壓縮機(jī)潤滑油密封系統(tǒng)的實(shí)用改造技術(shù)

周 強(qiáng)，方建宇，莊春龍

（中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油 621700）

壓縮機(jī)潤滑油密封系統(tǒng)的實(shí)用改造技術(shù)

周 強(qiáng)，方建宇，莊春龍

（中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油 621700）

潤滑油密封技術(shù)始終是壓縮機(jī)技術(shù)的難題，影響著壓縮機(jī)的正常運(yùn)行和壓縮空氣的質(zhì)量。通過對兩臺不同密封形式壓縮機(jī)密封系統(tǒng)的改造和調(diào)試的過程，采用干氣密封和氣封氣等新技術(shù)，取得良好試驗(yàn)效果。本文通過對調(diào)試過程的分析，為以后出現(xiàn)相似問題提供一種解決思路。

壓縮機(jī)；滑油泄漏；干氣密封；調(diào)試技術(shù)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.63

0 引言

某氣源為中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院十一五氣源擴(kuò)容重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。在壓縮機(jī)組的調(diào)試過程中，出現(xiàn)了機(jī)組軸承座中潤滑油泄漏至壓縮機(jī)氣缸的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響機(jī)組調(diào)試的進(jìn)度。

1 氣源機(jī)組簡介

某氣源共有2MCL805，MCL404和MCL354等3臺不同型號機(jī)組（編號為11#，12#，13#），都為知名廠商成型產(chǎn)品。11#機(jī)組設(shè)計(jì)進(jìn)口容積流量為1100 m3/min，工作壓比7.5，作為一級供抽氣機(jī)組使用；12#機(jī)組作為11#機(jī)組的二級增壓機(jī)組，工作壓比3.5，與11#機(jī)組串聯(lián)形成二級供抽氣機(jī)組使用；13#機(jī)組為12#機(jī)組增壓機(jī)組，工作壓比3.5，與11#，12#串聯(lián)形成三級供氣機(jī)組。

2 12#機(jī)組壓縮空氣含有油煙

12#機(jī)組作為11#機(jī)組的增壓機(jī)組使用，在2級串聯(lián)調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)放空塔有很濃的青煙，且有滑油的味道。證明12#軸承端的潤滑油通過了密封系統(tǒng)泄漏至氣缸中。12#機(jī)組軸端密封設(shè)計(jì)為干氣密封，在機(jī)組調(diào)試階段采用了試車密封。試車密封為迷宮密封，通過曲折的密封齒，減小流體的泄漏量達(dá)到密封的效果。但從調(diào)試的結(jié)果看試車密封效果不好。需要更換為干氣密封進(jìn)行下一步的調(diào)試。

2.1 干氣密封簡介

目前國內(nèi)大型離心壓縮機(jī)軸端密封形式主要包括迷宮密封，碳環(huán)密封，機(jī)械密封以及目前較先進(jìn)的干氣密封。干氣密封是20世紀(jì)60年代末以氣體潤滑軸承的概念為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，其中以螺旋槽密封最為典型，經(jīng)過數(shù)年研究，美國約翰.克蘭公司率先推出干氣密封產(chǎn)品并投入工業(yè)使用。它是一種新型的非接觸式軸封，其結(jié)構(gòu)與普通機(jī)械密封類似。

2.2 干氣密封的工作原理

圖1 干氣密封件裝配簡圖

圖2 動(dòng)環(huán)螺旋槽示意

干氣密封的結(jié)構(gòu)和樣式多種多樣，主要防止壓縮介質(zhì)泄漏至大氣和潤滑油泄漏至壓縮介質(zhì)中。公司使用的為單級密封產(chǎn)品，主要防止滑油進(jìn)入氣缸中對用氣試驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生危險(xiǎn)影響。干氣密封件結(jié)構(gòu)如圖1，有兩路氣體進(jìn)入軸承座內(nèi)。由于軸承端有潤滑油，為保證干氣密封在潔凈、干燥的環(huán)境中運(yùn)行，E路為經(jīng)過濾凈化后的隔離氣體，進(jìn)入機(jī)組的密封件腔體內(nèi)，控制其壓力稍高潤滑油壓力，可阻擋潤滑油進(jìn)入密封端。一部分從D路排入大氣，一部分進(jìn)入軸承端從排煙孔排出。A路氣體進(jìn)入干氣密封件動(dòng)環(huán)上端，動(dòng)環(huán)的端面從外徑均布著螺旋槽，而外徑螺旋槽至內(nèi)徑又均布旋向相反的螺旋槽（圖2）。動(dòng)環(huán)與主軸固定連接。主軸旋轉(zhuǎn)后，帶動(dòng)動(dòng)環(huán)高速旋轉(zhuǎn)，A路氣體從動(dòng)環(huán)外徑流入螺旋槽，形成高壓區(qū)，而內(nèi)徑螺旋槽高速旋轉(zhuǎn)氣流向高壓區(qū)匯聚，形成低壓區(qū)。在動(dòng)環(huán)的高速旋轉(zhuǎn)下，形成了剛度極高，厚度為3～5 μm的氣膜。推動(dòng)浮動(dòng)環(huán)作用到安裝在殼體上的推力盤，推力盤產(chǎn)生移動(dòng)，后端彈簧受到擠壓對推力盤產(chǎn)生彈力。當(dāng)彈簧彈力與氣膜推力相等后，系統(tǒng)處于平衡，切斷了泄漏通路，阻隔滑油向氣缸中泄漏。

2.3 干氣密封的控制原理

干氣密封除了其干氣密封件外，外部還有一套提供密封氣的控制系統(tǒng)（圖3）。干氣密封有空壓泵和機(jī)組出口兩路氣源，并聯(lián)經(jīng)過單向閥，過濾器，壓力控制閥，分為A，E的2路，其中A路為主密封氣，E路為阻隔氣，E路經(jīng)壓力控制閥后，又分為E1，E2兩路通往靠機(jī)組兩軸承端的進(jìn)口。A路又分為2路，一路經(jīng)過壓力控制閥（抽氣工況使用）與另一路不經(jīng)壓力控制閥（供氣工況使用）經(jīng)1個(gè)三通球閥分為A1，A2兩路通往靠近壓縮機(jī)的進(jìn)口。

圖3 干氣密封控制系統(tǒng)

機(jī)組啟車后，由于進(jìn)口為節(jié)流狀態(tài)，進(jìn)口壓力低于大氣壓，屬于抽氣工況，因此預(yù)先把A路三通設(shè)置為抽氣工況，空壓泵的壓縮空氣通過中間閥，走A路抽氣工況后，壓力大概為0.027 M～0.033 MPa（G）進(jìn)入密封腔體，起阻隔作用。當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)完成后，機(jī)組出口壓力升高，把A路三通設(shè)置為供氣工況，機(jī)組出口壓力高于空壓泵，氣體經(jīng)單向閥頂住空壓機(jī)進(jìn)氣，走供氣工況后，壓力使其維持在比壓縮機(jī)壓力稍高（0.05 M～0.1 MPa）進(jìn)入密封腔密封。由于氣體進(jìn)入密封腔后只有通過密封面分別向壓縮機(jī)端和軸承端泄漏，故流量為兩端密封的泄漏量，在22～24 m3/h之內(nèi)。如果A路流量顯著增大，表示干氣密封故障失效。E路進(jìn)入迷宮密封中的密封腔，控制其進(jìn)口壓力稍高于軸承座滑油壓力，形成一個(gè)可靠的阻塞密封，可保證軸承端中的潤滑油不進(jìn)入干氣密封。該氣體流量不超過26～28 m3/h，一部分進(jìn)入軸承端從排煙孔排出，一部分從D路直接排入大氣。

2.4 調(diào)試過程

前期經(jīng)過大量的準(zhǔn)備過程，包括干氣密封廠家對12#機(jī)組密封件的安裝和調(diào)試密封控制系統(tǒng)后，在具備了調(diào)試條件后，于2010年6月1日對某廠房12#機(jī)組進(jìn)行了調(diào)試，調(diào)試主要的目的是檢驗(yàn)12#機(jī)組的干氣密封系統(tǒng)是否能達(dá)到理想效果。先進(jìn)行了12#機(jī)組的抽氣工況調(diào)試。隨后啟動(dòng)11#機(jī)組，配合12#機(jī)組進(jìn)行串聯(lián)供氣工況調(diào)試，期間為了保護(hù)干氣密封件，在機(jī)組出口壓力逐級增加中，對密封控制系統(tǒng)進(jìn)行了微調(diào)。供氣工況時(shí)采集的數(shù)據(jù)見表1，從中可以看出，干氣密封件工作良好。但是從機(jī)組排入放空塔的空氣煙霧很大，從試驗(yàn)的效果來看并不理想。調(diào)試結(jié)束后，干氣密封廠家技術(shù)人員和筆者進(jìn)行了技術(shù)交流，對影響試驗(yàn)效果的多種因數(shù)進(jìn)行分析。

表1 供氣工作過程中A路各指示儀表的參考值

2.5 結(jié)果分析

從結(jié)構(gòu)上分析，干氣密封件大致分為兩部份，一部份為與主軸連接的轉(zhuǎn)套，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)及定位套等。另一部份為與機(jī)殼連接，相對靜止的座套，推力盤，圓柱彈簧等。因此沿主軸外徑泄漏的通路被轉(zhuǎn)套的O形密封圈與彈性應(yīng)變環(huán)切斷。而沿機(jī)殼內(nèi)壁泄漏的通路被座套的O形密封圈切斷。唯一的通路為轉(zhuǎn)套與座套間的空隙，但是這條泄漏的通路被高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)環(huán)產(chǎn)生的氣膜所切斷。所以從結(jié)構(gòu)上分析，不存在潤滑油泄漏的條件。

而且廠家的安裝人員都是經(jīng)驗(yàn)豐富的技師，安裝時(shí)都是按照干氣密封件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有條不紊的進(jìn)行安裝，因此安裝問題也被排除。唯一存在的可能就是干氣密封件故障失效，無法切斷潤滑從轉(zhuǎn)套與座套間隙泄漏的通路。但是從調(diào)試中A路流量計(jì)測得的流量為22～24 m3/h，在干氣密封正常的泄漏量范圍內(nèi)，不存在無法形成氣膜的條件。面對擺在眼前沒法解釋的現(xiàn)象，只有通過觀察A路口中是否有滑油，如果有滑油的痕跡則表明干氣密封失效，滑油從該路徑通過。由于A路進(jìn)口的孔徑只有Φ16 mm，為此使用內(nèi)窺探測儀對干氣密封A路進(jìn)氣口和出氣口進(jìn)行成像，由于密封件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成像條件差，沒有發(fā)現(xiàn)有用的圖像。隨后采用干氣密封進(jìn)氣口A用絲綢塞入擦拭，絲綢上沒有油跡，只有些許污物。證明干氣密封產(chǎn)生作用，滑油無法從此路徑通過。

為了找出原因，在6月3日再次對12#機(jī)組進(jìn)行調(diào)試。先對11#機(jī)組進(jìn)行調(diào)試，放空塔處沒有油煙。啟動(dòng)12#機(jī)組，與11#機(jī)組串聯(lián)后，調(diào)試中放空塔煙霧又出現(xiàn)，較之上次調(diào)試煙霧有所減少。但仍無法達(dá)到試驗(yàn)供氣的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)以往在機(jī)組出口管道死腔中發(fā)現(xiàn)有積油的現(xiàn)象，而排氣放空沒有經(jīng)過冷卻器，溫度在180℃左右，推測該次試驗(yàn)為以往的積油被帶出所致。立即組織人員進(jìn)行查找，最后在機(jī)組出口補(bǔ)償器底部死腔鉆了一個(gè)小孔，有污濁的滑油流出，最后接了小半桶的油。在6月5日的調(diào)試中，從排氣放空塔出來的空氣很潔凈，沒有明顯的青煙，證明油煙為以前積油所致，也證明了干氣密封的密封效果較好。

3 13#機(jī)組漏油

13#機(jī)組作為11#，12#的第三級串聯(lián)增壓機(jī)組，在完成12#機(jī)組密封系統(tǒng)的改造調(diào)試后，在2010年6月10日進(jìn)行13#機(jī)組的調(diào)試。11#機(jī)組出口與12#機(jī)組進(jìn)口串聯(lián)，12#機(jī)組出口與13#三級機(jī)組進(jìn)口串聯(lián)，并網(wǎng)完成后，13#機(jī)組出口壓縮空氣通過放空總管從放空塔放空排入大氣。

從放空塔排出的空氣有很大的煙霧，且有滑油的味道。說明放空空氣中的煙霧為13#機(jī)組壓縮機(jī)軸承座的潤滑油通過密封件泄露至壓縮空氣中所致。含有油氣的壓縮空氣不僅會影響到后面設(shè)備的試驗(yàn)，還會危害到試驗(yàn)的安全。

3.1 結(jié)構(gòu)分析

從圖4中可以看出，軸承端的潤滑油要漏至氣缸內(nèi)，必須要經(jīng)過這兩道篦齒密封，其中根據(jù)圖紙查得C的間隙值在0.20～0.35 mm，D的間隙值在 0.20～0.45 mm。在對機(jī)組開蓋檢查其密封間隙時(shí)，測量其間隙都在允許范圍之內(nèi)。不存在裝配問題。但是在機(jī)組啟車階段，機(jī)組節(jié)流啟動(dòng)，進(jìn)口壓力為50 kPa左右。主軸低壓側(cè)處于抽真空狀態(tài)。而供油壓力為150 kPa左右，在氣缸與軸承間形成壓差，滑油在此階段被吸入至氣缸隨壓縮空氣排入大氣。

圖4 壓縮機(jī)軸端密封

3.2 前期改造方案

結(jié)合機(jī)組密封件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，于7月1日制定出改造方案。從11#機(jī)組的出口引出一趟Φ48 mm的不銹鋼管道分成Φ27 mm的2路至13#機(jī)組高低壓側(cè)軸承座端密封件的進(jìn)氣口。當(dāng)使用3臺機(jī)組3級串聯(lián)供氣時(shí)，先啟動(dòng)11#機(jī)組，12#機(jī)組，11#機(jī)組進(jìn)口節(jié)流，先把兩臺機(jī)組串聯(lián)并網(wǎng)，保持11#機(jī)組出口壓力為250 kPa（A）左右。壓縮空氣從Φ27 mm的不銹鋼管道供往軸承密封件，在密封腔內(nèi)形成氣環(huán)，由于進(jìn)氣壓力大于供油壓力150 kPa，所以氣環(huán)產(chǎn)生阻隔滑油朝缸體內(nèi)泄漏的作用。

3.3 調(diào)試現(xiàn)象

改造完成后，在11月2日針對13#機(jī)組漏油的問題專門進(jìn)行了新一輪的調(diào)試。啟動(dòng)13#機(jī)組前，向機(jī)組供入壓力為250 kPa的密封氣，機(jī)組上端蓋上排氣孔有氣流流出，然后啟動(dòng)機(jī)組油泵。機(jī)組啟動(dòng)期間，排氣孔有倒吸現(xiàn)象（啟動(dòng)機(jī)組采用進(jìn)口節(jié)流，壓力為50 kPa）。當(dāng)3臺機(jī)組串聯(lián)后，13#機(jī)組進(jìn)口加壓到 300 kPa左右時(shí)，關(guān)閉密封氣，繼續(xù)加壓到進(jìn)口壓力1.2 MPa左右，出現(xiàn)以下情況：

（1）低壓端排煙罩往外冒油，泄漏量較大（圖5）。

圖5 13#機(jī)組密封示意

（2）打開回油窺視鏡上端有氣流流出。

（3）排氣孔氣壓很大，密封氣管路壓力表顯示為0.5 MPa。（4）放空的空氣中含有很重的油煙。

機(jī)組共運(yùn)行5 h，停機(jī)前，放空的空氣中的油煙有了很大減少，但依然有青煙存在。

3.4 現(xiàn)象分析

調(diào)試過程中，針對以上出現(xiàn)的現(xiàn)象，查閱了圖紙，通過分析得出以下結(jié)論。

（1）機(jī)組氣封效果差，低壓端密封比高壓端差。當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，滑油通過兩道密封吸入氣缸混入空氣中，同時(shí)從排氣口吸入部分空氣，因此，排氣孔有倒吸現(xiàn)象。

（2）將機(jī)組轉(zhuǎn)入供氣流程后，缸內(nèi)泄漏的氣體通過兩級密封進(jìn)入軸承腔，將滑油從排煙罩壓出，隨著機(jī)組進(jìn)出口空氣壓力的增加，泄漏的氣體壓力隨之增加，冒油更加嚴(yán)重，排氣孔氣壓也急劇增大。

（3）排氣孔孔徑偏小，當(dāng)機(jī)組氣封效果差時(shí)，缸內(nèi)泄漏的氣體無法通過排氣孔有效泄壓，造成壓縮空氣進(jìn)入軸承腔，導(dǎo)致滑油從排煙罩壓出；當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，由于排氣孔補(bǔ)氣量不足，造成兩道密封間（泄壓腔）較大的負(fù)壓，將軸承腔滑油吸入泄壓腔，當(dāng)泄壓腔積存的滑油超過篦齒密封最低點(diǎn)后，滑油被吸入氣缸內(nèi)。

（4）11#機(jī)組泄壓腔底部有獨(dú)立的回油管，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，泄漏的滑油不會在泄壓腔積存，因此，無空氣冒煙的現(xiàn)象；12#，13#機(jī)組泄壓腔底部均無獨(dú)立的回油管，12#在加裝干氣密封前也存在空氣冒煙的現(xiàn)象。

3.5 改造措施

針對上述問題，采取以下臨時(shí)措施，以保證現(xiàn)階段的試驗(yàn)供氣。

（1）加大機(jī)組密封氣流量，加大滑油泄漏的阻力。

（2）去掉低壓端排煙罩，改接一段Φ25 mm金屬軟管至回油總管，將泄漏的潤滑油和油煙引入油箱。

（3）在回油管窺視鏡上方的排氣螺母上鉆眼，使泄漏的氣體泄壓，以免影響回油。

改造完成后，在11月8日再次進(jìn)行3臺機(jī)組串聯(lián)調(diào)試。在5 h的運(yùn)行中，壓縮空氣中沒有油煙出現(xiàn)，機(jī)組漏油的問題得到了有效的解決。機(jī)組在穩(wěn)定正常的工況下能夠投入試驗(yàn)運(yùn)行。

3.6 工藝流程優(yōu)化（圖6）

如果按照以往機(jī)組多級串聯(lián)并網(wǎng)的方式，3臺機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)，然后再逐級串聯(lián)這種模式。由于啟車時(shí)11#機(jī)組進(jìn)口節(jié)流，出口壓力不大起不到密封油泄漏的問題。因此必須對11#，12#，13#串聯(lián)并網(wǎng)工藝流程進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)程序：先啟動(dòng)11#，12#機(jī)組，串聯(lián)11#，12#機(jī)組。然后根據(jù)13#機(jī)組氣封氣壓力需求調(diào)節(jié)11#機(jī)組出口壓力為300 kPa左右，同時(shí)打開13#機(jī)組氣封氣供氣閥門，啟動(dòng)13#機(jī)組。串聯(lián)12#，13#機(jī)組，當(dāng)13#機(jī)組進(jìn)口壓力達(dá)到500 kPa左右后，關(guān)閉氣封氣，防止機(jī)組進(jìn)口氣流與氣封氣合流把滑油吹出排煙罩。最后繼續(xù)并網(wǎng)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備需求供氣。

圖6 3臺機(jī)組串聯(lián)搭配流程

（1）串聯(lián)供氣并網(wǎng)程序。①啟動(dòng)11#，13#機(jī)組油泵，開啟輔助空壓機(jī)后，啟動(dòng)12#機(jī)組油泵。②按規(guī)程啟動(dòng)11#、12#機(jī)組。③慢開110閥，慢關(guān)114閥至全關(guān)，110閥一定開度，進(jìn)口保持30 kPa左右。④慢開119閥至全開。⑤慢開122閥至全開，同時(shí)慢關(guān)124閥至全關(guān)，調(diào)節(jié)127閥保持機(jī)組壓比2.0左右，調(diào)節(jié)117閥，使11#機(jī)組壓比≥3.5。⑥慢開110閥，至進(jìn)口壓力為45 kPa左右，調(diào)節(jié)117閥，出口壓力為250kPa左右。⑦打開13#機(jī)組密封氣閥門，氣封氣供往13#機(jī)組。⑧慢開129閥至全開。⑨啟動(dòng)13#機(jī)組。⑩慢開133閥至全開，同時(shí)慢關(guān)130閥至全關(guān)，調(diào)節(jié)137閥保持壓比不低于2，待進(jìn)口壓力＞200 kPa時(shí)，關(guān)閉氣封氣，同時(shí)注意調(diào)節(jié)127閥，保持12#機(jī)組壓比2.0左右。[11]慢關(guān)127閥至全關(guān)。[12]調(diào)節(jié)137閥，保持13#機(jī)組壓比2左右。[13]通知用氣設(shè)備后慢開138-1閥，同時(shí)慢關(guān)137閥至全關(guān)。[14]慢關(guān)117閥（保持壓比≤7.2），同時(shí)慢開110閥保持進(jìn)口壓力在60～62 kPa左右。供氣并網(wǎng)程序完畢。

（2）串聯(lián)退網(wǎng)流程。①慢開137閥，同時(shí)慢關(guān)138-1至全關(guān)，137閥一定開度保持13#機(jī)組壓比不低于2。②慢開117閥一定開度，保持11#機(jī)組壓比降為5.0左右。③慢關(guān)110閥至，機(jī)組進(jìn)口壓力為50 kPa左右。開13#機(jī)組氣封氣閥門。④慢開127閥至壓比2。⑤慢關(guān)133閥，同時(shí)慢開130閥，調(diào)節(jié)127閥，保證12#機(jī)組壓比2.0左右，至133閥全關(guān)，130閥全開。⑥通知電氣人員停13#機(jī)組。⑦慢關(guān)129閥至全關(guān)。⑧待13#機(jī)組進(jìn)口壓力恢復(fù)至大氣壓時(shí)，慢關(guān)110閥保持機(jī)組進(jìn)口壓力為30 kPa左右。⑨慢開117閥至全開。⑩慢關(guān)122閥，同時(shí)慢開124閥，至122閥全關(guān)，124閥35°開度，全開127閥。[11]慢關(guān)119閥至全關(guān)。[12]通知電氣人員停11#，12#機(jī)組。[13]停12#機(jī)組油泵后5 min，停12#機(jī)組空壓機(jī)。[14]按規(guī)程恢復(fù)各系統(tǒng)設(shè)備。

因?yàn)槟硰S房3臺機(jī)組串聯(lián)并網(wǎng)，牽連到機(jī)組氣封運(yùn)行流程和機(jī)組試驗(yàn)供氣流程兩個(gè)相對獨(dú)立的系統(tǒng)，因此該工藝流程從全局出發(fā)，分析兩系統(tǒng)的相關(guān)聯(lián)性，把2套系統(tǒng)合理的整合到一起。簡化了操作步驟，避免了繁瑣、重復(fù)的操作。保障機(jī)組正常、安全地投入試驗(yàn)運(yùn)行。

4 總結(jié)

經(jīng)過共同努力，對某氣源不斷調(diào)試改造，已經(jīng)正式投入試驗(yàn)運(yùn)行。但是氣源機(jī)組還有許多的瑕疵影響著試驗(yàn)運(yùn)行。如干氣密封氣體中含水分較多，會減少干氣密封件使用壽命等，還需要一步一步去完善、改進(jìn)，使設(shè)備更加科學(xué)高效地發(fā)揮作用。

TK478 < class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

B

〔編輯 凌 瑞〕