胡 濤，林艷斐，謝 楷

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海201108）

碳環(huán)密封應(yīng)用在工藝螺桿壓縮機上的常見問題分析

胡 濤，林艷斐，謝 楷

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海201108）

通過分析碳環(huán)密封的特點、結(jié)構(gòu)型式、系統(tǒng)布置，明確碳環(huán)密封的使用場合；針對碳環(huán)密封在使用過程中出現(xiàn)的氮氣消耗量大、竄水竄氣、自磨損、磨軸、波紋彈簧斷裂及腐蝕等問題，分析產(chǎn)生問題的原因，提出了解決措施及解決思路。

螺桿壓縮機；碳環(huán)密封；碳環(huán)

1 引言

目前工藝無油螺桿壓縮機中常用的主密封有3種形式：機械密封、干氣密封和碳環(huán)密封。對于大軸徑的機型，機械密封由于受pV值的限制[1]，可靠性較差，少有應(yīng)用。干氣密封雖可實現(xiàn)介質(zhì)零泄漏、安全性高，但價格昂貴，特別是干氣密封輔助系統(tǒng)復(fù)雜。碳環(huán)密封屬于徑向非接觸式密封，依靠小間隙節(jié)流降壓實現(xiàn)密封功能，因其結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝維護、經(jīng)濟性好而在工藝螺桿壓縮機上廣泛使用，如焦?fàn)t煤氣壓縮機、PSA尾氣壓縮機、苯乙烯壓縮機等。但由于碳環(huán)密封存在間隙較大、密封圈易磨損，在實際的現(xiàn)場運行使用中，也存在一些亟待解決的問題。

2 碳環(huán)密封的工作原理及特點

2.1 碳環(huán)密封工作原理

碳環(huán)密封屬于流阻型非接觸式密封，其密封內(nèi)孔與軸存在一定的間隙，運轉(zhuǎn)時在壓差和轉(zhuǎn)軸的運動下帶動氣體進入偏心的楔形間隙內(nèi)，在楔形間隙內(nèi)產(chǎn)生流體動壓效應(yīng)，使環(huán)浮動抬升，環(huán)內(nèi)壁脫離軸表面而變成非接觸狀態(tài)；在此狀態(tài)下，氣體通過間隙的節(jié)流作用產(chǎn)生壓力損失，從而達到減小泄漏的目的。由于存在間隙，避免了固體摩擦，適用于高轉(zhuǎn)速情況，既可以封堵液體，也可以封堵氣體，但是泄漏量較大，某些情況下還需配置比較復(fù)雜的密封輔助系統(tǒng)。

2.2 碳環(huán)密封的特點

碳環(huán)密封是浮環(huán)密封的一種形式，廣泛應(yīng)用于汽輪機、風(fēng)機、發(fā)電機、壓縮機、透平機等機組的軸端密封中。尤其在一些高壓、高轉(zhuǎn)速場合，只有采用碳環(huán)密封來降壓或節(jié)流，才能使泄漏降至允許范圍內(nèi)。如果再與其它密封相組合，可以得到更滿意的效果。相比其它密封裝置，碳環(huán)密封具有如下優(yōu)點[2]：

（1）結(jié)構(gòu)簡單、成本適中，密封性能穩(wěn)定、維護檢修方便；

（2）能用于10000～20000 r/min的高速旋轉(zhuǎn)流體機械，尤其適用于氣體壓縮機，其許用速度高達100 m/s以上，這是其他密封所不能比的；

（3）摩擦功率小，使得機器具有較高的效率；

（4）可以用于強腐蝕性介質(zhì)，由于密封環(huán)材料為石墨碳環(huán)，可以有效抵抗介質(zhì)氣體的腐蝕。

碳環(huán)密封缺點在于：密封件的制造精度要求高，環(huán)的不同心度和端面不垂直度和表面粗糙度對密封性能有明顯的影響。此外，這種密封對液體不能做到封嚴(yán)不漏；對氣體雖然可做到封嚴(yán)，但需要一套復(fù)雜而昂貴的自動化供油系統(tǒng)。

2.3 碳環(huán)的結(jié)構(gòu)形式

碳環(huán)相當(dāng)于浮環(huán)密封中的動環(huán)，材質(zhì)為碳精。碳環(huán)材料按照JB/T9580規(guī)定為特種石墨類。目前各密封生產(chǎn)廠家碳環(huán)大致可以分為2種：整體式和分瓣式，碳環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前通常使用的即是整體式碳環(huán)結(jié)構(gòu)，安裝方式為從軸向安裝。對于分瓣式結(jié)構(gòu)目前工業(yè)上已經(jīng)開始有應(yīng)用。分瓣式中最為常見的是三瓣式碳環(huán)結(jié)構(gòu)，安裝時用彈簧箍在一起，安裝在密封腔體內(nèi)。當(dāng)然分瓣式結(jié)構(gòu)中還有多瓣式結(jié)構(gòu)和自動補償能力的無間隙碳環(huán)形式，其作用原理都大致相同，均利用碳環(huán)外圓周槽上的彈性裝置實現(xiàn)碳環(huán)的自動補償[3]。

2.4 碳環(huán)密封系統(tǒng)配置形式

碳環(huán)密封由于其結(jié)構(gòu)比較簡單，所以可采用多種碳環(huán)串級組合使用的方式，常見系統(tǒng)由以下2種配置型式：

方案1：平衡口（管）+參考氣+一級密封氣（主密封）+放空口+二級密封氣（隔離氣）+放空口

方案2：平衡口（管）+一級密封氣（主密封）+放空口+二級密封氣（隔離氣）+放空口

以上2種配置型式均采用主密封及隔離氣實現(xiàn)，介質(zhì)無泄漏及封油的作用。不同的是方案1采用了參考氣另行引出的方式。在本文后會比較兩種配置的區(qū)別。

3 碳環(huán)密封在應(yīng)用中存在的問題

3.1 設(shè)計上存在缺陷，碳環(huán)缺少徑向?qū)χ姓{(diào)節(jié)能力

在壓縮機停止?fàn)顟B(tài)下，由于重力作用碳環(huán)會和軸接觸。當(dāng)壓縮機啟動后，充入碳環(huán)中的氮氣會形成氣膜的壓力使碳環(huán)浮起，使之趨向于與轉(zhuǎn)子軸同心。但如果間隙大，流體動壓力就小，自動趨向軸心的能力就較差，即自找中心的能力差。所以往往需要在碳環(huán)的外圓增加一個定位裝置。這個定位裝置可以是彈簧、橡膠O型圈。而目前碳環(huán)密封的結(jié)構(gòu)雖然有徑向保護環(huán)，但該保護環(huán)為2Cr13材質(zhì)，不具備一定的彈性和延展性，碳環(huán)浮動能力較差，一旦出現(xiàn)氮氣壓力低的情況，同時伴隨著高溫狀態(tài)，就很容易產(chǎn)生磨軸的情況。

3.2 碳環(huán)密封在運行過程中出現(xiàn)的問題

3.2.1 氮氣消耗量大，運行費用高

在實際運行中，一臺大型螺桿機組氮氣的消耗量在300 Nm3/h左右，按平均工業(yè)氮氣1元/Nm3，一年按8000 h計算，每年的用氮氣成本達到240萬元，且還不包括每年大修更換碳環(huán)密封的費用。所以如何有效的降低碳環(huán)密封氮氣消耗量是迫切需要解決的問題。

碳環(huán)密封的泄漏量大小主要取決于碳環(huán)與軸之間的徑向間隙、碳環(huán)的軸向長度、碳環(huán)兩側(cè)氣體壓差、密封介質(zhì)粘度等因素，其經(jīng)驗公式如下[4]

式中 M——質(zhì)量泄漏量

ρ——氣體密度

Δp——密封環(huán)兩側(cè)壓差

d——軸徑

h——碳環(huán)與軸的間隙

ε——碳環(huán)工作時的偏心值

η——氣體粘度

N——碳環(huán)個數(shù)

l——單個浮環(huán)節(jié)流長度

p2——低壓側(cè)氣體壓力

由上述公式可知，碳環(huán)密封泄漏量與間隙的3次方成正比，與壓差的2次方成正比。由此可見，在保證碳環(huán)加工制造精度和密封功能的前提下，合理控制壓差和密封間隙是控制泄漏量的主要方法。

以焦?fàn)t煤氣壓縮機為例，目前密封結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)的配置即本文2.4敘述的第1種形式。

（1）合理控制壓差

一級氮氣沖入后分為兩路，一路經(jīng)過碳環(huán)進入平衡腔，主要起到阻擋含雜質(zhì)的介質(zhì)氣進入碳環(huán)的作用，另一路經(jīng)過碳環(huán)進入放空管線，用來將少量進入碳環(huán)的介質(zhì)氣安全排放出去；二級氮氣沖入后一路經(jīng)過碳環(huán)進入放空管線，進一步阻擋介質(zhì)氣的泄漏，另一路經(jīng)過碳環(huán)進入軸承端，阻擋軸承端的潤滑油進入碳環(huán)密封。這種布置方案的缺點是一級氮氣的供氣壓力以平衡管壓力為參考值，因此無法判定介質(zhì)氣在經(jīng)過平衡腔口之后的數(shù)道碳環(huán)后的壓力降，往往注入的氮氣壓力相對較高，氮氣的消耗量較大。所以可以參考2.4中第2種系統(tǒng)配置形式，比如在第3道和第4道碳環(huán)間（不同的碳環(huán)本體結(jié)構(gòu)存在差別）引出氣體作為參考氣，一級氮氣的供氣壓力高于參考氣0.03～ 0.05 MPa，介質(zhì)氣經(jīng)過第3道碳環(huán)進一步節(jié)流降壓后，理論上參考氣的壓力要低于平衡管的壓力，即Δp更接近真實壓差，這樣注入氮氣的壓力更低，消耗量更小。

（2）有效控制密封間隙

減小密封與軸之間的間隙是減少泄漏量的一個思路，但這往往受到轉(zhuǎn)子加工精度、密封的加工精度的限制[4]。但是換一種思路而言，設(shè)計碳環(huán)密封時在石墨環(huán)的外圈增加預(yù)緊力彈簧，即當(dāng)碳環(huán)密封發(fā)生磨損時，由于石墨環(huán)彈簧預(yù)緊力的作用，將使碳環(huán)與軸之間始終保持較小的間隙，當(dāng)然這個結(jié)構(gòu)的前提是在加工轉(zhuǎn)子時，必須保證軸的HRC硬度不能太低，保證在55～65之間。這樣也可避免在本文后面提到的出現(xiàn)密封磨軸的問題。

3.2.2 潤滑油箱竄水

正常情況下，向壓縮機腔體內(nèi)噴入的工藝水是不會竄到潤滑油里，密封系統(tǒng)將腔體和潤滑油系統(tǒng)完全獨立開來。在不考慮其它原因情況下，當(dāng)碳環(huán)密封與轉(zhuǎn)子軸之間的間隙變大，氮氣消耗量過大，碳環(huán)密封將失效，無法封住壓縮機腔體內(nèi)從軸間隙竄過來的水，當(dāng)然在一定的范圍內(nèi)適當(dāng)提高充氮氣壓力，是可以減少潤滑油內(nèi)竄水的情況，但是當(dāng)碳環(huán)密封與軸之間的間隙大到一定程度，再通過提高氮氣壓力的方式就已經(jīng)失去其意義了。

3.2.3 放空管路氣體反竄

一般的設(shè)計是將機組上的放空合并成一路進行放空，但由于不同管路存在放空壓力、介質(zhì)不一致的問題，所以不同介質(zhì)氣、不同壓力等級的放空應(yīng)該分開布置，避免放空氣體出現(xiàn)反竄。

3.2.4 碳環(huán)密封的使用場合不當(dāng)

（1）存在腐蝕的場合

不同的介質(zhì)氣會影響碳環(huán)密封的性能。例如，水煤氣壓縮機在高溫條件下，碳環(huán)密封處的軸徑部分容易發(fā)生腐蝕在發(fā)生腐蝕以后，間隙量變大，會嚴(yán)重影響碳環(huán)密封的密封效果。因此，這種情況下建議在軸上加一個軸套，以保護軸徑免受腐蝕。

（2）高氫氣含量場合

在氫氣壓縮機中，由于氫氣的聲速大于氮氣的聲速[2]，導(dǎo)致氫氣比氮氣更容易出現(xiàn)臨界狀態(tài)，而使得氮氣不能完全封住氫氣；而且氮氣比氫氣密度大，所以在氫氣含量比較高的場合會出現(xiàn)即使氮氣壓力足夠高都無法起到密封作用的情況。故對于高氫氣含量的情況不建議使用碳環(huán)密封，如在循環(huán)氫氣壓縮機中。

（3）高壓力場合

碳環(huán)密封本身能適用10 MPa以上高壓的場合，只要組成多層碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)，碳環(huán)密封足夠長。但是由于螺桿壓縮機結(jié)構(gòu)的限制，若軸向尺寸較長，增加了軸承跨距，將降低壓縮機的穩(wěn)定性。另外螺桿壓縮機是雙螺桿結(jié)構(gòu)，拿510機型為例，兩根螺桿之間的中心距是400 mm，也就是說螺桿機中心距是受限制的。

4 檢維修中存在的問題

4.1 碳環(huán)磨損嚴(yán)重，碳環(huán)密封運行壽命短

在化工生產(chǎn)實際應(yīng)用中，碳環(huán)密封磨損是比較普遍的一個問題。運行不到一年以后碳環(huán)密封中的石墨環(huán)易產(chǎn)生明顯的磨損痕跡，有些還出現(xiàn)較深的環(huán)以致造成凹槽，甚至出現(xiàn)碳環(huán)斷裂的情況。

出現(xiàn)碳環(huán)磨損主要原因有以下兩種：（1）介質(zhì)氣中含有粉塵或細小顆粒物，進入到碳環(huán)中，所以在焦?fàn)t煤氣等場合如果條件容許，增加前置密封吹掃氣或者提高吹掃氣的壓力，保證密封在一個干凈的環(huán)境運行是有必要的；（2）壓縮機振動大。當(dāng)壓縮機振動較大，如果碳環(huán)密封的“自找中”能力較差，就會出現(xiàn)碳環(huán)密封碳環(huán)斷裂的情況[5]。

4.2 磨軸的問題

碳環(huán)密封磨軸同樣也是比較普遍的一個問題。在轉(zhuǎn)子安裝碳環(huán)密封的軸頸處，通過直接的觀察就可發(fā)現(xiàn)有非常明顯的環(huán)形凹槽，如圖3。凹槽的寬度在7～10 mm不等，深度在0.2～1.1 mm不等，而且對碳環(huán)密封磨軸處進行探傷分析，結(jié)果表明磨損是痕跡屬危險缺陷：磨痕長度長，并且有一定的連貫性（如圖4），會造成斷軸的可能。造成磨軸的原因有一個比較突出的是，壓縮介質(zhì)含有粉塵，由于工藝波動等因素的影響會進入到碳環(huán)密封與軸之間的間隙，從而引起碳環(huán)密封與軸磨損。更加嚴(yán)重的問題是一旦出現(xiàn)磨軸的問題，想再次修復(fù)轉(zhuǎn)子本磨損的地方是非常困難的一件事情，因為被磨出的凹槽常規(guī)的做法只有進行熱噴涂、化學(xué)鍍層或者激光熔覆，但往往這些加工工藝的加工厚度往往不能超過1 mm，超過1 mm就很容易出脫落的情況，而且維修費用較高[6]。所以建議：（1）可在設(shè)計碳環(huán)密封時增加一個軸套；（2）提高軸的硬度。

4.3 波紋彈簧斷裂及腐蝕

對于不同的場合，波紋彈簧的材質(zhì)要做特殊處理。如在氨氣場合波紋彈簧就不要使用碳鋼材質(zhì)，如圖5所示，所以一般都建議使用不銹鋼材質(zhì)，當(dāng)然的在硬度方面必須要低于軸的硬度是比較合適的。

5 結(jié)論

減小密封與軸之間的間隙，同時合理控制壓差，是減少碳環(huán)密封氮氣消耗量的有效途徑。同時對于螺桿轉(zhuǎn)子軸而言，提高其耐磨性和硬度是避免轉(zhuǎn)子磨軸的一個有效方法；另外碳環(huán)密封也有其使用范圍，對于高氫氣含量場合并不使用；對于有腐蝕性氣體的場合，對于碳環(huán)密封的材質(zhì)問題，還要格外關(guān)注。所以系統(tǒng)的總結(jié)分析碳環(huán)密封應(yīng)用情況，將為進一步提高機組運行的經(jīng)濟性和可靠性提供重要的指導(dǎo)意義。

[1] 蔡仁良，等.過程裝備密封技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2] 呂瑞典.化工設(shè)備密封技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社出版社，2006.

[3] 郝木明.過程裝備密封技術(shù)[M].北京：中國石化出版社出版社，2010.

[4] 趙利娜，周鵬，陳宗華.碳環(huán)密封的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用[J].化工裝備技術(shù)，2013，34（5）：13-15.

[5] API 619，Rotary Type Positive Drive Displace-ment Compressor for Petroleum，Chemical and Gas Industry Services.

[6] 佚名.燃料氣用無油螺桿壓縮機概述[EB].壓縮機，2013.

Analysis of Common Problems of Carbon Ring Seal Applied in Process Screw Compressor

HU Tao,LIN Yan-fei,XIE Kai
（The 711 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Shanghai 201108,China）

It is definite that the application situation of carbon ring seal by analyzing its characteristic,structure type,system layout. Besides,measure and approach is put forward aiming at analyzing the problems arising from the carbon ring seal in use process such as high nitrogen consume,slipping of water and gas,wear and tear on self,wear on axle and corrugated spring break and corrosion.

screw compressor;carbon ring seal;carbon ring

TH455

B

1006-2971（2015）06-0035-05

胡濤（1982-），男，工程師，主要從事螺桿壓縮機技術(shù)與管理工作。E-mail：13917661816@163.com

2015-06-30