聚丙烯裝置排放氣壓縮機曲軸密封改進

龍丹 薛守文 盧笙 曾祥特 王延一 馬雯 張姝婉

摘? ? ? 要：描述了聚丙烯裝置排放氣壓縮機曲軸密封壽命短、頻繁泄漏問題，通過充分了解現場使用工況，結合往復式壓縮機的結構特點，找出了排放氣壓縮機曲軸機械密封頻繁失效的原因。該旋轉軸跳動超過? ? 0.13 mm，并且材質較軟，雙端面機械密封依靠“O”型環傳動，易對旋轉軸造成損傷。經過分析，對原曲軸密封結構進行升級改造，增加軸套固定取代“O”型環傳動，并噴涂碳化鎢，減少“O”型環與軸套的摩擦力，有效地抵消了軸向跳動力，解決了曲軸密封泄漏問題，延長了密封的使用壽命，實現了排放氣壓縮機的長周期運行。

關? 鍵? 詞：密封泄漏;結焦;微動腐蝕

中圖分類號：TQ050.3? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）09-2067-04

Abstract： Some problems of the crankshaft seal for the exhaust gas compressor in polypropylene plant were described， such as short service life， frequent leakage and so on. Combined with the structural characteristics of reciprocating compressor， through investigating the field operation conditions， the root causes of frequent failure of the crankshaft mechanical seal for the exhaust gas compressor were found out， including soft materials of rotating shaft，more than 0.13 mm shaft runout and the damage of rotating shaft. After analysis， the structure of the original crankshaft seal was also updated to solve the leakage problem and extend the service life of the seal， such as adding fixed shaft sleeve to replace O ring drive and using sand blast with tungsten carbide in order to decrease the friction between O ring and sleeve to offset the axial movement effectively. Now the long-period operation of the exhaust gas compressor has been approached.

Key words： Seal leakage; Coking; Fretting corrosion

往復式壓縮機主要應用于化工等領域，是石油化工裝置中的關鍵設備，壓縮機故障往往導致部分區域或整個裝置的停車，嚴重影響裝置的物耗等問題，因此提高壓縮機各個組成零件的使用壽命極為必要。在迷宮式往復壓縮機中，氣閥、填料環等易損件得到了很多的關注，除此之外，曲軸機械密封同樣為易損部件（見圖1），曲軸密封的使用情況影響著整個壓縮機組運行的穩定性，并且可能帶來極大的安全隱患。 聚丙烯裝置排放氣壓縮機采用的是進口瑞士布克哈德4D375B型迷宮式壓縮機。

1? 迷宮式壓縮機結構及其特點

聚丙烯裝置排放氣壓縮機采用的瑞士布克哈德4D375B型迷宮式壓縮機，該壓縮機為立式三段四缸結構，設計緊湊，設計轉速為375 r·min-1，機械密封處軸徑為278 mm，潤滑油壓力為? 0.48 MPa，正常工作時溫度為50 ℃。相比于其他采用機械密封的設備，往復式壓縮機具有轉速低、軸徑大、運轉時振動大的特點。本壓縮機機械密封結構如圖2所示。

該機械密封為面對面結構雙端面非集裝式密封，兩個動環憑借O形圈與軸和推環之間的摩擦力抱緊軸，隨軸轉動;兩個端面之間的彈簧為兩個動環提供軸向的補償;兩個靜環通過兩個防轉銷與靜環安裝座之間保持相對靜止。考慮到設備振動這一特點，動環采用的是銅合金材質，靜環采用的是碳化鎢材質。這兩種材質的特點都是在振動較大的工況下強度更高，更不容易出現崩邊、碎裂的現象。

2? 壓縮機密封泄漏分析

2.1? 密封失效現象描述

該壓縮機于2012年9月投入使用，2016年1月開始出現密封泄漏問題，密封使用壽命不到3年半時間。更換新密封，使用1個月后開始出現滴漏，約為每分鐘30滴;滴漏一段時間后開始線漏，泄漏逐漸嚴重，已經失去密封功能。

2.2? 密封拆解現象及問題分析

機械密封發生泄漏主要通過3個渠道：①密封動、靜環接觸面發生了泄漏（見圖4）;②二次密封泄漏，動環、靜環、端蓋等O型環泄漏（見圖2-圖4）;③輔助結構泄漏（見圖5）。

按照如上所述，分析密封的失效原因首先要確定密封失效的主要泄漏點。查找密封泄漏點最佳方法是拆解失效密封，根據失效密封各個主要零件表現出的現象來判斷失效原因。

根據壓縮機密封拆解的情況，發現內密封靜環內徑處有輕微結焦（見圖5），內密封動環環面完好，磨損痕跡正常（見圖6），內密封靜環環面完好，磨損痕跡正常（見圖7），外密封靜環內徑處輕微結焦（見圖8），軸密封處明顯磨痕（見圖9）。

通過分析曲軸密封各個零件的現象，可以排除主密封面發生泄漏，那么泄漏點集中在二次密封和輔助結構密封。通過觀察曲軸上的兩道明顯的磨痕，該磨痕正好位于機械密封動環O形圈（圖2中零件2）位置，這是機械密封中比較常見的一種失效形? 式——微動腐蝕。微動腐蝕是指兩個相互接觸的表面因為頻繁的相對運動使得金屬表面的光滑保護膜被磨損。

引起微動腐蝕的主要原因有以下幾種：

1）軸跳或者軸的端跳過大。對于常規設計的機械密封而言，超過0.13 mm即被認為端跳過大。

2）軸與機械密封接觸面的粗糙度過大，通常而言，對于機械密封動密封點要求的粗糙度一般為0.8。

3）軸材料較軟，在設備運轉過程中金屬表面保護膜短時間被磨損。

根據以上幾點微動腐蝕的原因，結合往復式壓縮機的特點，不難看出，造成本機機械密封失效的原因涉及了以上提到的第一點和第三點。往復機曲軸密封相比較其他采用機械密封的設備，本身就具有振動大、跳動大的特點。往復機曲軸在旋轉過程中不斷地受到往復式的交變應力的沖擊，這個交變應力反饋到軸端就是軸的端跳和軸跳在周期性的變化，隨著軸跳動的周期性變化，機械密封動環下這兩個O形圈就與軸之間產生了周期性的相對運動，當軸本身材料到達一定的疲勞極限時，微動腐蝕就產生了。一旦軸被磨損，與O形圈之間的間隙就變大，O形圈的壓縮量變小，失去了密封的功能，導致機械密封的泄漏。

3? 改進措施

分析了機械密封失效的根本原因，針對前文提到的3點引起微動腐蝕的原因，通常的解決措施如下：

1）提高軸的精度，使其能在機械密封的承受范圍之內。

2）提高與機械密封二次密封結構接觸面的光潔度，如拋光。

3）提高與機械密封二次密封結構接觸面的軸的硬度，通常可以通過噴涂碳化鎢或者三氧化二鉻實現。

4）改變機械密封的結構，通過特殊設計使其本身能夠承受更大的跳動。

因為以上前3條解決措施均需要對壓縮機本身做出改造，可行性較低。故只能從機械密封本身結構上入手。改進后的機械密封結構如圖10所示。

改進后的機械密封增加了過渡軸套（圖10部件1），并將軸套（圖10部件1）上與O型圈（圖10部件6）接觸面做噴涂碳化鎢處理; 將原來的分體傳動套設計為一體（圖10部件2）;傳動套、軸套與軸之間通過頂絲固定。相比于原來的機械密封結構，這樣改進的優點是：

1）軸套與軸之間是相對靜止的，O型圈6在工作過程中與軸沒有接觸，也就不會使軸發生微動腐蝕，同時，軸套噴涂碳化鎢并拋光粗糙度，軸套的硬度顯著增強，并且O形圈與軸套之間摩擦力更小，使得動環4具有更好的跟隨性;

2）傳動套（圖10部件2）、軸套（圖10部件1） 與軸之間通過頂絲（圖10部件10）固定在軸上，而軸套1的頂絲孔為通孔，與頂絲之間是有一定的間隙，這樣在運轉過程中，當軸存在軸向跳動時，軸套與頂絲之間的間隙會抵消掉一部分軸向跳動，進而一定程度上減少了O形圈（圖10部件6）與軸套之間的相對運動;

3）采用了共用傳動套（圖10部件2）的設計，共用傳動套設計的好處同樣是在軸向跳動較大時，能夠通過共用的彈簧，保證兩個動環的跟隨性;

4）增加的軸套可以避開原曲軸上被磨損的位置，使得本次改造不需要對原曲軸進行修復，同時，在軸套損壞時可以隨時更換，節省了維修曲軸的工作，降低了維修費用。

4? 結 論

往復式壓縮機與其他常見采用機械密封轉動設備相比具有其自身的特點，常規的機械密封設計往往不能夠達到很好的使用效果，必須結合設備本身和工藝特點進行針對性的設計。改造后的機械密封裝機運行后，取得了良好的使用效果，壽命由原來的3個月提高到了超過1年（截至發稿時間已經累計運行18個月，未泄漏）。極大減少了因機械密封失效帶來的維修工作量，降低了設備維修成本和停機成本，具有一定的借鑒意義。

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