焦化富氣壓縮機(jī)軸封失效原因分析及改進(jìn)措施

鐘策，畢志剛

（中國(guó)石化北海煉化有限責(zé)任公司，廣西北海536000）

焦化富氣壓縮機(jī)軸封失效原因分析及改進(jìn)措施

鐘策，畢志剛

（中國(guó)石化北海煉化有限責(zé)任公司，廣西北海536000）

介紹了焦化裝置富氣壓縮機(jī)密封系統(tǒng)流程和軸端密封結(jié)構(gòu)。闡述了自投產(chǎn)以來(lái)3次軸端梳齒密封出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，對(duì)故障原因進(jìn)行了分析排查，確定了沖蝕是造成軸端密封損壞的主要原因。通過(guò)對(duì)比PEEK和LD10的材料性能和結(jié)構(gòu)的差別，提出軸端密封改為PEEK復(fù)合密封的方案，特別介紹了PEEK材料在設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)。通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，確定改善效果明顯，這對(duì)國(guó)內(nèi)離心壓縮機(jī)密封改造有著重要的參考意義。

PEEK；梳齒密封；焦化裝置；富氣壓縮機(jī)

1　引言

中國(guó)石化北海煉化有限責(zé)任公司120萬(wàn)t/a延遲焦化裝置中富氣壓縮機(jī)0204-C-201（以下簡(jiǎn)稱C-201），為水平剖分結(jié)構(gòu)。該壓縮機(jī)自2012年1月投入生產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，軸封多次出現(xiàn)損壞，造成壓縮機(jī)蒸汽功耗增加。自該機(jī)軸封出現(xiàn)故障后，對(duì)其軸封系統(tǒng)進(jìn)行分析和優(yōu)化改造，使該機(jī)軸封系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，保障了焦化富氣壓縮機(jī)組安全、高效、平穩(wěn)運(yùn)行。

2　機(jī)組概況

2.1機(jī)組簡(jiǎn)介

表1　壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)

壓縮機(jī)組C-201由沈陽(yáng)透平機(jī)械股份有限公司制造，型號(hào)為2MCL527，壓縮機(jī)由一缸二段組成。為了避免壓縮機(jī)出口超溫，提高壓縮機(jī)效率，達(dá)到需要的壓縮比，在低壓缸與高壓缸之間設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，以降低排氣溫度，排除冷凝液，機(jī)組流程見(jiàn)圖1。壓縮機(jī)高低壓缸均為水平剖分殼體，氣體進(jìn)出口均向下，級(jí)間密封和葉輪口圈密封為迷宮式，壓縮機(jī)的軸端密封采用四川日機(jī)密封件有限公司的雙端面干氣密封。

圖1　壓縮機(jī)組C-201機(jī)組流程圖

2.2密封系統(tǒng)流程

如圖2所示，兩路前置氣（緩沖氣）：一路進(jìn)入高壓端密封腔，另一路進(jìn)入低壓端密封腔，進(jìn)入前置密封腔的氣體（一般為氮?dú)猓┲饕欠乐箼C(jī)體內(nèi)介質(zhì)污染密封面，同時(shí)作為主密封氣的控制壓力基準(zhǔn)，前置氣的消耗靠孔板來(lái)控制；兩路主密封氣：一路進(jìn)入高壓端主密封腔，一路進(jìn)入低壓端主密封腔。主密封氣和前置氣設(shè)定為差壓控制，即正常情況下，主密封氣始終比前置氣壓力高0.3 MPa；兩路隔離氣：0.6 MPa氮?dú)饨?jīng)過(guò)濾減壓后分別進(jìn)入高壓端和低壓端后置密封腔，主要隔離軸承箱油氣，防止?jié)櫥臀廴镜矫芊舛嗣?，一般設(shè)定為0.03 MPa。

在干氣密封的內(nèi)側(cè)，設(shè)置有梳齒密封，低壓端與高壓端結(jié)構(gòu)有明確區(qū)別，高壓端與低壓端梳齒密封中間泄漏氣靠二次平衡管相連接，保障了兩端干氣密封的工況基本一致，高壓端梳齒內(nèi)側(cè)多一級(jí)泄漏排放，泄漏氣連接至壓縮機(jī)一級(jí)入口，可以有效降低泄漏氣體壓力，減少介質(zhì)氣體延軸向向外泄漏。

圖2　密封系統(tǒng)流程

3　故障分析

3.1故障表現(xiàn)

3.1.1第1次檢修情況

C-201于2012年1月焦化裝置開(kāi)工投入運(yùn)行起，二次平衡管壓力一直緩慢逐漸上升，到2012年4月中旬，二次平衡管壓力由開(kāi)工初期的0.1 MPa上升到0.26 MPa，5月下旬壓力快速上升，最高達(dá)到0.40 MPa。二次平衡管壓力上升，則影響前置氣壓力上漲，前置氣壓力與主密封氣壓力越來(lái)越接近，最終導(dǎo)致前置氣與主密封氣壓差降低，接近報(bào)警值，且仍有上漲趨勢(shì)，初步判斷，軸封可能出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞，7月31日至8月3日進(jìn)行了第一次檢修，打開(kāi)大蓋后發(fā)現(xiàn)高壓端軸封損壞嚴(yán)重（見(jiàn)圖3），局部梳齒已經(jīng)缺失，于是更換了軸封。投入運(yùn)行后，二次平衡管壓力回降至0.145 MPa，檢修后初期運(yùn)行情況良好。

3.1.2第2次檢修情況

2012年10月12日開(kāi)始，二次平衡管壓力又開(kāi)始上升，隨著二次平衡管壓力升高，蒸汽耗量也逐漸升高，從開(kāi)始的28.6 t/h上升到37 t/h。這一問(wèn)題引起了技術(shù)人員的高度重視，根據(jù)第一次檢修的情況，當(dāng)時(shí)判斷造成壓縮機(jī)前置氣壓力緩慢上升的原因可能有：

（1）工藝氣介質(zhì)較臟，在平衡管或與平衡管相連的軸端氣封泄漏孔積垢，造成回氣不暢所致；

（2）高壓端軸封又遭到損壞。第一次檢修更換密封沒(méi)有解決防止氣封損壞的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)討論分析認(rèn)為導(dǎo)致高壓端軸封損壞的原因可能是壓縮機(jī)級(jí)間分液罐設(shè)計(jì)偏小，罐內(nèi)氣體停留時(shí)間短，分液效果不好，導(dǎo)致二級(jí)入口氣體帶液，沖擊軸封，致使軸封損壞。

解決方案如下：

（a）增加了一臺(tái)同樣規(guī)格的級(jí)間分液罐，2臺(tái)并聯(lián)使用，改造流程見(jiàn)圖4；

圖3　高壓端軸封損壞實(shí)物圖

（b）將高壓端得軸端密封的4-φ10的孔改為7-φ12的孔，延密封的圓周均布，以擴(kuò)大流通面積，對(duì)抑制軸端密封壓損升高起到一定的改善作用。

圖4　改造流程圖

3.1.3第3次檢修情況

到了2013年9月，又出現(xiàn)平衡管壓力逐步上升，致前置氣壓力上升。根據(jù)公司總體計(jì)劃?rùn)z修安排，于2014年6月18日至6月22日，壓縮機(jī)停機(jī)檢修。此次壓縮機(jī)解體后發(fā)現(xiàn)軸封損害更加嚴(yán)重，多處梳齒破壞，平衡孔被沖蝕放大，見(jiàn)圖5和圖6。前2次檢修只是高壓端軸封穿孔損壞，這一次發(fā)現(xiàn)高、低壓端都穿孔損壞。高壓端軸封靠近介質(zhì)側(cè)沖蝕嚴(yán)重，且下汽封較上汽封更嚴(yán)重（圖5為上汽封、圖6為下汽封），低壓端軸封靠近介質(zhì)側(cè)存在沖蝕，同樣為下汽封較嚴(yán)重，但低壓端較高壓端汽封要輕微。

3.2原因分析

3.2.1造成損壞的直接原因

從以上3次檢修高壓端軸封損壞的形態(tài)來(lái)看，梳齒局部損壞嚴(yán)重，有個(gè)別位置延軸向有貫穿沖槽，梳齒損壞的程度由外向內(nèi)（大氣側(cè)指向介質(zhì)側(cè)）逐漸嚴(yán)重，部分圓孔被沖蝕變形，從損壞的形態(tài)判斷造成梳齒密封損壞的原因?yàn)闅庖合嗷旌狭黧w造成氣封被沖蝕。同時(shí)因其他部位例如級(jí)間密封的梳齒密封也采用同樣的材質(zhì)，但基本沒(méi)有損壞，排除了工藝介質(zhì)對(duì)梳齒密封存在嚴(yán)重腐蝕的可能。

圖5　高壓端軸封沖蝕

圖6　低壓端軸封沖蝕

3.2.2產(chǎn)生氣蝕的可能原因

原因1：由表2可以看出，在壓縮機(jī)入口富氣不同溫度條件下，壓縮機(jī)一級(jí)入口氣體C5以上組分含量隨溫度降低略有下降，但數(shù)值均低于設(shè)計(jì)指標(biāo)。壓縮機(jī)二級(jí)入口氣體C5以上組分含量受冷后溫度影響不大，但含量均高于設(shè)計(jì)指標(biāo)，特別是C6+成分，設(shè)計(jì)值為零，但實(shí)際運(yùn)行卻有5%左右的含量。從梳齒密封的工作原理看，梳齒密封是利用節(jié)流現(xiàn)象起到密封和減少泄漏量的作用，由于實(shí)際氣體與理想氣體存在差異，氣體在節(jié)流過(guò)程中不斷節(jié)流和膨脹，C5以上組分在這過(guò)程中不斷的液化和汽化，經(jīng)檢查確認(rèn)，壓縮機(jī)二段入口溫度正常約為40℃，而經(jīng)過(guò)高壓端軸端密封從內(nèi)側(cè)泄漏孔排放至壓縮機(jī)一段入口管路的外表面溫度約為30℃，因此驗(yàn)證了泄漏氣經(jīng)梳齒密封節(jié)流降壓后溫度下降，溫度下降的過(guò)程中存在工藝介質(zhì)中部分組分冷凝液化的現(xiàn)象。氣體流經(jīng)梳齒時(shí)不斷的存在氣液相變化，造成梳齒被沖蝕。

原因2：二段入口汽液分離罐氣液分離不好，導(dǎo)致壓縮機(jī)二段入口氣體可能帶液，帶液氣體流經(jīng)高壓端梳齒時(shí)造成梳齒損壞。但是結(jié)合第2次檢修的情況看，并聯(lián)增加級(jí)間分液罐后，高壓端梳齒損壞的情況并沒(méi)有好轉(zhuǎn)，因此二段入口帶液的可能性比較小。

表2　焦化氣壓機(jī)工況分析表

4　機(jī)組的改造措施

4.1密封的改造方案

由于原設(shè)計(jì)中軸端密封采用鍛鋁合金LD10材料，從實(shí)際使用效果來(lái)看，一般3～6個(gè)月就出現(xiàn)損壞，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，見(jiàn)圖7。因此，根據(jù)生產(chǎn)廠家的建議，改為耐腐蝕性能更好的PEEK材質(zhì)的梳齒密封。PEEK不僅有非常好的耐腐蝕性能，其耐磨性和耐剝離性能也很優(yōu)異。因材料的耐沖蝕性能與材料的韌性、環(huán)境因素、沖擊角度、粒子大小、速度等因素相關(guān)［2］，所以鍛鋁合金LD10和PEEK的耐沖蝕性無(wú)法直接比較，實(shí)際的耐沖蝕性能要靠機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)檢驗(yàn)。為了減低PEEK注塑用量和變形，采用金屬嵌件的方式。考慮到機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中氣體對(duì)梳齒的沖刷作用明顯，靠近介質(zhì)端第一級(jí)梳齒保留為不銹鋼材質(zhì)，既對(duì)PEEK密封側(cè)面進(jìn)行保護(hù)，又保障結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且梳齒的高度低于PEEK梳齒高度，梳齒的形狀改為斜齒，見(jiàn)圖8。其他參數(shù)如梳齒總數(shù)、齒間距、齒高等不變，由沈鼓集團(tuán)為焦化富氣壓縮機(jī)組改進(jìn)的軸端密封，見(jiàn)圖9。

圖8　改進(jìn)后軸端密封結(jié)構(gòu)圖

4.2PEEK密封的性能

聚醚醚酮（PEEK）是一種高性能的特種工程塑料，具有優(yōu)異的化學(xué)惰性和優(yōu)異的綜合性能，高溫性能良好，具有優(yōu)良的抗摩擦和耐磨損性能，能夠很好地抵抗大多數(shù)的化學(xué)環(huán)境，通過(guò)增強(qiáng)復(fù)合還可以提高其力學(xué)性能和耐磨性能。

4.3PEEK與DL10梳齒密封特性比較［3］

傳統(tǒng)上離心壓縮機(jī)迷宮密封多采用鋁合金等較軟的金屬梳齒密封環(huán)和較大的密封間隙，以盡量避免對(duì)轉(zhuǎn)軸的擦傷。但在實(shí)際運(yùn)行中由于振動(dòng)等原因，不可避免地會(huì)發(fā)生密封環(huán)梳齒與轉(zhuǎn)軸的碰磨，密封環(huán)梳齒和轉(zhuǎn)軸的碰磨常常造成金屬梳齒的嚴(yán)重磨損或發(fā)生永久變形，增大了密封間隙，造成大的泄漏損失。相比于傳統(tǒng)的梳齒密封，PEEK材料梳齒密封的性能優(yōu)勢(shì)在于其優(yōu)異的耐磨損性能和彈性變形能力，因而可以具有更長(zhǎng)的使用壽命。圖10、11分別是LD10鋁合金材料和PEEK材料的密封與轉(zhuǎn)軸碰磨前中后的示意圖。

圖9　軸端密封實(shí)物圖

圖10　LD10鋁合金密封與轉(zhuǎn)軸碰磨前中后示意圖

圖11　PEEK材料密封與轉(zhuǎn)軸碰磨前中后示意圖

4.4PEEK密封設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

（1）使用PEEK材料的主要優(yōu)點(diǎn)是它良好的回彈性和耐磨性，PEEK密封與轉(zhuǎn)軸的碰撞發(fā)生后，密封間隙仍得以維持而不像鋁合金密封那樣因變形而間隙變大，在實(shí)際工程應(yīng)用中，設(shè)計(jì)上多采用斜齒結(jié)構(gòu)，如圖12所示，以充分發(fā)揮PEEK密封的這個(gè)特點(diǎn)。

圖12　迷宮式密封示意圖

（2）PEEK密封材料允許密封的工作間隙設(shè)計(jì)得比鋁合金密封的還要小，以達(dá)到更好的密封效果，但PEEK材料的熱膨脹系數(shù)比鋁合金高出很多，而且與溫度不存在線形關(guān)系（溫度越高，熱膨脹系數(shù)越大），所以設(shè)計(jì)時(shí)一定要確定壓縮機(jī)該密封部位的溫度，并考慮熱膨脹的影響。因此，PEEK密封安裝間隙未必一定要比鋁合金密封的安裝間隙小。

（3）PEEK材料的導(dǎo)熱性能不好，若加工時(shí)散熱不好，材料各部分溫度不均，熱膨脹變形也不一樣，所以最好加工前材料要有足夠長(zhǎng)的熱穩(wěn)定時(shí)間，以確保加工精度；另外，PEEK材料與金屬材料相比相對(duì)較軟，在保存、運(yùn)送和安裝時(shí)應(yīng)避免碰壞梳齒和法蘭面，并在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮不同區(qū)域的壓力分布以及不同的熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力。

4.5密封改造后的效果

檢修后機(jī)組運(yùn)行參數(shù)良好，對(duì)比蒸汽耗量，約有20～30 t/d的節(jié)約量；二次平衡管壓力較檢修前有明顯下降，這也是本次檢修的主要目的。截止到2015年5月初，機(jī)組已穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)10個(gè)月，與檢修后初期對(duì)比，密封系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)及機(jī)組蒸汽消耗量沒(méi)有明顯變化，新型的軸端密封運(yùn)行效果良好，使用壽命已明顯超原設(shè)計(jì)鍛鋁合金LD10材料，說(shuō)明本次密封改造是成功的，新型梳齒密封的實(shí)際使用壽命還有待運(yùn)行時(shí)間的考驗(yàn)。

5　結(jié)語(yǔ)

（1）本文對(duì)焦化富氣壓縮高壓端梳齒密封損壞進(jìn)行了原因分析，對(duì)比了LD10和PEEK材質(zhì)的性能差異，通過(guò)對(duì)軸端密封的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，目的是解決原梳齒密封使用壽命低的問(wèn)題，對(duì)以后該類(lèi)型壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)制造和檢維修具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

（2）采用軟密封可以適當(dāng)減小軸封間隙，對(duì)機(jī)組實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗運(yùn)行有所幫助，是壓縮機(jī)軸端密封發(fā)展的一個(gè)重要方向。

［1］黃忠岳，王曉放.透平式壓縮機(jī)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］康進(jìn)興，趙文軫，朱金華.材料抗沖蝕性的研究進(jìn)展［J］.材料保護(hù)，2001，（10）：22-23.

［3］雍興平，邱大偉，郭麗娟.高性能熱塑性材料在梳齒密封上的應(yīng)［J］.通用機(jī)械，2008，（9）：21-23.

Analysis and Solution about Failure of the Shaft Sealing in Coking Rich Gas Compressor

ZHONG Ce，BI Zhi-gang
（Sinopec Beihai Refinery Limited Liability Company，Beihai 536000，China）

This paper introduces the seal system process and shaft-end seal structure of the rich gas compressor in the coking unit. After analyzing and checking the labyrinth seal failure which happened 3 times since the start of the operation，the erosion is the main cause of shaft end seal damage.The PEEK combined seal is proposed by comparing the PEEK with the LD10 in the differences of material properties and structure，and especially the matters needing attention in the design of PEEK material are also introduced.It is confirmed that the improvement effect is obvious after running for a period of time，which shows great significance for the transformation of domestic centrifugal compressor sealing.

PEEK；broach sealing；coking unit；rich gas compressor

TH45

B

1006-2971（2015）05-0042-06

鐘策，男，工程師，1990年畢業(yè)于廣東石油化工專(zhuān)科學(xué)?；ぴO(shè)備與機(jī)械專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任中國(guó)石化北海煉化有限責(zé)任公司機(jī)動(dòng)工程部副部長(zhǎng)。

2015-06-09