螺杆式压缩机碳环密封国产化改造

　， ， ， (中国石油 独山子石化分公司， 新疆 独山子　833699)

中国石油新疆独山子石化分公司乙烯厂尾气压缩机(21-K-2471)为德国MAN公司提供的蒸汽透平机驱动的单级双螺杆压缩机。该机组由透平机、变速箱、螺杆压缩机组3个主要部分构成，这3部分共用1个油系统。该压缩机输送介质为富氢尾气，额定质量流量为10 025 kg/h，轴封为浮环密封，转速3 511 r/min。自2009年运行至今，该压缩机共进行了5次解体检修，其中碳环密封更换了4次。该碳环密封为福斯公司制造，单套售价660万元左右。福斯碳环密封不仅价格昂贵，而且故障率高，无法满足该设备所在装置4 a检修一次的要求。为了延长设备平稳运行时间及降低设备检维修费，调研了国内几家密封厂家的生产和技术情况，决定对该压缩机密封系统进行改造。

1　压缩机碳环密封结构

单级双螺杆压缩机原装配套密封为德国福斯公司生产的串联式碳环密封,结构见图1。该密封为8级结构，其中介质侧5级，大气侧3级，高压端和低压端的结构相同，辅助系统为蒸汽和氮气两级密封。该碳环密封在驱动和非驱动端各有2套，结构基本相同，仅介质侧压盖轴向尺寸稍有差别。

图1　单级双螺杆压缩机原装进口碳环密封结构

2　进口碳环密封失效原因分析

2.1　密封失效情况

压缩机前5次解体检修结果表明，静密封失效导致密封失效1次，动密封失效导致密封失效4次。静密封失效主要是由于O形圈选型安装不当造成的[1]，动密封失效涉及原因较广，也是影响碳环密封寿命的主要因素。在碳环密封改造之前，密封使用寿命只有一次达到了API 682—2014《离心泵和转子泵用轴封系统》[2]要求的25 000 h，拆检过程中主要发现以下问题：①碳环磨损不一，单圈碳环及不同位置的各道碳环磨损量差别很大，有的碳环已经磨损失效，而有的碳环磨损量几乎可以忽略。②碳环补偿弹簧经常被聚合物限制，无法自由伸缩或弹簧补偿量不够。③碳环上粘附大量聚合物。

2.2　静密封失效分析

该碳环密封静密封方式均为O形圈密封。O形圈密封原理简单[3]，通常情况下只要材质选用得当、尺寸合适、安装精准就不会导致密封失效[4]。虽然该台压缩机上发生过1次O形密封圈选用不当导致的密封失效，但是静密封泄漏的可能性相对较小。选用O形密封圈时一定要考虑在不同工况及温度下密封槽和O形密封圈的膨胀量以及输送介质对O形密封圈的腐蚀性[5]。

2.3　动密封失效分析

动密封失效是碳环密封失效的主要形式。福斯公司的碳环密封采用自动磨损平衡技术设计[6]。当压缩机未开机时，碳环和轴套静止接触。开机后轴套随转子旋转的过程中，碳环和轴套自动磨损，磨损出的间隙尺寸满足通过的密封气恰好能够支撑碳环浮起，从而达到最小的间隙、最小的泄漏量和最小的密封气消耗量。这样的动密封属于浮环密封，是非常先进的密封技术[7]，其失效往往涉及多方面的因素。结合实际检修情况分析碳环动密封失效的原因，主要有3点。

2.3.1气膜压力不稳

碳环和轴套之间的密封腔体内气膜压力不稳定，会导致碳环浮动异常，进而使碳环和轴套之间上下间隙不一致，最终出现偏磨。出现这种情况主要原因是密封气压力波动和安装质量问题。安装质量主要涉及轴套的安装对中，如果轴套没有损伤，则压缩机阴阳转子轴肩的同心度一般都符合要求，安装时注意即可。

气膜压力波动导致的碳环密封偏磨，可以结合图1进行分析。碳环密封的密封蒸汽有两股，分别为密封氮气和密封蒸汽。密封蒸汽的作用是阻止介质泄漏，密封蒸汽在碳环内分作两路流动，流向分别为，①蒸汽注入口—碳环C—碳环B—碳环A—介质侧。②蒸汽注入口—碳环D—碳环E—排放口。密封氮气的作用是阻止润滑油泄漏，密封氮气在碳环内分作两路流动，流向分别为，①氮气注入口—碳环1—润滑油侧。②氮气注入口—碳环2—碳环3—排放口。密封气的流向都是从高压侧流向低压侧，结合福斯公司的自动磨损平衡技术可以推测，全新碳环密封在使用初期碳环和轴套处于接触状态[8]，气体无法通过或通过量很少，随着碳环密封使用过程的延续，从密封气高压侧到低压侧的密封碳环逐个依次形成稳定的密封气膜。当稳定状态的气膜形成后，碳环和轴套就分离开来，磨损将会明显减缓。依此进一步推断，低压侧的碳环磨损量应较大[9]。

实际的碳环磨损情况与上述的技术分析推测结果并不相同。全新密封碳环厚度为9.4 mm，几次检修对碳环的拆解测量数据见表1。从表1可以看出，高压一侧碳环磨损量明显较大，尤其是密封气主入口的第一道碳环。针对检修过程中实际测得的数据进行进一步的过程分析。碳环在刚开始运行时的情况符合前述分析，表现为低压侧的碳环磨损量较大。但是当所有碳环全都形成稳定的气膜后出现密封气的压力波动，情况就会发生变化。最先受到影响的是高压一侧碳环和轴套之间的气膜，它会传递密封气的波动并造成碳环损伤。密封气压力虽然是靠自励阀控制，但是当自励阀的阀前压力出现波动时，自励阀阀后的背压也会随之波动，因此检修时才有密封气高压一侧碳环，尤其是主入口处的碳环磨损较快的现象。因此，严格控制密封气压力，包括密封氮气和密封蒸汽压力对延长碳环密封的使用寿命至关重要。

表1　碳环解体时碳环厚度测量数据　mm

2.3.2补偿弹簧弹性疲劳

福斯公司原装进口碳环密封内部结构及密封磨损情况见图2。

从图2可以看出，福斯公司设计的碳环密封有轴向的镯形补偿弹簧和垂直于轴向的柱形补偿弹簧。通常碳环磨损后，碳环在补偿弹簧的推动下仍能保证碳环和密封座之间的间隙，维持原来的密封效果[10]。

图2　进口碳环内部结构

碳环的补偿弹簧疲劳后，将不能提供需要的补偿尺寸。随着使用时间的推移，将依次出现碳环和密封座之间的间隙变大、密封气的通过量变大、泄漏量增大，直至严重时密封失效。实际检修过程中，每次都会发现弹簧补偿失效的情况。

2.3.3工艺介质泄漏和结焦

非正常情况下工艺介质发生泄漏并进入碳环密封内部时，将会发生结焦并导致碳环密封浮动异常。当密封气压力较低以及碳环密封弹簧补偿失效后，碳环密封两侧平衡压力被打破，造成一定量的工艺介质反蹿至碳环密封腔体。这部分工艺介质，包括所输送的工艺气体和润滑油，会在密封腔体内部聚合结焦。

密封腔体内部长期结焦导致的失效密封外观形貌见图3和图4。

图3　内部结焦后失效密封外观形貌(一)

图4　内部结焦后失效密封外观形貌(二)

3　单级双螺杆压缩机碳环密封国产化改造

3.1　国产化技术方案

向国内多家密封件制造厂家技术咨询后，通过对各家改造方案的对比，最终优选了大连华阳密封有限公司的改造建议。改造之后的浮环密封低压侧结构见图5[11]。

3.2　国产化技术特点

3.2.1自然分体式密封环

福斯公司的碳环采用自动磨损平衡技术，一个完整的碳环由两瓣组成，碳环接口处必须留有间隙，否则就会破坏镯形弹簧对碳环磨损量的补偿，使补偿无法形成。这种搭接式结构在接口处形成了新的泄漏点，并且该处的泄漏会造成碳环密封局部泄漏量大而导致碳环的偏磨。华阳密封的密封环采用自然分体式结构，碳环在接口处几乎不存在间隙，能够避免福斯公司搭接式碳环在接口处的泄漏。但同时碳环磨损后也是无法补偿的，密封气的通过量会随着运行时间的延长逐渐增大。针对这个问题，华阳密封采用更耐磨的密封组件，轴套采用特殊合金镀层，硬度更高、耐磨性更好。此外，研磨了碳环对应的密封座，将轴套的表面粗糙度由3.2 μm提高至1.6 μm，轴向窜动允差由0.3 mm降至0.2 mm，提高了金属件的平整度，使碳环与金属座的贴合更紧密，减少碳环的磨损，提高其使用寿命。

图5　改造后浮环密封低压侧方案

3.2.2柱形弹簧改进

调整了碳环柱形弹簧的侧向弹簧力及其金属座的贴合面积。调整后，一方面使碳环在工作状态时保持与金属座的贴合，形成端面接触，阻止端面泄漏，另一方面增加了碳环的浮动性，使碳环与轴径方向始终保持微小的间隙，从而减少了碳环的磨损[12]，具体可参考碳环内部结构图(图2)。福斯密封和华阳密封对于图2中泄漏途径A的密封应用了相同的原理，均借助柱形弹簧挤压碳环紧密贴合密封座来阻止泄漏。华阳密封此次改进主要包括通过增大柱形弹簧的弹力来提高碳环的贴紧力，增大弹簧的直径使弹力更加均匀地分布在碳环上，避免碳环和密封座的偏磨。

3.2.3碳环内部动压槽改进

碳环内部动压槽增加动压效果，使碳环运转时浮动效果更佳，使用寿命更长。碳环内部动压槽的改进主要是为了减少图2中泄漏途径B的泄漏并改善碳环运转时的浮动效果[13]。福斯密封和华阳密封对于图2中泄漏途径B应用了相同的密封原理，即通过镯形弹簧来提供预紧力。当镯形弹簧的弹力和密封蒸汽通过泄漏途径B时产生的浮力动态平衡时，碳环密封处于稳定状态工作，不同的是华阳密封在与轴套接触的碳环端面上刻了动压槽，可以保证只有少量气体通过时碳环仍能保持正常浮动，保证碳环和轴套不接触。此外，刻了动压槽的碳环在平稳运行时碳环和轴套的间隙更小，密封蒸汽消耗量也小。

3.2.4碳环防旋转改进

密封环旋转对华阳密封和福斯密封的影响不同。华阳分体式碳环密封中组成同一个密封圈的2个碳环接口是紧密接触的，缝隙很小。福斯公司采用自动磨损平衡技术的碳环密封中组成同一个密封圈的2个碳环接口缝隙很大，而且只有保持一定的缝隙才能实现磨损补偿，通过缝隙泄漏的密封气体量也较大。因此，福斯密封必须保持碳环接口错位，受碳环转动的影响更大。

华阳密封改进了碳环的防旋转方式，使其在设备运转时受到的冲击力更小，降低其磨损。碳环的转动主要发生在压缩机开、停机过程中，此时碳环密封尚未形成稳定的轴向力和径向力，密封蒸汽通过图2中的泄漏途径A和B时都会产生相应方向上的力。改造后的碳环密封泄漏量减少，就相当于密封蒸汽波动的瞬时受力减小了。此外，改造后在碳环密封主要泄漏途径B对应的碳环密封端面刻了动压环，可以分解、抵消此方向泄漏产生的力，从而减少碳环密封的旋转。

3.2.5密封材料升级

碳环改用优质进口石墨材料，辅助密封圈改用全氟醚橡胶圈。该石墨材料具有强度高、自润滑性好及耐高温的特点。全氟醚O形圈可以有效避免介质腐蚀。

4　单级双螺杆压缩机密封国产化改造效果

4.1　模拟试验效果

采用大连华阳密封的碳环密封设计分析软件对改造后的碳环密封结构设计及性能进行了预测。预测结果为结合了传热学[14]和计算流体力学CFD[15]，通过耦合求解得到的理论计算值。模拟分析的初始输入条件为，温度50 ℃、高压侧压力135 kPa(A)、低压侧压力101.3 kPa(A)、转速3 511 r/min、介质为氮气、密封型式为H259-3400。模拟预测获得的华阳密封的试验压力分布、试验温度分布、密封端面流体膜分布[16]分别见图6～图8。

图6　华阳密封试验压力沿轴向长度分布

图7　华阳密封试验温度沿轴向长度分布

图8　华阳密封密封端面流体膜厚分布云图

图6为3级碳环密封的压力分布，即沿轴向从高压侧135 kPa到低压侧大气压的压力分布图，图6、图7主要显示了华阳密封在给定工况下的性能。

图8为内部开动压槽后单级碳环的膜厚分布云图，显示了密封环内部开动压槽后单级碳环的性能变化，开动压槽后可降低接触比压，从而减少碳环与轴套磨损，提高碳环寿命。

总泄漏量(标准状况下)随时间变化曲线见图9。图9表明，国产化碳环密封可以满足本生产装置对碳环密封使用条件的要求，效果较好。

4.2　实际应用效果

2016-10，对独山子石化苯乙烯装置尾气压缩机进行了改造试验。实际使用效果表明，实测的密封泄漏量与模拟分析的小流量非常接近，试验290 min密封最大泄漏量3.8 m3/h，开机后48 h，根据密封蒸汽排放量测算泄漏量小于4 m3/h。初步判断，可以借助密封模拟分析软件预知设计密封参数，如泄漏量、升温、气膜厚度变化时的密封效果。

图9　运转试验华阳密封总泄漏量随时间变化曲线

5　结语

独山子石化公司苯乙烯装置尾气压缩机碳环密封国产化改造基本达到了预期的效果。国产化改造后，检修费用明显减低，成套进口密封售价660万元左右[17]，改造后的成套密封售价不到300万元。模拟预测的密封泄漏量非常接近实测值，可以相对准确地预知设计密封参数，如泄漏量、升温、气膜厚度变化时的密封效果。改造之后的碳环密封能否达到4 a一修的目标还有待进一步的考察。

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