富氣壓縮機(jī)密封失效原因分析及改進(jìn)

劉啟鵬

（陜西省延川縣永坪煉油廠 陜西延川）

2MCL456-37型富氣壓縮機(jī)組原配軸端密封裝置是浮環(huán)密封，運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生密封跑油、串油現(xiàn)象。潤(rùn)滑油、密封油受到污染，不但給企業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也是機(jī)組安全運(yùn)行的隱患。

一、浮環(huán)密封

1.結(jié)構(gòu)和原理（圖 1）

密封油從內(nèi)外環(huán)之間注入，注入的密封油壓力比氣體介質(zhì)高0.04～0.06 MPa。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)在偏心圓柱間將形成油膜，流體壓力將浮環(huán)托起，形成液體節(jié)流式非接觸密封。密封油通過(guò)浮環(huán)與軸之間很小的間隙，沿軸向左右流動(dòng)，分別限制內(nèi)泄漏和外泄漏。內(nèi)浮環(huán)壓差、間隙都比外浮環(huán)小，故內(nèi)泄漏少于外泄漏 2000～3000 mL/h。流經(jīng)氣體介質(zhì)側(cè)形成油氣混合物，將其引入油氣分離器分離，再經(jīng)脫氣槽脫出腐蝕性氣體，剩下的密封油流回油箱。流經(jīng)大氣側(cè)的密封油不與工藝介質(zhì)接觸，可以通過(guò)回油管直接返回油箱，浮環(huán)密封產(chǎn)生的熱量也主要靠這部分回油帶走。浮環(huán)密封的內(nèi)外環(huán)之間裝有彈簧，它使浮環(huán)端面與浮環(huán)座壓蓋端面接觸緊密，防止機(jī)組在啟動(dòng)或停車過(guò)程中，密封油從浮環(huán)端面泄漏。

2.失效原因分析

圖1 浮環(huán)密封示意圖

（1）密封油竄入軸承箱污染潤(rùn)滑油。催化裝置富氣壓縮機(jī)浮環(huán)密封，在二段入口氣封到一段入口處之間增設(shè)了一平衡管，在二段入口處設(shè)置一兼做二段入口和平衡管氣封的特殊結(jié)構(gòu)的氣封，使壓縮機(jī)兩端介質(zhì)壓力基本相同，密封氣從兩端梳齒氣封上部注入，經(jīng)過(guò)梳齒后的密封氣壓力稱為參考?xì)鈮毫ΑＦ胶夤軌毫ψ鳛槊芊鈿鈮毫Φ目刂埔罁?jù)，參考?xì)鈮毫ψ鳛槊芊庥蛪毫Φ目刂埔罁?jù)。密封油與密封氣的壓差控制是通過(guò)控制高位油罐液位間接地控制高位油罐的微壓差，油氣壓差控制值為（0.05±0.002）MPa，密封油壓力控制值為0.2～0.25 MPa，密封油壓力比密封氣壓力高0.05 MPa。油氣壓差太小，密封氣則會(huì)沖破油膜進(jìn)入浮環(huán)座和軸承箱，造成密封油和潤(rùn)滑油污染，另外，浮環(huán)密封油膜被破壞后，還會(huì)造成浮環(huán)與軸摩擦，巴氏合金融化，發(fā)生抱軸事故。油氣壓差太大，則內(nèi)、外回油量劇增。內(nèi)回油劇增，則會(huì)有部分密封油竄入機(jī)內(nèi)，這部分密封油流回油箱又污染了整個(gè)封油系統(tǒng)。外回油劇增，則回油腔充滿，密封油就會(huì)竄入潤(rùn)滑油中污染潤(rùn)滑油。

（2）密封氣質(zhì)量。壓縮機(jī)密封氣來(lái)自吸收穩(wěn)定的干氣，干氣中的硫化氫等酸性氣體會(huì)腐蝕浮環(huán)密封零部件，腐蝕脫落的金屬顆粒隨密封油進(jìn)入浮環(huán)與軸的間隙，劃傷浮環(huán)和軸。長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕還會(huì)使浮環(huán)失去浮動(dòng)性，與軸摩擦而停機(jī)。

（3）浮環(huán)與軸偏磨，間隙變大。原因包括浮環(huán)端面、浮環(huán)座端面、壓蓋端面接觸面達(dá)不到100%，嚴(yán)密性降低；內(nèi)外浮環(huán)之間的彈簧彈力不一致，高度不同；組裝過(guò)程中清潔不好，各密封表面、軸表面有浮塵、銹斑；各密封面被撞擊或劃傷；內(nèi)浮環(huán)與軸的間隙超出0.06～0.09 mm范圍，外浮環(huán)與軸的間隙超出0.23～0.26 mm范圍，浮環(huán)座與軸的垂直度，浮環(huán)座內(nèi)圓與軸的同心度超差等。

二、密封改進(jìn)

由于浮環(huán)密封內(nèi)泄漏較大，回收處理內(nèi)泄漏油的設(shè)備復(fù)雜，包括油氣分離器、脫氣槽等控制系統(tǒng)。浮環(huán)密封的油氣壓差很小，控制系統(tǒng)復(fù)雜。在離心壓縮機(jī)故障原因中，油封和潤(rùn)滑油系統(tǒng)的故障占55%～65%。密封油系統(tǒng)能耗與維護(hù)費(fèi)用高，操作不便。

1.雙端面干氣密封

圖2 干氣密封示意圖

圖3 動(dòng)環(huán)單向雙列螺旋槽

（1）結(jié)構(gòu)和原理。TM02A型干式氣體密封為螺旋槽端面密封結(jié)構(gòu)，由靜環(huán)、動(dòng)環(huán)組件（旋轉(zhuǎn)環(huán)）、副密封O形圈、精密封、彈簧和彈簧座（腔體）等組成,見(jiàn)圖2。彈簧在密封無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下使靜環(huán)與固定在軸上的動(dòng)環(huán)組件配合。密封改進(jìn)時(shí)，動(dòng)環(huán)采用單向雙列螺旋槽,見(jiàn)圖3。隨著動(dòng)環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，密封氣被送到螺旋槽的根部，根部以外的一段無(wú)槽區(qū)稱為密封壩。密封壩對(duì)氣體流動(dòng)產(chǎn)生阻力作用，增加氣體膜壓力。該密封壩的內(nèi)側(cè)還有一系列的反向螺旋槽，起著反向泵送改善配合表面壓力分布的作用，從而加大開(kāi)啟靜環(huán)與動(dòng)環(huán)組件的能力。反向螺旋槽的內(nèi)側(cè)還有一段密封壩，對(duì)氣體流動(dòng)產(chǎn)生阻力作用，增加氣體膜壓力。配合表面間的壓力，使靜環(huán)表面與動(dòng)環(huán)組件保持3 μm左右的間隙。當(dāng)由氣體靜壓力和彈簧力產(chǎn)生的合力等于氣體膜壓力時(shí)，便建立了穩(wěn)定的平衡間隙。密封氣壓力始終比富氣壓力高0.2～0.3 MPa，這樣密封氣泄漏的方向總是朝著富氣和大氣，從而保證富氣不會(huì)向大氣泄漏。干氣密封要取得優(yōu)良的性能，在保持間隙穩(wěn)定的同時(shí)，又希望間隙很小且密封面不會(huì)發(fā)生接觸，即使是因各種原因發(fā)生軸向位移時(shí)，也要能夠保持理想間隙。干氣密封是通過(guò)開(kāi)啟力和閉合力之間的動(dòng)力平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能的。

（2）控制系統(tǒng)。過(guò)濾后的密封氣（氮?dú)猓徊糠纸?jīng)節(jié)流孔板進(jìn)入緩沖氣腔，這部分緩沖氣經(jīng)迷宮后全部進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)，阻止了機(jī)內(nèi)富氣向外擴(kuò)散，避免污染密封端面，影響密封正常運(yùn)行；另一部分經(jīng)流量計(jì)后進(jìn)入主密封腔，全部經(jīng)端面形成氣膜，對(duì)端面起潤(rùn)滑和冷卻作用，向內(nèi)側(cè)泄漏的主密封氣和緩沖氣混合進(jìn)入機(jī)內(nèi)，向外側(cè)泄漏的主密封氣和隔離氣混合放空；第三部分經(jīng)孔板限流后進(jìn)入隔離氣腔，其中一部分隔離氣經(jīng)軸承箱放空，用來(lái)阻止?jié)櫥瓦M(jìn)入干氣密封，另一部分與向外側(cè)泄漏的主密封氣混合放空。雙端面干氣密封正常運(yùn)行的主要條件是確保主密封腔與緩沖氣腔壓差＞0.2 MPa，當(dāng)壓差＜0.03 MPa時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)備停車。

（3）性能特點(diǎn)。非接觸端面，壽命長(zhǎng)，氣膜厚度和剛度更大，可靠性更高；極限速度高，最大達(dá)150～180 m/s，適應(yīng)各種工況；干氣密封消耗的功率僅為浮環(huán)密封的5%,節(jié)能降耗；密封系統(tǒng)總投資比浮環(huán)密封低，重量輕，占地面積小；消除了密封油污染潤(rùn)滑油的可能性；控制系統(tǒng)比浮環(huán)密封簡(jiǎn)單，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低。

2.雙端面干氣密封使用中的注意事項(xiàng)

（1）雙端面干氣密封零部件表面加工精度高，因此要求密封氣必須清潔，允許雜質(zhì)最大顆粒尺寸為5 μm，同時(shí)要防止密封面帶油或其他液體，單向雙列的雙端面干氣密封要嚴(yán)禁倒轉(zhuǎn)，否則干氣密封將失效甚至損壞。

（2）機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)，盡量加大與低速暖機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的啟動(dòng)速率，使雙端面干氣密封在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)能夠迅速脫開(kāi)，減少啟動(dòng)時(shí)的磨損，這將提高干氣密封的使用壽命。

（3）密封氣流量的穩(wěn)定是雙端面干氣密封運(yùn)行良好的標(biāo)志，如出現(xiàn)密封氣流量漸漸增大，說(shuō)明干氣密封的零部件出現(xiàn)了問(wèn)題，應(yīng)盡快解決。

（4）密封盒需定期檢修，定期更換O形圈。

三、改進(jìn)效果

改進(jìn)后的2MCL456-37型富氣壓縮機(jī)密封，因浮環(huán)密封及其封油系統(tǒng)失效所造成的損失減少，取消了密封油站和控制系統(tǒng)，消除了由此而引起的故障，機(jī)組運(yùn)行可靠性提高。