丁二烯螺桿壓縮機軸端密封的改造

蔣雄偉

( 中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，200540)

B-GB1101 螺桿式壓縮機是中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部53 kt/a 丁二烯裝置新區的丁二烯氣體壓縮機，由英國豪頓公司生產，為單缸、雙段、無油干式、垂直剖分雙螺桿壓縮機，型號為HPS408/HS255，機組軸端密封由英國約翰克蘭公司配套，于2002 年4 月投入使用。該壓縮機用于丁二烯提純工藝，從氣提到萃取、精餾的流程中提升丁二烯氣體的壓力。機組自投用以來，軸端密封始終存在嚴重泄漏，導致裝置運行周期短，機組潤滑油消耗量大，嚴重影響丁二烯新區裝置的正常生產運行，更不能滿足今后裝置長周期安全運行的需要，同時還存在軸端密封進口價格昂貴，供貨周期長的問題。

在對國內同類機組及多家機械密封供應商充分調研的基礎上，決定對B -GB1101 壓縮機軸端密封進行國產化改造，采用先進的流體動壓碳石墨浮環密封和油膜潤滑非接觸式機械密封的組合結構。改造后于2011 年投入使用，滿足當初改造時提出的技術要求，消除了原軸端密封潤滑油泄漏的隱患，也為裝置的安穩運行提供了保障。

1 B-GB1101 螺桿式壓縮機機組簡介

B -GB1101 螺桿壓縮機的輸送介質為丁二烯及少量二甲基甲酰胺(DMF)，電機驅動功率為860 kW，設計能力為7 000 m3/h，額定轉速為4 700 r/min，壓縮機原來配套的軸端密封由約翰克蘭公司生產的接觸式機械密封和浮環式碳環密封(如圖1 所示)組合而成，一段、二段共有不同規格的浮環式碳環密封24 只，機械密封8 套，密封油采用46#防銹透平油。

圖1 壓縮機原軸端密封結構

2 進口軸端密封存在的問題及泄漏原因分析

通過幾次機組大修，對已損壞的碳環及機械密封進行仔細分析，發現如下問題:

(1)機械密封動環密封面磨損、結焦嚴重。動環材料為硬質合金，密封端面開設有流體槽，拆檢后發現動環密封區域流體槽全部磨損，內徑側布滿顆粒狀結焦物。

密封面流體槽的主要設計思路是將潤滑油通過溝槽引入密封端面起潤滑作用，但由于密封彈簧比壓過大造成密封端面產生大量摩擦熱，介質在高溫下自聚形成結焦物，造成密封端面無法實現非接觸式運轉，因此認為密封面的磨損主要因接觸摩擦造成。

(2)浮環式碳環密封磨損嚴重，與軸頸配合尺寸超差。碳環密封主要依靠控制碳環和軸頸之間形成的微小間隙(間隙要求控制在0.08 ～0.10 mm)來實現節流降壓作用。密封拆檢后發現與碳環接觸處的轉子溝狀磨損嚴重(如圖2 所示)，最大處磨損量達0.06 mm，且碳環磨損嚴重，內徑超差最大值為0.20 mm。碳環內徑處、碳環與隔環之間聚集了大量結焦物，碳環失去了自由浮動性。

圖2 轉子磨損情況

(3)機械密封靜環端面破損。拆檢發現密封靜環端面磨損(如圖3 所示)，局部出現貫穿性破裂，破裂缺口是泄漏的主要通道。通過對拆卸的密封重新核算彈簧比壓及彈簧力，發現該機組8套密封均出現彈簧比壓過大，造成密封端面過熱，密封端面發生變形，加劇了端面磨損;另外，因介質中含有高滲透性溶劑DMF，溶劑浸入由樹脂填充的石墨環，破壞了材料固有結構，造成端面皰疤、脫落。

圖3 靜環拆卸后情況

由此可見，造成機組原配機械密封泄漏的主要原因為機械密封設計缺陷，原設計碳環及接觸式機械密封無法滿足機組運行工況要求，與工藝操作及安裝檢修無關。為實現機組密封組件長周期無泄漏運行，必須從根本上對現有密封組件的結構進行改進，從而確保機組長周期、安全、可靠運行。

3 軸端密封改造措施及對策

通過對原進口軸端密封存在的主要問題進行分析，參考國內幾家密封廠家的改造經驗，并結合現場實際情況，提出采用先進的軸端密封(油膜潤滑非接觸式機械密封和流體動壓碳石墨浮環密封組合結構)進行技術改造。

3.1 油膜潤滑非接觸式機械密封

油膜密封是液膜潤滑非接觸式密封的一種，它借助密封端面開設的流體動壓槽，在密封環高速旋轉條件下，依靠黏性剪切作用把液體泵入密封端面，使液體壓力在有限的空間內升高，密封端面間隙得到動態穩定并形成具有一定剛度要求的液膜，從而使運行過程中兩密封端面分開，處于非接觸狀態［1-2］。由此可見，油膜密封可實現密封端面的非接觸式運轉，避免了介質因接觸式密封端面產生的熱量而造成自聚。正常運行時，密封端面沒有摩擦、磨損，密封使用壽命會大大延長。

在確保不改變機組密封腔體結構的前提下，對影響密封運行的參數進行優化，運用專用數值計算軟件計算，在密封動環端面開設流體動壓槽(如圖4 所示)。

圖4 密封端面流體動壓槽示意

流體動壓槽由靠近外徑側的下游泵送短槽和靠近內徑側的上游泵送長槽組成，下游泵送短槽將封油吸入密封端面，并增壓使密封端面分開，保證非接觸式運轉;上游泵送長槽將吸入的封油泵送回去，保證封油不會泄漏。兩組槽的組合使用，保證流體膜在密封端面形成微循環，增加流體膜剛度和抗干擾能力，特別是能夠保證機組在振動較大、介質較臟的工況下機械密封能夠正常運行。

3.2 流體動壓碳石墨浮環密封改造

碳環密封性能直接決定機械密封的使用效果，該壓縮機轉子原設計每端各安裝3 個碳環密封，這次改造利用流體動壓碳石墨浮環技術，運用專用數值計算軟件，在碳環內徑側開設一定數量及深度的流體槽，通過轉子旋轉時流體槽的反向推擋力，阻止介質氣的泄漏，進而保護機械密封。新型碳環密封主要特點如下:

(1)具有反向輸送功能。轉子旋轉時，由于流體動壓碳石墨浮環上刻有流體槽(如圖5 所示)，利用流體槽的反向泵送效應，可大大阻止氣體通過浮環的泄漏量，有效降低機封處介質壓力。

(2)流體槽的動壓效應提高了浮環的對中性，降低浮環與軸的摩擦與磨損，既延長了浮環使用壽命，同時也減少了對轉子的損壞。

圖5 流體動壓碳石墨浮環

3.3 密封材料運用

這次改造首先在一段壓縮機上進行，密封外形尺寸保證與原密封一致，潤滑油壓力保持與原來一致。考慮到壓縮機旋轉線速度超過25 m/s，屬于高速密封，且介質中含有DMF 溶劑，因此特別注意了密封材質的選擇。機械密封靜環材料采用進口浸銻石墨，機械密封動環采用進口碳化硅，其摩擦因子及耐磨性優于硬質合金;O 形圈采用美國杜邦公司全氟化密封圈，其具有優異的抗化學性能及耐高溫性能能夠延長密封的使用壽命;彈簧則采用進口哈氏合金。

4 結論

改造后的新型軸端密封于2011 年10 月安裝并一次性開車成功，運行至今所有運行參數均滿足當初改造所提的技術要求，消除了原軸端密封潤滑油泄漏的隱患。由此可見，這次改造采用的新型軸端密封徹底解決了原進口軸端密封泄漏嚴重、使用壽命短的問題，從而確保了丁二烯新區裝置今后的安穩長周期運行。同時通過壓縮機軸端密封成功改造經驗，為下次機組二段改造提供了技術支撐，同時也為國內同類壓縮機軸端密封選擇提供參考。

［1］ 顧永泉. 機械密封實用技術［M］. 北京:機械工業出版社，2007:6.

［2］ 郝木明，胡丹梅. 新型上游泵送機械密封的性能研究［J］.化工機械，2001(1):12 -15.