丁二烯螺桿壓縮機(jī)軸端密封的改造

蔣雄偉

( 中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，200540)

B-GB1101 螺桿式壓縮機(jī)是中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部53 kt/a 丁二烯裝置新區(qū)的丁二烯氣體壓縮機(jī)，由英國豪頓公司生產(chǎn)，為單缸、雙段、無油干式、垂直剖分雙螺桿壓縮機(jī)，型號為HPS408/HS255，機(jī)組軸端密封由英國約翰克蘭公司配套，于2002 年4 月投入使用。該壓縮機(jī)用于丁二烯提純工藝，從氣提到萃取、精餾的流程中提升丁二烯氣體的壓力。機(jī)組自投用以來，軸端密封始終存在嚴(yán)重泄漏，導(dǎo)致裝置運(yùn)行周期短，機(jī)組潤滑油消耗量大，嚴(yán)重影響丁二烯新區(qū)裝置的正常生產(chǎn)運(yùn)行，更不能滿足今后裝置長周期安全運(yùn)行的需要，同時還存在軸端密封進(jìn)口價格昂貴，供貨周期長的問題。

在對國內(nèi)同類機(jī)組及多家機(jī)械密封供應(yīng)商充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，決定對B -GB1101 壓縮機(jī)軸端密封進(jìn)行國產(chǎn)化改造，采用先進(jìn)的流體動壓碳石墨浮環(huán)密封和油膜潤滑非接觸式機(jī)械密封的組合結(jié)構(gòu)。改造后于2011 年投入使用，滿足當(dāng)初改造時提出的技術(shù)要求，消除了原軸端密封潤滑油泄漏的隱患，也為裝置的安穩(wěn)運(yùn)行提供了保障。

1 B-GB1101 螺桿式壓縮機(jī)機(jī)組簡介

B -GB1101 螺桿壓縮機(jī)的輸送介質(zhì)為丁二烯及少量二甲基甲酰胺(DMF)，電機(jī)驅(qū)動功率為860 kW，設(shè)計(jì)能力為7 000 m3/h，額定轉(zhuǎn)速為4 700 r/min，壓縮機(jī)原來配套的軸端密封由約翰克蘭公司生產(chǎn)的接觸式機(jī)械密封和浮環(huán)式碳環(huán)密封(如圖1 所示)組合而成，一段、二段共有不同規(guī)格的浮環(huán)式碳環(huán)密封24 只，機(jī)械密封8 套，密封油采用46#防銹透平油。

圖1 壓縮機(jī)原軸端密封結(jié)構(gòu)

2 進(jìn)口軸端密封存在的問題及泄漏原因分析

通過幾次機(jī)組大修，對已損壞的碳環(huán)及機(jī)械密封進(jìn)行仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)如下問題:

(1)機(jī)械密封動環(huán)密封面磨損、結(jié)焦嚴(yán)重。動環(huán)材料為硬質(zhì)合金，密封端面開設(shè)有流體槽，拆檢后發(fā)現(xiàn)動環(huán)密封區(qū)域流體槽全部磨損，內(nèi)徑側(cè)布滿顆粒狀結(jié)焦物。

密封面流體槽的主要設(shè)計(jì)思路是將潤滑油通過溝槽引入密封端面起潤滑作用，但由于密封彈簧比壓過大造成密封端面產(chǎn)生大量摩擦熱，介質(zhì)在高溫下自聚形成結(jié)焦物，造成密封端面無法實(shí)現(xiàn)非接觸式運(yùn)轉(zhuǎn)，因此認(rèn)為密封面的磨損主要因接觸摩擦造成。

(2)浮環(huán)式碳環(huán)密封磨損嚴(yán)重，與軸頸配合尺寸超差。碳環(huán)密封主要依靠控制碳環(huán)和軸頸之間形成的微小間隙(間隙要求控制在0.08 ～0.10 mm)來實(shí)現(xiàn)節(jié)流降壓作用。密封拆檢后發(fā)現(xiàn)與碳環(huán)接觸處的轉(zhuǎn)子溝狀磨損嚴(yán)重(如圖2 所示)，最大處磨損量達(dá)0.06 mm，且碳環(huán)磨損嚴(yán)重，內(nèi)徑超差最大值為0.20 mm。碳環(huán)內(nèi)徑處、碳環(huán)與隔環(huán)之間聚集了大量結(jié)焦物，碳環(huán)失去了自由浮動性。

圖2 轉(zhuǎn)子磨損情況

(3)機(jī)械密封靜環(huán)端面破損。拆檢發(fā)現(xiàn)密封靜環(huán)端面磨損(如圖3 所示)，局部出現(xiàn)貫穿性破裂，破裂缺口是泄漏的主要通道。通過對拆卸的密封重新核算彈簧比壓及彈簧力，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組8套密封均出現(xiàn)彈簧比壓過大，造成密封端面過熱，密封端面發(fā)生變形，加劇了端面磨損;另外，因介質(zhì)中含有高滲透性溶劑DMF，溶劑浸入由樹脂填充的石墨環(huán)，破壞了材料固有結(jié)構(gòu)，造成端面皰疤、脫落。

圖3 靜環(huán)拆卸后情況

由此可見，造成機(jī)組原配機(jī)械密封泄漏的主要原因?yàn)闄C(jī)械密封設(shè)計(jì)缺陷，原設(shè)計(jì)碳環(huán)及接觸式機(jī)械密封無法滿足機(jī)組運(yùn)行工況要求，與工藝操作及安裝檢修無關(guān)。為實(shí)現(xiàn)機(jī)組密封組件長周期無泄漏運(yùn)行，必須從根本上對現(xiàn)有密封組件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，從而確保機(jī)組長周期、安全、可靠運(yùn)行。

3 軸端密封改造措施及對策

通過對原進(jìn)口軸端密封存在的主要問題進(jìn)行分析，參考國內(nèi)幾家密封廠家的改造經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，提出采用先進(jìn)的軸端密封(油膜潤滑非接觸式機(jī)械密封和流體動壓碳石墨浮環(huán)密封組合結(jié)構(gòu))進(jìn)行技術(shù)改造。

3.1 油膜潤滑非接觸式機(jī)械密封

油膜密封是液膜潤滑非接觸式密封的一種，它借助密封端面開設(shè)的流體動壓槽，在密封環(huán)高速旋轉(zhuǎn)條件下，依靠黏性剪切作用把液體泵入密封端面，使液體壓力在有限的空間內(nèi)升高，密封端面間隙得到動態(tài)穩(wěn)定并形成具有一定剛度要求的液膜，從而使運(yùn)行過程中兩密封端面分開，處于非接觸狀態(tài)［1-2］。由此可見，油膜密封可實(shí)現(xiàn)密封端面的非接觸式運(yùn)轉(zhuǎn)，避免了介質(zhì)因接觸式密封端面產(chǎn)生的熱量而造成自聚。正常運(yùn)行時，密封端面沒有摩擦、磨損，密封使用壽命會大大延長。

在確保不改變機(jī)組密封腔體結(jié)構(gòu)的前提下，對影響密封運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)用專用數(shù)值計(jì)算軟件計(jì)算，在密封動環(huán)端面開設(shè)流體動壓槽(如圖4 所示)。

圖4 密封端面流體動壓槽示意

流體動壓槽由靠近外徑側(cè)的下游泵送短槽和靠近內(nèi)徑側(cè)的上游泵送長槽組成，下游泵送短槽將封油吸入密封端面，并增壓使密封端面分開，保證非接觸式運(yùn)轉(zhuǎn);上游泵送長槽將吸入的封油泵送回去，保證封油不會泄漏。兩組槽的組合使用，保證流體膜在密封端面形成微循環(huán)，增加流體膜剛度和抗干擾能力，特別是能夠保證機(jī)組在振動較大、介質(zhì)較臟的工況下機(jī)械密封能夠正常運(yùn)行。

3.2 流體動壓碳石墨浮環(huán)密封改造

碳環(huán)密封性能直接決定機(jī)械密封的使用效果，該壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子原設(shè)計(jì)每端各安裝3 個碳環(huán)密封，這次改造利用流體動壓碳石墨浮環(huán)技術(shù)，運(yùn)用專用數(shù)值計(jì)算軟件，在碳環(huán)內(nèi)徑側(cè)開設(shè)一定數(shù)量及深度的流體槽，通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時流體槽的反向推擋力，阻止介質(zhì)氣的泄漏，進(jìn)而保護(hù)機(jī)械密封。新型碳環(huán)密封主要特點(diǎn)如下:

(1)具有反向輸送功能。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于流體動壓碳石墨浮環(huán)上刻有流體槽(如圖5 所示)，利用流體槽的反向泵送效應(yīng)，可大大阻止氣體通過浮環(huán)的泄漏量，有效降低機(jī)封處介質(zhì)壓力。

(2)流體槽的動壓效應(yīng)提高了浮環(huán)的對中性，降低浮環(huán)與軸的摩擦與磨損，既延長了浮環(huán)使用壽命，同時也減少了對轉(zhuǎn)子的損壞。

圖5 流體動壓碳石墨浮環(huán)

3.3 密封材料運(yùn)用

這次改造首先在一段壓縮機(jī)上進(jìn)行，密封外形尺寸保證與原密封一致，潤滑油壓力保持與原來一致?？紤]到壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)線速度超過25 m/s，屬于高速密封，且介質(zhì)中含有DMF 溶劑，因此特別注意了密封材質(zhì)的選擇。機(jī)械密封靜環(huán)材料采用進(jìn)口浸銻石墨，機(jī)械密封動環(huán)采用進(jìn)口碳化硅，其摩擦因子及耐磨性優(yōu)于硬質(zhì)合金;O 形圈采用美國杜邦公司全氟化密封圈，其具有優(yōu)異的抗化學(xué)性能及耐高溫性能能夠延長密封的使用壽命;彈簧則采用進(jìn)口哈氏合金。

4 結(jié)論

改造后的新型軸端密封于2011 年10 月安裝并一次性開車成功，運(yùn)行至今所有運(yùn)行參數(shù)均滿足當(dāng)初改造所提的技術(shù)要求，消除了原軸端密封潤滑油泄漏的隱患。由此可見，這次改造采用的新型軸端密封徹底解決了原進(jìn)口軸端密封泄漏嚴(yán)重、使用壽命短的問題，從而確保了丁二烯新區(qū)裝置今后的安穩(wěn)長周期運(yùn)行。同時通過壓縮機(jī)軸端密封成功改造經(jīng)驗(yàn)，為下次機(jī)組二段改造提供了技術(shù)支撐，同時也為國內(nèi)同類壓縮機(jī)軸端密封選擇提供參考。

［1］ 顧永泉. 機(jī)械密封實(shí)用技術(shù)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:6.

［2］ 郝木明，胡丹梅. 新型上游泵送機(jī)械密封的性能研究［J］.化工機(jī)械，2001(1):12 -15.