動壓槽，可以保證只有少量氣體通過時碳環(huán)仍能保持正常浮動，保證碳環(huán)和軸套不接觸。此外，刻了動壓槽的碳環(huán)在平穩(wěn)運行時碳環(huán)和軸套的間隙更小，密封蒸汽消耗量也小。

3.2.4碳環(huán)防旋轉(zhuǎn)改進

密封環(huán)旋轉(zhuǎn)對華陽密封和福斯密封的影響不同。華陽分體式碳環(huán)密封中組成同一個密封圈的2個碳環(huán)接口是緊密接觸的，縫隙很小。福斯公司采用自動磨損平衡技術(shù)的碳環(huán)密封中組成同一個密封圈的2個碳環(huán)接口縫隙很大，而且只有保持一定的縫隙才能實現(xiàn)磨損補償，通過縫隙泄漏的密封氣體量也較大。因此，福斯密封必須保持碳環(huán)接口錯位，受碳環(huán)轉(zhuǎn)動的影響更大。

華陽密封改進了碳環(huán)的防旋轉(zhuǎn)方式，使其在設備運轉(zhuǎn)時受到的沖擊力更小，降低其磨損。碳環(huán)的轉(zhuǎn)動主要發(fā)生在壓縮機開、停機過程中，此時碳環(huán)密封尚未形成穩(wěn)定的軸向力和徑向力，密封蒸汽通過圖2中的泄漏途徑A和B時都會產(chǎn)生相應方向上的力。改造后的碳環(huán)密封泄漏量減少，就相當于密封蒸汽波動的瞬時受力減小了。此外，改造后在碳環(huán)密封主要泄漏途徑B對應的碳環(huán)密封端面刻了動壓環(huán)，可以分解、抵消此方向泄漏產(chǎn)生的力，從而減少碳環(huán)密封的旋轉(zhuǎn)。

3.2.5密封材料升級

碳環(huán)改用優(yōu)質(zhì)進口石墨材料，輔助密封圈改用全氟醚橡膠圈。該石墨材料具有強度高、自潤滑性好及耐高溫的特點。全氟醚O形圈可以有效避免介質(zhì)腐蝕。

4　單級雙螺桿壓縮機密封國產(chǎn)化改造效果

4.1　模擬試驗效果

采用大連華陽密封的碳環(huán)密封設計分析軟件對改造后的碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)設計及性能進行了預測。預測結(jié)果為結(jié)合了傳熱學[14]和計算流體力學CFD[15]，通過耦合求解得到的理論計算值。模擬分析的初始輸入條件為，溫度50 ℃、高壓側(cè)壓力135 kPa(A)、低壓側(cè)壓力101.3 kPa(A)、轉(zhuǎn)速3 511 r/min、介質(zhì)為氮氣、密封型式為H259-3400。模擬預測獲得的華陽密封的試驗壓力分布、試驗溫度分布、密封端面流體膜分布[16]分別見圖6～圖8。

圖6　華陽密封試驗壓力沿軸向長度分布

圖7　華陽密封試驗溫度沿軸向長度分布

圖8　華陽密封密封端面流體膜厚分布云圖

圖6為3級碳環(huán)密封的壓力分布，即沿軸向從高壓側(cè)135 kPa到低壓側(cè)大氣壓的壓力分布圖，圖6、圖7主要顯示了華陽密封在給定工況下的性能。

圖8為內(nèi)部開動壓槽后單級碳環(huán)的膜厚分布云圖，顯示了密封環(huán)內(nèi)部開動壓槽后單級碳環(huán)的性能變化，開動壓槽后可降低接觸比壓，從而減少碳環(huán)與軸套磨損，提高碳環(huán)壽命。

總泄漏量(標準狀況下)隨時間變化曲線見圖9。圖9表明，國產(chǎn)化碳環(huán)密封可以滿足本生產(chǎn)裝置對碳環(huán)密封使用條件的要求，效果較好。

4.2　實際應用效果

2016-10，對獨山子石化苯乙烯裝置尾氣壓縮機進行了改造試驗。實際使用效果表明，實測的密封泄漏量與模擬分析的小流量非常接近，試驗290 min密封最大泄漏量3.8 m3/h，開機后48 h，根據(jù)密封蒸汽排放量測算泄漏量小于4 m3/h。初步判斷，可以借助密封模擬分析軟件預知設計密封參數(shù)，如泄漏量、升溫、氣膜厚度變化時的密封效果。

圖9　運轉(zhuǎn)試驗華陽密封總泄漏量隨時間變化曲線

5　結(jié)語

獨山子石化公司苯乙烯裝置尾氣壓縮機碳環(huán)密封國產(chǎn)化改造基本達到了預期的效果。國產(chǎn)化改造后，檢修費用明顯減低，成套進口密封售價660萬元左右[17]，改造后的成套密封售價不到300萬元。模擬預測的密封泄漏量非常接近實測值，可以相對準確地預知設計密封參數(shù)，如泄漏量、升溫、氣膜厚度變化時的密封效果。改造之后的碳環(huán)密封能否達到4 a一修的目標還有待進一步的考察。

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