027—K101螺桿壓縮機(jī)干氣密封改造研究

張芯

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

關(guān)鍵詞：螺桿壓縮機(jī)；干氣密封；改造

廣西石化將027-K101螺桿壓縮機(jī)視為是其關(guān)鍵設(shè)備之一。不過，此類設(shè)備機(jī)械在進(jìn)行密封使用的時(shí)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(xì)的討論，最后決定對(duì)其進(jìn)行密封改造方案，用雙端面干氣密封替代原有的雙端面機(jī)械密封。

1 原雙端面環(huán)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

027-K101螺桿壓縮機(jī)所用的為雙端面機(jī)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(lái)進(jìn)行冷卻沖洗密封。如此一來(lái)，還是會(huì)有一部分的封液進(jìn)入到工藝流程之中，之后便需要進(jìn)行油氣分離操作，但是如果機(jī)封損壞，那么油氣分離量則會(huì)大幅增加。027-K101螺桿壓縮機(jī)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(jī)雙端面機(jī)械密封存在問題

2.1 輔助系統(tǒng)要求高

螺桿壓縮機(jī)所進(jìn)行機(jī)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(jī)進(jìn)行機(jī)械密封會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，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(shí)候就要立即進(jìn)行冷卻以及潤(rùn)滑。

2.2 介質(zhì)被密封液污染

機(jī)械密封端面是需要持續(xù)使用潤(rùn)滑液膜才可以使得密封保持正常運(yùn)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(huì)導(dǎo)致密封液泄漏進(jìn)介質(zhì)中，從而對(duì)介質(zhì)純度產(chǎn)生不利影響。

2.3 環(huán)境污染問題

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

2.4 檢修頻繁

因?yàn)槁輻U壓縮機(jī)很容易會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，但是機(jī)械密封在接觸式運(yùn)行的過程之中又對(duì)振動(dòng)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(hù)的工程之中會(huì)產(chǎn)生很多費(fèi)用。

2.5 功率消耗大

端面接觸運(yùn)行需要消耗很多的功率。并且，如果是因?yàn)槊芊庀到y(tǒng)和機(jī)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(jī)停車問題，那么將會(huì)產(chǎn)生難以估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失。所以，倘若以上這些問題出現(xiàn)在螺桿壓縮機(jī)機(jī)械密封之中，那么為了持續(xù)提升螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性以及安全運(yùn)行性并使得裝置經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行水平得以提升，成都一通密封有限公司為螺桿壓縮機(jī)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(jī)干氣密封之中的彈簧、密封副以及輔助密封圈都是通過動(dòng)環(huán)與靜環(huán)共同組成的。其最大的特點(diǎn)就是在加工的過程之中，動(dòng)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(shí)，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(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)流體動(dòng)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(huì)在密封環(huán)端面直徑以及外徑中間的部分進(jìn)行動(dòng)壓效應(yīng)螺旋槽加工，因此也被稱之為流體動(dòng)壓槽。螺旋槽中間的平臺(tái)是密封堰，其主要作用就是對(duì)氣體圓周方向流動(dòng)進(jìn)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(dòng)壓泄漏。這就意味著，流體動(dòng)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(dòng)壓承載能力會(huì)對(duì)流體圓周泄漏進(jìn)行阻止，而密封壩流體膜所生成的靜壓承載能會(huì)對(duì)流體半徑泄漏進(jìn)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(dòng)壓氣體端面以及流體靜進(jìn)行機(jī)械密封的。密封端面螺旋槽的中有包括對(duì)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(duì)數(shù)螺旋線。在進(jìn)行干氣密封旋轉(zhuǎn)的時(shí)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(jìn)行流動(dòng)，直到最后到達(dá)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(dòng)壓力則是通過動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的[3]。流體動(dòng)壓力被施加于補(bǔ)償環(huán)之上并且使得動(dòng)環(huán)和靜環(huán)相分離，其被稱之為開啟力。而施加于補(bǔ)償環(huán)之上彈簧力以及介質(zhì)力則是使得動(dòng)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(dòng)靜環(huán)兩個(gè)密封面中的流動(dòng)氣體會(huì)產(chǎn)生一層大約為3微米的氣膜。根據(jù)氣體動(dòng)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(shí)的間隙氣體流動(dòng)層則是最為穩(wěn)定的。

4 螺桿壓縮機(jī)干氣密封

4.1 總體結(jié)構(gòu)以及優(yōu)點(diǎn)

雙端面干氣密封以及串聯(lián)式干氣密封都是螺桿壓縮機(jī)進(jìn)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(diǎn)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(jiǎn)圖。實(shí)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(huì)逸出。此外，其 功率消耗實(shí)際是比較小的，因此使用壽命更長(zhǎng)，再加之整套密封是處于非接觸運(yùn)行的狀態(tài)，所以不會(huì)產(chǎn)生磨損和摩擦。此類密封系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單、方便操作。而且因?yàn)槊芊馐翘幱诜墙佑|隱形的狀態(tài)，所以端面不會(huì)有摩擦熱，如果介質(zhì)溫度低于200℃則可不用使用冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)。因?yàn)楦蓺饷芊獠辉偈褂糜拖到y(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(huì)污染到工藝介質(zhì)和環(huán)境。同時(shí)，其抗軸擺動(dòng)性能良好、運(yùn)行費(fèi)用比較低，只需要穩(wěn)定連續(xù)的氣源而不需要進(jìn)行額外的維護(hù)。雖然投入成本稍高，但日常運(yùn)行費(fèi)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(dòng)的過程之中所經(jīng)過的氣膜為微米級(jí)。這就表示如果其中出現(xiàn)了微小的變化，那么很有可能會(huì)引起動(dòng)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(yùn)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(dòng)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(dòng)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(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的流體動(dòng)壓效，因此在這個(gè)時(shí)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(jì)算程序來(lái)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(jìn)行優(yōu)化的過程之中，優(yōu)化的最終目標(biāo)就是使得干氣密封獲得最佳氣膜剛度。同時(shí)，計(jì)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(diǎn)放在密封元件材料之上，其實(shí)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(jī)的摩擦副材料大多位碳化硅以及浸金屬碳石墨配對(duì)，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(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)高等優(yōu)勢(shì)。

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(gè)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(shí)還兼顧著監(jiān)測(cè)干氣密封運(yùn)轉(zhuǎn)的責(zé)任，從而保障干氣密封可以安全運(yùn)行下去?？刂葡到y(tǒng)由多個(gè)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(yùn)行。進(jìn)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(yùn)行，就必須要將密封泄漏量視為關(guān)鍵指標(biāo)。不過需要注意的是，干氣密封控制介質(zhì)為氣體，所以無(wú)法用肉眼觀察氣體泄漏量，因此必須要借助儀表。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

當(dāng)設(shè)計(jì)完干氣密封之后，筆者所在公司進(jìn)行了干性能模擬試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，我們所設(shè)計(jì)的羅茨風(fēng)機(jī)干氣密封的密封性能良好，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)需求。

6 干氣密封和機(jī)械密封性能的對(duì)比

7 結(jié)論

根據(jù)干氣密封的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果顯示，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)之上所優(yōu)化的螺桿壓縮機(jī)干氣密封可以實(shí)現(xiàn)密封非接觸運(yùn)行，因此具有穩(wěn)定可靠的密封性能。并且，所設(shè)計(jì)出的控制系統(tǒng)在保障簡(jiǎn)單可靠的同時(shí)還可以滿足螺桿壓縮機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)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(jì)收益。此外，干氣密封被成功地應(yīng)用在螺桿壓縮機(jī)上，這使得干氣密封應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大，相關(guān)的新技術(shù)也被逐漸開發(fā)出來(lái)，共同促進(jìn)了壓縮機(jī)干氣密封技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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