螺桿壓縮機雙端面機械密封故障分析及改造

佘志剛，劉建芳，唐 軍

（克拉瑪依石化公司檢維修中心，新疆克拉瑪依 834003）

0 引言

某石化公司連續重整裝置尾氣螺桿壓縮機自投運以來前后端雙端面機械密封一直運行較差，頻繁泄漏。密封出現的失效問題，影響了螺桿壓縮機的正常運行，進而嚴重影響了裝置的日常生產，不但加大了裝置運行管理難度，增加了運行維護成本，同時因為設備較大、在拆卸、回裝前后端4 套機械密封，還需要拆卸、回裝4 套徑向軸承（NU2324）、4 套徑向止推軸承（7324），大大增加了檢修維護人員的勞動強度。機組所處理的工藝介質含有有毒有害成分，造成了較大的環境污染，并給操作維護人員帶來了健康危害。

為了實現裝置高的運行效率，降低維護成本，減少勞動強度、減少環境污染和健康危害，就必須對現有螺桿壓縮機機組雙端面機械密封的失效原因進行分析研究并進行技術改造工作。本文對泄漏原因進行分析，對機組雙端面密封進行改造。

1 密封運行工況

連續重整裝置的噴液冷卻氫氣變壓增壓尾氣螺桿壓縮機是中國船舶重工集團公司第七一一研究所研發、設計和生產的。機組的工藝作用是將PSA 單元的沖洗氣經過該壓縮機增壓后送到瓦斯系統管網使用。工藝介質主要為氫氣、輕烴。

主要性能指標：容積流量77 m3/min，吸氣壓力0.02 MPa（G），吸氣壓力0.5 MPa（G），電機功率560 kW，吸氣溫度≤40 ℃，排氣溫度≤85 ℃，陽轉子轉速：2980 r/min。壓縮機機組前后兩端軸封采用梳齒密封與機械密封相結合的設計，機械密封使用雙端面機械密封形式，由四川日機密封有限公司制造，型號為CM071C-175-C160；機械密封使用的密封油：46#透平油；供油壓力（0.2～0.4）MPa（G）。

2 密封失效分析

根據現場拆檢雙端面機械密封的情況[1]，發現機組前后端4套雙端面機械密封的介質側機封密封環面表面發黃，且靜環面出現有大量塊狀的的疤痕，稱為“泡疤”現象（圖1）。分析判斷這就是機械密封失效的直接原因。機械密封靜環密封面“泡疤”現象的產生是由于石墨浸金屬時的制造質量尤其是表面耐高溫的缺陷，且在不良的工況下（造成密封面局部急劇溫升），這種現象發生的頻率大大增加。針對這種情況，除了對靜環的加工制造過程進行改進外，還需要對密封油（隔離液）以及密封端面比壓進行分析判斷，并做出相應的優化升級改造。

圖1 “泡疤”現象

2.1 密封靜環材料及加工工藝的問題

密封環的材料對密封使用效果的影響是很大的。根據現場失效密封的拆檢來看，分析認為密封面的材料及加工工藝會是“泡疤”現象產生的重要因素。

四川日機制造的雙端面機械密封動環組件材料：1Cr13-YG6（鉻鋼鑲環硬質合金）；靜環組件材料：1Cr13-MMCG（鉻鋼鑲環石墨）。1Cr13 屬于馬氏體不銹鋼，淬透性好，具有較高的硬度，較好的韌性、耐腐性、熱強性及冷變形性能。YG6 是一種鎢鈷類硬質合金材料，使用強度及沖擊韌度較好，耐磨性較好，化學成分：WC94%，Co6%。

拆檢失效密封，動環合金面沒有任何損傷，介質側靜環表面出現“泡疤”現象。針對這種失效情況，對靜環材料及其加工工藝進行分析。

石墨材料因其特殊的原子結構使其具有耐高溫、導熱性、自潤滑性、可塑性以及化學穩定性等優良性能，兼有金屬、非金屬以及有機塑料的特性，被稱為半金屬，在很多領域獲得廣泛應用。石墨制品屬于多孔材料，由于顆粒間有一定的孔隙 以及焙燒后瀝青以揮發物質逸出，有大量氣孔存在，必然會對制品性能產生影響，制品體積密度下降、機械強度減小，同時使氣體和液體滲透，不能滿足正常工作要求。因此，必須通過浸漬處理，降低多孔石墨材料的滲透率[2]。用銻作浸漬劑得到的浸銻石墨材料適應于水、鹽酸、濃堿等介質，其耐沖擊，在高速、高壓、重載下磨損小，抗氧化性能好；同時，浸銻石墨（圖2）材料密度小，膨脹系數低，耐磨性好，是目前國內外應用最為廣泛的密封摩擦副材料。石墨靜環的加工工藝：粉料制備→等靜壓壓制→燒結→浸漬煤瀝青→二次燒結→高溫處理→浸漬。圖2 中灰黑色為石墨基體，白亮色為氣孔中浸漬入的銻。

圖2 浸銻石墨顯微鏡視圖

根據現場多次拆卸失效密封的情況看，密封石墨靜環面的機械性能與耐磨性能是好的。“泡疤”的產生主要就是密封面表面局部溫度急劇升高造成的，分析認為是由于在用銻作浸漬劑時，工藝處理不當，造成密封面表面耐高溫性能下降造成的。

2.2 密封油壓的問題

機組設計的密封油壓為（0.25～0.3）MPa（G），現場實際機組運行中，密封油壓是為0.38 MPa。過大的密封油壓力使得靜環面的摩擦力增加，溫度上升，從而誘發了“泡疤”現象的發生。

2.3 密封端面比壓的問題

雙端面機械密封計算端面比壓時，需要分別計算[3]。

（1）大氣側的端面比壓Pb的計算。密封面所受合力如圖3所示，F=Ft+Fp-Fm，其中，Ft為彈簧力，Fp為介質壓力，Fm為液膜壓力。

介質壓力引起的閉合力：

液膜壓力產生的開啟力：

可得端面比壓：

由于Pm=λP1，故Pb=Pt+P1（K-λ），雙端面機械密封大氣側端面比壓Pb=Pt-P2（K-λ）。

（2）介質側的端面比壓Pb的計算。Pb=Pt+（P2-P1）（K-λ），其中，P2為密封油壓力。

3 處理措施

3.1 方案選擇

圖3 密封面受力分析

“泡疤”的產生主要就是密封靜環面表面局部溫度急劇升高造成，分析認為是由于在用銻作浸漬劑時，工藝加工處理不適當，造成密封面表面耐高溫性能下降。針對這一情況，需要對機械密封靜環的石墨以及其浸銻技術進行檢測，并加以改進。

密封油壓以及端面比壓進行計算分析后發現，機組實際運行中的密封油壓高于設計壓力，機械密封端面比壓也高于理論比壓。這兩個因素都會加大密封面溫度的升高。由雙端面機封端面比壓的計算公式得知，現場采用降低密封油壓，端面比壓也會相應減小，使得密封油壓與端面比壓都降低到設計標準范圍，從而優化升級了機械密封的運行工況，解決密封面溫升高的問題。

3.2 技術改造措施

通過對雙端面機械密封系統的密封面材料及其加工工藝、密封油、端面比壓等相關密封特性的綜合分析研究。清楚的認識到“泡疤”產生的原因并找出解決的措施，為設備的長周期運行做了很好的保障。

（1）密封面石墨浸銻技術改進。要求廠家追蹤石墨材料并著重對浸銻工藝進行把關，失效密封回廠檢查后，檢測發現靜環密封面的石墨浸銻工藝有缺陷，之后廠家采用進口石墨，完善浸銻技術后，改造后的密封使用效果較為理想。

（2）密封油、端面比壓的合理選用。經核算（考慮介質壓差后），實際工作時介質側端面比壓0.32 MPa，大氣側端面比壓0.39 MPa。由于機組介質的特性，選擇的端面比壓要求小于0.39 MPa。在實際機組的運行中密封端面比壓超出了標準，所以需要減小端面比壓。查看端面比壓計算公式，由于已經把有原有密封油的壓力從0.38 MPa 降為0.30 MPa，相應的端面比壓也會減小為0.24 MPa（介質側）和0.31 MPa（大氣側）。

4 結語

在石油煉化、天然氣加工等行業雙端面機械密封的應用已非常廣泛。本文通過分析螺桿壓縮機雙端面機械密封失效的原因，得出其直接原因是密封靜環面發生“皰疤”造成的，造成“皰疤”的具體原因是密封面材料的加工工藝有缺陷、密封油壓力選擇不合適、機封端面比壓選擇不合理。針對原因采取了一系列措施，有效地避免了密封短期失效的現象。在以往的操作過程中，雙端面密封的螺桿壓縮機運行一個月左右密封就會失效，對密封進行密封改造后，現已累計運行15 個月，密封運行情況很好，沒有發生泄漏故障，大大節約了備件和資金，全年為公司節約了大約200 萬元的維護資金，為裝置安全、平穩、長周期運行提供了保障。