螺桿壓縮機(jī)雙端面機(jī)械密封故障分析及改造

佘志剛，劉建芳，唐 軍

（克拉瑪依石化公司檢維修中心，新疆克拉瑪依 834003）

0 引言

某石化公司連續(xù)重整裝置尾氣螺桿壓縮機(jī)自投運以來前后端雙端面機(jī)械密封一直運行較差，頻繁泄漏。密封出現(xiàn)的失效問題，影響了螺桿壓縮機(jī)的正常運行，進(jìn)而嚴(yán)重影響了裝置的日常生產(chǎn)，不但加大了裝置運行管理難度，增加了運行維護(hù)成本，同時因為設(shè)備較大、在拆卸、回裝前后端4 套機(jī)械密封，還需要拆卸、回裝4 套徑向軸承（NU2324）、4 套徑向止推軸承（7324），大大增加了檢修維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度。機(jī)組所處理的工藝介質(zhì)含有有毒有害成分，造成了較大的環(huán)境污染，并給操作維護(hù)人員帶來了健康危害。

為了實現(xiàn)裝置高的運行效率，降低維護(hù)成本，減少勞動強(qiáng)度、減少環(huán)境污染和健康危害，就必須對現(xiàn)有螺桿壓縮機(jī)機(jī)組雙端面機(jī)械密封的失效原因進(jìn)行分析研究并進(jìn)行技術(shù)改造工作。本文對泄漏原因進(jìn)行分析，對機(jī)組雙端面密封進(jìn)行改造。

1 密封運行工況

連續(xù)重整裝置的噴液冷卻氫氣變壓增壓尾氣螺桿壓縮機(jī)是中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所研發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)的。機(jī)組的工藝作用是將PSA 單元的沖洗氣經(jīng)過該壓縮機(jī)增壓后送到瓦斯系統(tǒng)管網(wǎng)使用。工藝介質(zhì)主要為氫氣、輕烴。

主要性能指標(biāo)：容積流量77 m3/min，吸氣壓力0.02 MPa（G），吸氣壓力0.5 MPa（G），電機(jī)功率560 kW，吸氣溫度≤40 ℃，排氣溫度≤85 ℃，陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：2980 r/min。壓縮機(jī)機(jī)組前后兩端軸封采用梳齒密封與機(jī)械密封相結(jié)合的設(shè)計，機(jī)械密封使用雙端面機(jī)械密封形式，由四川日機(jī)密封有限公司制造，型號為CM071C-175-C160；機(jī)械密封使用的密封油：46#透平油；供油壓力（0.2～0.4）MPa（G）。

2 密封失效分析

根據(jù)現(xiàn)場拆檢雙端面機(jī)械密封的情況[1]，發(fā)現(xiàn)機(jī)組前后端4套雙端面機(jī)械密封的介質(zhì)側(cè)機(jī)封密封環(huán)面表面發(fā)黃，且靜環(huán)面出現(xiàn)有大量塊狀的的疤痕，稱為“泡疤”現(xiàn)象（圖1）。分析判斷這就是機(jī)械密封失效的直接原因。機(jī)械密封靜環(huán)密封面“泡疤”現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于石墨浸金屬時的制造質(zhì)量尤其是表面耐高溫的缺陷，且在不良的工況下（造成密封面局部急劇溫升），這種現(xiàn)象發(fā)生的頻率大大增加。針對這種情況，除了對靜環(huán)的加工制造過程進(jìn)行改進(jìn)外，還需要對密封油（隔離液）以及密封端面比壓進(jìn)行分析判斷，并做出相應(yīng)的優(yōu)化升級改造。

圖1 “泡疤”現(xiàn)象

2.1 密封靜環(huán)材料及加工工藝的問題

密封環(huán)的材料對密封使用效果的影響是很大的。根據(jù)現(xiàn)場失效密封的拆檢來看，分析認(rèn)為密封面的材料及加工工藝會是“泡疤”現(xiàn)象產(chǎn)生的重要因素。

四川日機(jī)制造的雙端面機(jī)械密封動環(huán)組件材料：1Cr13-YG6（鉻鋼鑲環(huán)硬質(zhì)合金）；靜環(huán)組件材料：1Cr13-MMCG（鉻鋼鑲環(huán)石墨）。1Cr13 屬于馬氏體不銹鋼，淬透性好，具有較高的硬度，較好的韌性、耐腐性、熱強(qiáng)性及冷變形性能。YG6 是一種鎢鈷類硬質(zhì)合金材料，使用強(qiáng)度及沖擊韌度較好，耐磨性較好，化學(xué)成分：WC94%，Co6%。

拆檢失效密封，動環(huán)合金面沒有任何損傷，介質(zhì)側(cè)靜環(huán)表面出現(xiàn)“泡疤”現(xiàn)象。針對這種失效情況，對靜環(huán)材料及其加工工藝進(jìn)行分析。

石墨材料因其特殊的原子結(jié)構(gòu)使其具有耐高溫、導(dǎo)熱性、自潤滑性、可塑性以及化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良性能，兼有金屬、非金屬以及有機(jī)塑料的特性，被稱為半金屬，在很多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。石墨制品屬于多孔材料，由于顆粒間有一定的孔隙 以及焙燒后瀝青以揮發(fā)物質(zhì)逸出，有大量氣孔存在，必然會對制品性能產(chǎn)生影響，制品體積密度下降、機(jī)械強(qiáng)度減小，同時使氣體和液體滲透，不能滿足正常工作要求。因此，必須通過浸漬處理，降低多孔石墨材料的滲透率[2]。用銻作浸漬劑得到的浸銻石墨材料適應(yīng)于水、鹽酸、濃堿等介質(zhì)，其耐沖擊，在高速、高壓、重載下磨損小，抗氧化性能好；同時，浸銻石墨（圖2）材料密度小，膨脹系數(shù)低，耐磨性好，是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的密封摩擦副材料。石墨靜環(huán)的加工工藝：粉料制備→等靜壓壓制→燒結(jié)→浸漬煤瀝青→二次燒結(jié)→高溫處理→浸漬。圖2 中灰黑色為石墨基體，白亮色為氣孔中浸漬入的銻。

圖2 浸銻石墨顯微鏡視圖

根據(jù)現(xiàn)場多次拆卸失效密封的情況看，密封石墨靜環(huán)面的機(jī)械性能與耐磨性能是好的?！芭莅獭钡漠a(chǎn)生主要就是密封面表面局部溫度急劇升高造成的，分析認(rèn)為是由于在用銻作浸漬劑時，工藝處理不當(dāng)，造成密封面表面耐高溫性能下降造成的。

2.2 密封油壓的問題

機(jī)組設(shè)計的密封油壓為（0.25～0.3）MPa（G），現(xiàn)場實際機(jī)組運行中，密封油壓是為0.38 MPa。過大的密封油壓力使得靜環(huán)面的摩擦力增加，溫度上升，從而誘發(fā)了“泡疤”現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 密封端面比壓的問題

雙端面機(jī)械密封計算端面比壓時，需要分別計算[3]。

（1）大氣側(cè)的端面比壓Pb的計算。密封面所受合力如圖3所示，F(xiàn)=Ft+Fp-Fm，其中，F(xiàn)t為彈簧力，F(xiàn)p為介質(zhì)壓力，F(xiàn)m為液膜壓力。

介質(zhì)壓力引起的閉合力：

液膜壓力產(chǎn)生的開啟力：

可得端面比壓：

由于Pm=λP1，故Pb=Pt+P1（K-λ），雙端面機(jī)械密封大氣側(cè)端面比壓Pb=Pt-P2（K-λ）。

（2）介質(zhì)側(cè)的端面比壓Pb的計算。Pb=Pt+（P2-P1）（K-λ），其中，P2為密封油壓力。

3 處理措施

3.1 方案選擇

圖3 密封面受力分析

“泡疤”的產(chǎn)生主要就是密封靜環(huán)面表面局部溫度急劇升高造成，分析認(rèn)為是由于在用銻作浸漬劑時，工藝加工處理不適當(dāng)，造成密封面表面耐高溫性能下降。針對這一情況，需要對機(jī)械密封靜環(huán)的石墨以及其浸銻技術(shù)進(jìn)行檢測，并加以改進(jìn)。

密封油壓以及端面比壓進(jìn)行計算分析后發(fā)現(xiàn)，機(jī)組實際運行中的密封油壓高于設(shè)計壓力，機(jī)械密封端面比壓也高于理論比壓。這兩個因素都會加大密封面溫度的升高。由雙端面機(jī)封端面比壓的計算公式得知，現(xiàn)場采用降低密封油壓，端面比壓也會相應(yīng)減小，使得密封油壓與端面比壓都降低到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍，從而優(yōu)化升級了機(jī)械密封的運行工況，解決密封面溫升高的問題。

3.2 技術(shù)改造措施

通過對雙端面機(jī)械密封系統(tǒng)的密封面材料及其加工工藝、密封油、端面比壓等相關(guān)密封特性的綜合分析研究。清楚的認(rèn)識到“泡疤”產(chǎn)生的原因并找出解決的措施，為設(shè)備的長周期運行做了很好的保障。

（1）密封面石墨浸銻技術(shù)改進(jìn)。要求廠家追蹤石墨材料并著重對浸銻工藝進(jìn)行把關(guān)，失效密封回廠檢查后，檢測發(fā)現(xiàn)靜環(huán)密封面的石墨浸銻工藝有缺陷，之后廠家采用進(jìn)口石墨，完善浸銻技術(shù)后，改造后的密封使用效果較為理想。

（2）密封油、端面比壓的合理選用。經(jīng)核算（考慮介質(zhì)壓差后），實際工作時介質(zhì)側(cè)端面比壓0.32 MPa，大氣側(cè)端面比壓0.39 MPa。由于機(jī)組介質(zhì)的特性，選擇的端面比壓要求小于0.39 MPa。在實際機(jī)組的運行中密封端面比壓超出了標(biāo)準(zhǔn)，所以需要減小端面比壓。查看端面比壓計算公式，由于已經(jīng)把有原有密封油的壓力從0.38 MPa 降為0.30 MPa，相應(yīng)的端面比壓也會減小為0.24 MPa（介質(zhì)側(cè)）和0.31 MPa（大氣側(cè)）。

4 結(jié)語

在石油煉化、天然氣加工等行業(yè)雙端面機(jī)械密封的應(yīng)用已非常廣泛。本文通過分析螺桿壓縮機(jī)雙端面機(jī)械密封失效的原因，得出其直接原因是密封靜環(huán)面發(fā)生“皰疤”造成的，造成“皰疤”的具體原因是密封面材料的加工工藝有缺陷、密封油壓力選擇不合適、機(jī)封端面比壓選擇不合理。針對原因采取了一系列措施，有效地避免了密封短期失效的現(xiàn)象。在以往的操作過程中，雙端面密封的螺桿壓縮機(jī)運行一個月左右密封就會失效，對密封進(jìn)行密封改造后，現(xiàn)已累計運行15 個月，密封運行情況很好，沒有發(fā)生泄漏故障，大大節(jié)約了備件和資金，全年為公司節(jié)約了大約200 萬元的維護(hù)資金，為裝置安全、平穩(wěn)、長周期運行提供了保障。