李振濤等

摘要：分析了裂化氣螺桿壓縮機(jī)傳統(tǒng)機(jī)械密封運(yùn)行過(guò)程中存在的各種問(wèn)題，采用雙端面干氣密封結(jié)構(gòu)型式。改造后，消除了工藝介質(zhì)污染潤(rùn)滑油問(wèn)題，同時(shí)密封使用壽命大大延長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：減粘裝置；裂化氣；螺桿壓縮機(jī)；雙端面；干氣密封

前言

中國(guó)石油某分公司減粘裝置裂化氣的輸送由噴油式螺桿壓縮機(jī)來(lái)完成，螺桿壓縮機(jī)由國(guó)內(nèi)某壓縮機(jī)有限公司制造，型號(hào)為L(zhǎng)G-10/2-14。軸封采用傳統(tǒng)的單端面接觸式機(jī)械密封。在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，頻繁發(fā)生工藝介質(zhì)（含柴油）泄漏至潤(rùn)滑油中，一方面導(dǎo)致潤(rùn)滑油污染變質(zhì)，造成軸承、增速齒輪和同步齒輪等運(yùn)轉(zhuǎn)部件潤(rùn)滑不良而頻繁損壞，嚴(yán)重影響設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]；另一方面泄漏的工藝介質(zhì)通過(guò)呼吸帽排至大氣中，造成嚴(yán)重的空氣污染，存在安全隱患。

為確保裂化氣螺桿壓縮機(jī)組長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，該單位與東營(yíng)海森密封技術(shù)有限責(zé)任公司探討、研究后，決定對(duì)螺桿壓縮機(jī)密封進(jìn)行改造。改造方案采用雙端面干氣密封，以解決現(xiàn)用密封存在的各種問(wèn)題。

1.螺桿壓縮機(jī)原密封存在主要問(wèn)題

裂化氣螺桿壓縮機(jī)陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子進(jìn)氣端和排氣端共四套密封，原采用密封結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。該密封使用壽命約3個(gè)月，密封失效后，工藝介質(zhì)易反竄至潤(rùn)滑油系統(tǒng)中，造成潤(rùn)滑油污染。

1.1密封端面摩擦副發(fā)生嚴(yán)重的磨粒磨損，靜環(huán)端面發(fā)生崩邊現(xiàn)象。

1.2工藝介質(zhì)反竄至潤(rùn)滑油側(cè)，雜質(zhì)部分附著在靜環(huán)內(nèi)徑處發(fā)生銹蝕。

經(jīng)分析發(fā)生上述現(xiàn)象可能的原因：一是原接觸式機(jī)械密封介質(zhì)側(cè)為含噴液（柴油）和雜質(zhì)的工藝介質(zhì)，使得密封內(nèi)徑處于非潔凈的工作環(huán)境，一旦雜質(zhì)進(jìn)入密封端面，易產(chǎn)生磨粒磨損[2]，久而久之密封逐漸失效；二是國(guó)產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)較大，接觸式機(jī)械密封抗振動(dòng)干擾能力差，易致使顆粒雜質(zhì)進(jìn)入密封端面；三是密封沖洗油壓力存在較大波動(dòng)或者密封沖洗油流量不足；四是密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等。為徹底解決該機(jī)組因密封失效帶來(lái)的各種問(wèn)題，其軸封改造勢(shì)在必行。

2.螺桿壓縮機(jī)干氣密封改造

2.1改造條件

LG-10/2-14裂化氣螺桿壓縮機(jī)組，冷卻介質(zhì)為柴油，主要性能指標(biāo)為：

體積流量：10m3/min（入口狀態(tài)）

進(jìn)氣壓力：0.2MPa（G）

排氣壓力：1.4MPa（G）

進(jìn)氣溫度：40℃

排氣溫度：≤85℃

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速：3053r/min

軸功率：181kW

電機(jī)功率：200kW

驅(qū)動(dòng)方式：電機(jī)通過(guò)變速齒輪驅(qū)動(dòng)

2.2 機(jī)組干氣密封改造

2.2.1干氣密封改造過(guò)程中需解決的難點(diǎn)問(wèn)題

主要是氣源問(wèn)題，螺桿壓縮機(jī)平衡管壓力約0.75MPa，前置隔離氣壓力至少0.78MPa，主密封氣壓力至少1.0MPaG以上。

2.2.2干氣密封改造原則及依據(jù)

第一是設(shè)計(jì)原則：保證集裝式干氣密封與原單端面機(jī)械密封的互換性，設(shè)計(jì)改造不改變?cè)芊馇坏慕Y(jié)構(gòu)、尺寸[3]。

第二是干氣密封選型依據(jù)：通過(guò)對(duì)裂化氣螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝條件分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的密封氣源的情況，為保證主密封在超量泄漏時(shí)介質(zhì)也不向環(huán)境泄漏，依據(jù)API617的標(biāo)準(zhǔn)方案，采用雙端面干氣密封（如圖4所示）集裝式結(jié)構(gòu)。

2.2.3干氣密封改造方案

根據(jù)LG-10/2-14裂化氣螺桿壓縮機(jī)操作參數(shù)、工況參數(shù)及密封腔體尺寸，陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子進(jìn)氣端和排氣端均采用雙端面干氣密封結(jié)構(gòu)型式，如圖4所示。

圖4中密封端面主要由螺旋槽、密封堰和密封壩三部分組成。在密封端面均勻加工能夠產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)的對(duì)數(shù)螺旋槽，槽深只有幾微米，螺旋槽底徑與密封環(huán)內(nèi)徑間的區(qū)域?yàn)槊芊鈮螀^(qū)，在螺旋槽之間的區(qū)域?yàn)槊芊庋邊^(qū)（臺(tái)區(qū)）。密封堰起到阻止進(jìn)入螺旋槽內(nèi)的氣體沿圓周方向的流動(dòng)，而密封壩區(qū)保證螺旋槽產(chǎn)生足夠的流體靜壓力，同時(shí)保證密封靜止時(shí)不發(fā)生泄漏?？傃灾焊蓺饷芊膺\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槽產(chǎn)生泵送效應(yīng)，將氣體沿半徑方向向中心泵送，由于密封堰和密封壩區(qū)的阻攔，進(jìn)入螺旋槽內(nèi)的氣體受壓膨脹，形成流體膜，進(jìn)而產(chǎn)生足夠的流體膜承載能力，將密封端面打開(kāi)，使密封端面處于非接觸式狀態(tài)，密封端面間流體膜厚度約3-5微米。

圖4中改造的雙端面干氣密封具有以下特點(diǎn)：

首先，由2套背靠背干氣密封組成，在介質(zhì)側(cè)干氣密封與壓縮機(jī)組迷宮密封件充入惰性氣體氮?dú)庾鳛榍爸酶綦x氣，前置隔離氣壓力約高于平衡管壓力20-30KPa，防止工藝介質(zhì)反竄至干氣密封區(qū)域，為該側(cè)密封提供潔凈的工作環(huán)境。

其次，采用“氣體阻塞”原理，介質(zhì)側(cè)干氣密封和軸承側(cè)干氣密封腔體內(nèi)通入壓力約高于前置隔離氣壓力0.2-0.3MPa的氮?dú)庾鳛橹髅芊鈿?，介質(zhì)側(cè)干氣密封端面消耗的微量氮?dú)馀c前置隔離氣一并進(jìn)入壓縮機(jī)體內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝介質(zhì)的封堵作用，通過(guò)對(duì)氮?dú)獾拿芊?，保證工藝介質(zhì)實(shí)現(xiàn)“零逸出”。

第三，整套干氣密封非接觸式運(yùn)轉(zhuǎn)，其端面摩擦功耗是普通接觸式機(jī)械密封的5%左右，使用壽命達(dá)3年以上。干氣密封控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主密封氣壓力約1.0-1.1MPaG，單套干氣密封端面氮?dú)庀牧考s0.2Nm3/h。

第四，密封端面摩擦副配對(duì)材料為SiC-碳石墨，密封主要?dú)んw材質(zhì)為SS316。干氣密封動(dòng)壓槽加工在SiC上，該材料具有表面硬度高、耐磨性能好、熱傳導(dǎo)系數(shù)大、比重小等優(yōu)點(diǎn)，是目前最好的摩擦副材料之一。碳石墨材料具有強(qiáng)度高、自潤(rùn)滑性好，很好的滿足工況要求。

2.2.4干氣密封控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是干氣密封的重要組成部分，該系統(tǒng)的主要作用：一是為干氣密封提供潔凈的密封氣源（前置隔離氣和主密封氣，過(guò)濾精度為1微米）；二是監(jiān)測(cè)干氣密封的運(yùn)行狀態(tài)，確保干氣密封長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

雙端面干氣密封控制系統(tǒng)流程圖如圖5所示。主要由3部分組成。

（1）過(guò)濾單元

該系統(tǒng)過(guò)濾單元由2臺(tái)過(guò)濾精度為1微米的過(guò)濾器組成，一開(kāi)一備，設(shè)有過(guò)濾器前后差壓高報(bào)警，提示操作人員及時(shí)切換過(guò)濾器。

（2）壓力調(diào)節(jié)單元

該系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)單元由自力式調(diào)節(jié)閥組成，防止管網(wǎng)氮?dú)鈮毫Σ▌?dòng)而造成密封氣源壓力不穩(wěn)。

（3）流量監(jiān)控單元

該系統(tǒng)采用金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)對(duì)干氣密封的密封端面氮?dú)庀牧窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)，密封氣流量正常約0.2Nm3/h，當(dāng)流量計(jì)示數(shù)達(dá)2 Nm3/h時(shí)，高報(bào)警；當(dāng)流量計(jì)示數(shù)達(dá)4Nm3/h時(shí)，高高報(bào)警，密封可能損壞，需及時(shí)停車更換密封。

2.2.5干氣密封參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)東營(yíng)海森密封技術(shù)有限責(zé)任公司自主開(kāi)發(fā)的干氣密封參數(shù)計(jì)算軟件包，該雙端面干氣密封參數(shù)如表1所述。

3.干氣密封技術(shù)優(yōu)勢(shì)

改造后的干氣密封與傳統(tǒng)接觸式機(jī)械密封相對(duì)比，具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

3.1在干氣密封與機(jī)組迷宮密封間的腔體內(nèi)通入壓力比平衡管壓力高20-30KPa的氮?dú)?，?duì)工藝介質(zhì)起到封堵作用，徹底消除了工藝介質(zhì)反竄至潤(rùn)滑油中造成污染。

3.2干氣密封與密封腔間通入約高于前置隔離氣壓力0.2-0.3MPa的氮?dú)?，一方面避免了工藝介質(zhì)直接泄漏至大氣中；另一方面阻止了壓縮機(jī)潤(rùn)滑油竄入工藝介質(zhì)側(cè)，污染工藝介質(zhì)。

3.3干氣密封端面非接觸式運(yùn)轉(zhuǎn)，端面無(wú)摩擦磨損，使用壽命長(zhǎng)，摩擦功耗低，具有節(jié)能環(huán)保功效[4]。

4.改造后壓縮機(jī)運(yùn)行情況

于2012年6月份對(duì)裂化氣螺桿壓縮機(jī)密封進(jìn)行改造，一次性開(kāi)車成功，除計(jì)劃外停車，已經(jīng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)22個(gè)月，各項(xiàng)參數(shù)運(yùn)行正常。在此期間，通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑油的檢測(cè)情況來(lái)看，潤(rùn)滑油各項(xiàng)指標(biāo)均正常，未發(fā)現(xiàn)工藝介質(zhì)反竄至潤(rùn)滑油系統(tǒng)中，同時(shí)也沒(méi)有補(bǔ)充潤(rùn)滑油。進(jìn)而驗(yàn)證螺桿壓縮機(jī)干氣密封改造取得良好的成功應(yīng)用。

5.結(jié)論

對(duì)減粘裝置裂化氣螺桿壓縮機(jī)密封的改造是成功的

5.1從根本上解決了該壓縮機(jī)密封失效問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了該機(jī)組長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

5.2徹底消除了工藝介質(zhì)反竄至潤(rùn)滑油系統(tǒng)，造成潤(rùn)滑油污染等問(wèn)題。

5.3干氣密封與原密封相比，密封端面非接觸式運(yùn)轉(zhuǎn)、無(wú)磨損、摩擦功耗低，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1陳志軍.螺桿壓縮機(jī)兩種密封結(jié)構(gòu)比較[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2006，200（6）：28-30.

[2]顧永泉.機(jī)械密封實(shí)用技術(shù)[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[3]金春媛，林承躍，劉點(diǎn)，田志風(fēng).干氣密封在高溫泵上的應(yīng)用.化工科技，2010，18（5）：45-48.

[4]郝木明.機(jī)械密封技術(shù)及應(yīng)用[M].北京.中國(guó)石化出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：李振濤（1983-），男，山東德州人，博士，從事機(jī)械密封研發(fā)與工程應(yīng)用工作。