苯乙烯裝置活塞式壓縮機填料密封環磨損機理及預防

李威

（中國石化巴陵分公司煉油部，湖南云溪 414014）

某苯乙烯裝置活塞式壓縮機為四列四級M型對稱平衡式壓縮機，氣缸為無油潤滑、水冷式雙作用，布置方式為雙層布置。該壓縮機是裝置氫氣回收工序中的關鍵機組，而填料密封環是活塞式壓縮機的易損件，其運行周期的長短決定壓縮機運行周期的長短。文章主要以主密封填料為例對填料密封環磨損機理進行研究，以延長填料環的使用壽命。

1 壓縮機活塞桿密封情況

苯乙烯裝置活塞式壓縮機活塞桿密封屬于分剖型彈性環密封，氣缸側活塞桿密封（主填料盒，見圖1左圖）、中間接筒處活塞桿密封（中間填料盒，見圖1右圖）及曲軸箱活塞桿密封（刮油器部件）均為硬填料。

2 填料密封環磨損機理

2.1 填料密封環工作原理

硬填料是依靠阻塞和節流作用進行工作的自緊式接觸型動密封。密封面有3個，其內孔圓柱面是主密封面，2個側端面是輔助密封面，均要求具有足夠的加工精度和粗糙度，以保持良好的貼合。

硬填料環一般采用分瓣式結構，在分瓣密封環的外圓周上，用拉伸彈簧箍緊，與柱塞桿表面壓緊貼合，建立密封狀態。硬填料環通常是成組裝填在填料盒內，根據介質壓力的高低，選用若干組填料盒，串聯安裝，構成填料函。為防止有毒、易燃、易爆氣體泄漏，在填料函外部裝有前封漏函。

其主要工作原理見圖2，氣體從軸向間隙和徑向間隙進入填料盒的杯槽內，氣體壓力使填料環分別與活塞桿表面及杯槽端面形成密封。當氣體壓力不存在時，彈簧力作用在填料環上，將環瓣圍繞著活塞桿組合在一起。填料環組在杯槽中可以自由浮動，用來補償活塞桿的徑向跳動。密封環之間用銷/孔結構固定相對位置，切向環的切口間隙被徑向環覆蓋，封閉了泄漏路徑。

圖2 填料密封環工作原理

圖3 單作用填料環組工作原理

填料環通過組合可形成單作用填料組和雙作用填料環組，壓縮機主密封填料盒中既有單作用填料環組，也有雙作用填料環組，其工作原理見圖3，4。其特點及應用范圍見表1。

圖4 雙作用填料環組工作原理

表1 填料環組特點及應用

單作用環組用于密封工藝氣體，阻止氣缸內介質氣體泄漏，未完全封住的介質氣體匯集到圖5中的漏氣回收腔，經漏氣回收口排放到火炬系統，在漏氣回收腔外側設置有氮氣密封腔，氮氣密封腔兩側即為雙作用填料，既阻止介質氣體外漏，也阻止空氣進入。

2.2 填料密封環結構優缺點分析

壓縮機主密封采用的填料密封環均為平面填料，主要結構形式為斜口三瓣環（以下簡稱切向環）和徑向口三瓣環（以下簡稱徑向環）。

圖5 苯乙烯裝置活塞式壓縮機主密封剖面

切向環主要用于壓差在1 MPa以下的低壓壓縮機的活塞桿密封。其優點是結構簡單，易于制造，成本較低。缺點是對活塞桿的貼合比壓不均勻，靠近銳角一端的貼合比壓大。在工作過程中，磨損也不均勻（見圖6）。磨損主要產生在靠近銳角一端。磨損后的內孔面不呈圓形，從而使補償貼合性差，增大泄漏量。相反，徑向環對活塞桿的貼合比壓均勻，磨損也均勻。徑向切口使補償動作容易實現，不易被卡住。

切向環和徑向環是平面填料的主要結構形式，在使用過程中，其外圓面完全暴露在介質壓力作用之下，介質壓力對填料環有很強的自緊作用，沒有平衡卸荷能力，在高壓條件下，由于平面填料對活塞桿的貼合比壓過大，故不能應用。

圖6 填料環磨損情況

2.3 填料密封環磨損的影響因素

填料密封環的磨損程度主要體現在泄漏量的變化上，因此通過填料密封環的關鍵參數計算公式可以分析影響填料密封環磨損的因素[1]。

1）泄漏量的計算

硬填料的氣體泄漏量（v）可用下列經驗式估算：

式中：δ為填料與活塞桿之間的徑向間隙，m；d為活塞桿直徑，m；Δp為介質壓力，Pa；μ為介質動力黏度，Pa·s；t為填料密封面軸向長度，m。

2）徑向及軸向貼合線比壓的計算

硬填料環內圓密封面對活塞桿表面的徑向貼合線比壓（qcr）用下式確定：

式中：qpr為介質壓差產生的徑向貼合線比壓，N/m；qgr為切口間隙處的附加徑向貼合線比壓，N/m；qsr為箍緊拉伸彈簧產生的徑向貼合線比壓，N/m；b為硬填料環主密封面的軸向寬度，對卸荷平面填料，b小于環的軸向寬度，m；Kp為載荷系數；z為切口數目；s為切口間隙寬度，m；a為切口間隙的軸向長度，m；Fsr為箍緊彈簧的工作拉力，N。

硬填料環側端面對填料盒側端面的軸向貼合線比壓（qco）用下式確定：

式中：qpo為介質壓差產生的軸向貼合線比壓，N/m；qgo為切口處的附加軸向貼合線比壓，N/m；qso為軸向壓縮彈簧產生的軸向貼合線比壓，N/m；cr為填料函隔板與軸之間的半徑間隙，m；t為硬填料環的徑向寬度，m；Fso為軸向壓縮彈簧工作時的彈簧力，N。

為了確保硬填料環在工作過程中能夠產生足夠的徑向和軸向移動能力，以補償磨損及活塞桿的跳動偏差，保證追隨性，需要對硬填料環的徑向和軸向貼合線比壓進行校核。

徑向貼合線比壓滿足下式：

要求軸向貼合線比壓滿足下式：

式中：μ0為硬填料環與填料函之間的摩擦系數；qm為硬填料環單位長度的慣性力，N/m；μr為硬填料環對活塞桿的摩擦系數。

綜合分析公式（1）～（5），影響填料環磨損的因素主要是徑向貼合線比壓和軸向貼合線比壓。

3 延緩填料磨損解決方案

對于已設計定型的填料環，貼合線比壓與介質壓力Δp、填料環與活塞桿的摩擦系數μr、填料環與填料函之間的摩擦系數μ0相關。若要延緩填料磨損，需要從介質壓力Δp、摩擦系數兩方面采取措施。

壓縮機主密封填料環按功能劃分主要有三種：減壓環、主密封環、漏氣/氮氣環，根據多次檢修經驗，最易磨損的是主密封環、漏氣/氮氣環。

主密封環磨損的原因主要與結垢導致摩擦系數增大以及介質壓力高有關。拆卸下來的填料環均有大量粉塵，且磨損最嚴重的為氣缸壓力最高的第四級（見表2）。漏氣/氮氣環磨損主要原因與介質壓力有關，尤其是密封氮氣壓力過高易導致漏氣/氮氣環過早磨損。

表2 原主密封填料環徑向尺寸

因此延緩填料磨損應從以下2個方面采取措施：

1）在工藝允許的條件下，適當降低壓縮機排氣壓力，目前機組排氣壓力基本控制在1.8 MPa左右，較設計值2.3 MPa降低了0.5 MPa，對于延緩主密封環的磨損有一定效果。

2）在新填料運行前期（1～6個月），控制主密封氮氣壓力在0.08 MPa左右，較原設計值0.15 MPa降低0.07 MPa（經廠家核算許可），以延緩漏氣/氮氣環的磨損。在填料運行后期，由于主密封環磨損增加，介質氣泄漏量增加，為防止介質氣外漏，可將主密封氮氣壓力提高至0.15 MPa，以阻止介質氣外漏。

4 方案實施后效果

調整后，活塞式壓縮機累計運行559 d，未更換填料密封環。2015年12月壓縮機大修更換新填料密封環后，壓縮機排氣壓力按1.8 MPa進行控制，填料密封氮氣壓力按主密封氮氣壓力0.08 MPa，中間填料密封氮氣壓力0.05 MPa進行控制，氮氣消耗量較檢修之前減少約200 m3/h，2016年6月，將密封氮氣壓力升至0.15 MPa，中間填料密封氮氣恢復至0.1 MPa，2017年4月停機大修。填料累計正常運行456 d，運行期間曲軸箱氣體采樣分析，未檢出氫氣。

5 結論

填料環的磨損主要與介質壓力Δp、填料環與活塞桿的摩擦系數μr、填料環與填料函之間的摩擦系數μ0相關。根據實際填料環磨損狀況，從全壽命周期的角度出發需對壓縮機排氣壓力和填料密封氮氣壓力進行優化調整，優化調控后取得了良好效果，填料的使用壽命明顯延長，提高了活塞式壓縮機運行的穩定性，大大降低了維修費用，可在同類裝置推廣。