天然氣長輸管線壓縮機干氣密封的設計與應用

任寶杰，郝木明，殷存志，丁康杰，尤杰毅

（1.東營海森密封技術有限責任公司，山東 東營 257000；2.中國石油大學（華東）密封技術研究所，山東 青島 266580；3.中油國際管道公司，北京 100029）

大型長輸管線電驅和燃驅壓縮機組是天然氣輸氣管線動力供給場站中用于壓縮和輸送天然氣的關鍵核心設備，是我國重大裝備國產(chǎn)化領域突破重點之一。管線壓縮機干氣密封是長輸管線壓縮機組的主要重要組成部分，其作用是有效隔離壓縮機腔內的介質腔與軸承腔，防止機內易燃易爆危險性的天然氣向環(huán)境泄漏，確保長輸管線壓縮機組的安全、高效、長周期穩(wěn)定運行[1-2]。

管線壓縮機干氣密封的特點：軸徑大，一般在180 mm 左右；壓力高，管道設計壓力一般為12 MPa，工作壓力一般在8 MPa 左右；可靠性要求高，供給場站大多處在人跡稀少、地理位置偏遠的地方，一旦干氣密封失效，及時有效的現(xiàn)場服務比較困難。因此要求配套干氣密封具備極高的密封性、可靠性，大部分干氣密封配套均為國外知名公司所控制，國內只有極個別的企業(yè)進行國產(chǎn)化研制[3-6]。本文對海森密封公司成功研制并經(jīng)過現(xiàn)場使用考核的天然氣長輸管線壓縮機干氣密封進行設計和應用經(jīng)驗總結，更好地服務于相關產(chǎn)品的技術提升。

1 工程設計條件

管線壓縮機主要由GE、RR、Man Trubo、Siemens 等企業(yè)提供，隨機配帶 EBI（德國）、John Crane（美國）、Flowserve（美國）等供應商提供的干氣密封產(chǎn)品。本文以典型的天然氣干線壓縮機組密封為研制對象。

1.1 密封設計參數(shù)

干線管線壓縮機設計參數(shù)基本類似，本文選擇的設計密封為典型參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 設計參數(shù)Tab.1 Estimation of seal chamber pressure

1.2 泄漏量要求

一級和二級密封泄漏量按照JB/T 11289—2012《干氣密封技術條件》要求，但二級泄漏氣與隔離氣混合后不得高于介質爆炸極限。

2 理論計算與優(yōu)化

壓縮機干氣密封的核心部件是由動環(huán)和靜環(huán)組成的摩擦副。在密封摩擦副中存在多個物理過程：密封動環(huán)的熱變形和力變形、密封靜環(huán)的熱變形和力變形、密封動環(huán)的熱傳導、密封靜環(huán)的熱傳導、密封面淺槽的流體動壓效應和流體靜壓效應、密封界面的摩擦學效應以及密封補償環(huán)——靜環(huán)的軸向力平衡等。

為保證機組長周期可靠、穩(wěn)定運行，優(yōu)先采用氣膜剛度大、泄漏量小的海森等深雙曲線槽，本文采用了ANSYS Workbench 商業(yè)軟件和基于Matlab 自主開發(fā)流場計算軟件[7]對一級主密封端面壓力及分布、溫度分布、熱力變形等關鍵參數(shù)進行了分析并優(yōu)化得到最終結構參數(shù)。

密封端面的壓力分布沿密封端面外徑處向內徑方向呈遞減趨勢，開槽區(qū)有明顯增壓現(xiàn)象。圖1所示為整個密封端面的壓力分布，圖2 為一個最小端面周期壓力分布情況。平衡膜厚為4.3 μm，計算泄漏量為3.71 Nm3/h，滿足設計要求。

圖1 密封端面壓力分布Fig.1 Pressure distribution of DGS face

圖2 密封端面一個計算周期壓力分布Fig.2 Pressure distribution of DGS periodic boundary face

溫度場分布和熱力變形計算采用2D 軸對稱模型。設置環(huán)境溫度；動靜環(huán)外徑側氣流流過的表面按照經(jīng)驗公式給定對流換熱系數(shù)，氣流通過微乎其微的邊界面對流換熱系數(shù)稍大于0，幾乎無對流換熱面取絕熱；端面外徑至內徑處平均分布摩擦熱通量，耦合邊界條件；內徑處考慮氣體膨脹吸熱。溫度場計算結果見圖3，密封端面溫度沿外徑到內徑方向先小幅升高后下降，接近內徑處迅速降低，最高溫度位于密封槽區(qū)中部位置，約為82.9 ℃，最低溫度位于端面內徑位置，為80.9 ℃，整個端面溫度分布較為均衡。熱力變形結果見圖4，圖中顯示了動靜環(huán)軸向位移情況，動環(huán)和靜環(huán)在溫度和壓力共同作用下，配合處變形趨勢一致、數(shù)值相差無幾，內外徑軸向位移偏差小于0.5 μm，即變形后仍能保證端面近似平行間隙，表明摩擦副結構設計合理，能夠完全滿足工況參數(shù)下使用要求。

圖3 密封溫度場分布Fig.3 Temperature distribution of DGS ring

圖4 摩擦副熱力變形Fig.4 Heat and force deflection of DGS ring

3 密封結構設計

密封采用不帶迷宮的串聯(lián)式布置，一級密封為主密封，二級密封為安全密封。當一級密封失效時，二級密封可承受全部壓力，避免介質大量外漏，確保機組安全停機。圖5 給出了密封具體結構，該密封采用高壓型、多彈簧、靜止式、平衡型結構設計，包括動環(huán)、靜環(huán)、軸套、彈簧座、推環(huán)、彈簧、彈簧加載圈等關鍵部件。

圖5 密封結構Fig.5 Structure for DGS

3.1 動靜環(huán)設計

動環(huán)采用無壓燒結碳化硅材質，硬度和剛度高、導熱性和耐腐蝕性好。結構設計上采用銷傳動，銷孔應力集中更小，整體強度更高、更可靠；外圓處的軸套護套對動環(huán)起保護作用，安全性更高。端面淺槽加工檢測合格后的密封環(huán)進行超速試驗，試驗轉速為機組最大連續(xù)轉速的1.15 倍，其目的是檢測動環(huán)的內部缺陷和抗拉強度。

石墨材料強度和彈性模量較低，高壓下變形難以控制，因此采用碳化硅作為靜環(huán)材料，在碳化硅表面噴涂DLC 涂層，可以保證靜環(huán)端面良好的耐磨性和極低的摩擦系數(shù)，避免干氣密封在啟停過程等情況下可能存在的短暫接觸摩擦對靜環(huán)造成損傷。

3.2 輔助密封設計

輔助密封采用彈簧加載的聚合物密封圈，可以防止橡膠O 形圈密封在高壓工況下容易發(fā)生的因擠出變形而導致的補償環(huán)組件卡滯現(xiàn)象和快速降壓爆裂現(xiàn)象，故特別適合高壓工況。圖6所示的輔助密封組件主要是由主輔助密封圈、推環(huán)、合金套和次輔助密封等組成的系統(tǒng)，推環(huán)、合金套與主輔助密封形成主要密封通道，彈簧加載圈在此處存在輕微浮動，配合面表面粗糙度越大，其摩擦系數(shù)也就越大，高壓下產(chǎn)生的較大摩擦力會影響彈簧加載圈的浮動性，同時也會加速彈簧加載圈的磨損。因此將配合面設計為硬質合金套，硬度可達到HV1150，合金套外表面采用高精度拋光處理技術，將表面粗糙度降低至0.025 μm，有效地保證了副密封的浮動性和耐磨性。合金套與靜環(huán)座之間增設一道彈簧加載圈靜密封點，以防泄漏。

圖6 輔助密封結構Fig.6 Structure for pusher seal

3.3 其他部件設計

靜止組件主要采用退火熱處理后的S41010 馬氏體不銹鋼，彈簧采用哈C 合金材質，錐形截面結構，以助于保證彈簧在長期使用過程中的穩(wěn)定性。為了固定合金套和靜環(huán)座相對位置，彈簧座外側端面設置壓板壓緊合金套，壓板另一端與合金套窄臺硬接觸連接，達到定位目的。密封內外彈簧座采用徑向銷釘連接，比進口密封的軸向連接方式拆裝更方便。

旋轉組件采用強度更高的熱處理后沉淀硬化不銹鋼17-4PH 鍛件，既能承受介質高壓，又能承受高速旋轉產(chǎn)生的離心力。配合處采用國外進口波紋帶定心，對中效果更好，密封運行更可靠。動環(huán)組件軸向采用浮動設計，自調節(jié)能力更強，適用工況范圍更寬。

4 性能測試

管線壓縮機干氣密封產(chǎn)品制造完成后，按照API617 和JB/T 11289 進行了性能測試試驗。試驗內容主要包括靜壓試驗、動壓試驗和確認試驗，除此之外，考慮到管線壓縮機特殊工況增加了啟停試 驗。

4.1 靜壓試驗程序

將一級密封氣加壓到密封最大靜態(tài)設計壓力的25%（3.13 MPa）、50%（6.25 MPa）、75%（9.38 MPa）、100%（12.5 MPa），每個壓力點穩(wěn)壓維持至少10 min，觀察并記錄泄漏量以及是否穩(wěn)定；然后減小該壓力到規(guī)定的最大靜態(tài)密封氣體壓力的75%、50%和25%，每個壓力點穩(wěn)壓維持至少10 min，測量一級密封不同壓力下的靜態(tài)泄漏量。將一級密封氣和二級密封氣重復上述步驟，觀察并記錄泄漏量以及是否穩(wěn)定。

4.2 動壓試驗程序

將一級密封氣壓力加壓到最大動態(tài)設計壓力10.0 MPa，二級密封氣壓力加壓至0.05 MPa，升速至5 292 r/min，穩(wěn)定運行15 min，觀察并記錄泄漏量；然后升速到5 821 r/min，穩(wěn)定運行15 min，觀察并記錄泄漏量；將轉速降至5 292 r/min，穩(wěn)定運行60 min，觀察并記錄泄漏量；將二級密封氣壓力調整至10.0 MPa，同時保證一級密封氣高于二級密封氣至少0.1 MPa，穩(wěn)定運行15 min，觀察并記錄二級密封泄漏量。

4.3 啟停試驗程序

將一級密封氣壓力保持在10.0 MPa，二級密封氣壓力保持在0.05 MPa，快速將轉速升至5 292 r/ min，穩(wěn)定運行2 min，觀察并記錄泄漏量，快速將轉速降至0，停機2 min，觀察并記錄泄漏量；重復上述步驟50 次。

4.4 確認試驗程序

將試驗完成后的密封產(chǎn)品進行解體觀察，不做任何處理，重新組裝后上試驗臺架重復靜壓試驗程 序。

4.5 試驗標準

主要考核標準為密封泄漏量大?。ㄒ姳?）及其穩(wěn)定性，同時保證動靜環(huán)端面沒有明顯摩擦痕 跡。

表2 試驗泄漏量要求Tab.2 Test requirements of leakage

4.6 試驗測試結果

表3 為試驗數(shù)據(jù)，在轉速為0，一級密封氣壓力為12.5 MPa 的條件下，一級密封密封靜態(tài)泄漏量最大不超過1 Nm3/h；轉速為5 292 r/min，一級密封氣壓力為10.0 MPa 的條件下，一級密封密封靜態(tài)泄漏量在3.5～4.0 Nm3/h 之間，泄漏量穩(wěn)定且滿足表2 技術指標要求，同時密封計算泄漏量與實際泄漏量差距較 小。

表3 試驗測得的泄漏量Tab.3 Test leakage

圖7、圖8 為測試后的動環(huán)和靜環(huán)端面照片，可見端面無任何接觸痕跡，證明密封性能良好。圖9 為海森研制的天然氣管線壓縮機干氣密封客戶現(xiàn)場。

圖7 試驗后解體動環(huán)端面Fig.7 Rotating ring surface after test

圖8 試驗后解體靜環(huán)端面Fig.8 Static ring surface after test

圖9 現(xiàn)場安裝圖Fig.9 Pictures of installed at the customer

5 結束語

隨著碳達峰政策的不斷深入推進，天然氣管線輸送以及管線壓縮機勢必會被大力發(fā)展，配套干氣密封的國產(chǎn)化改造和新配套是未來必然趨勢。本文介紹了海森管線壓縮機干氣密封國產(chǎn)化研制的主要過程。目前，海森研制的干氣密封已在西亞某國管線壓縮機上穩(wěn)定運行超過16 000 h，其間經(jīng)歷多次啟停，密封性能穩(wěn)定，運行效果良好，達到了客戶要求。本文對研制過程中的關鍵環(huán)節(jié)進行了總結，給出了相關要點和結論，希望能為管線壓縮機干氣密封國產(chǎn)化研制工作以及從事壓縮機干氣密封設計人員提供一些有益參考。