水蒸气罗茨压缩机轴封优化设计

2021-06-11江远峰

机电信息 2021年12期

摘要：面对介质高温特性（195 ℃）、高压特性（1.4 MPa）、碱性腐蚀特性（pH值9～10）、低可靠性（使用寿命低于300 h，一个月）等特点，传统的多胀圈结构和常规机械密封已无法适应罗茨压缩机输送水蒸气的轴封系统使用要求。基于此，以可靠性兼顾经济性为准则，通过合理优化设计方案，选用合适材料，计算设计各个重要机械密封参数，最终满足实际需求，并为类似工况的轴封设计提供了一个可参考、可借鉴的可行性密封方案。

关键词：高温高压碱性水蒸气;罗茨压缩机;机械密封

0 引言

近年来，二次蒸汽再利用项目受到广泛关注。在管桩、建材、加气砖等实际生产中，均采用蒸压釜余热回收梯级利用工艺实现节能减排，但工艺的核心设备罗茨压缩机的多胀圈轴封系统，存在故障率高、可靠性低、维护周期短等问题;并且具有实际运行工况苛刻，启停冲击大，运行压差大，高温碱性腐蚀，输送介质杂质多等不利特点。因此，罗茨压缩机轴封系统的优化，关系着整个工艺的正常运行。

另外，二次蒸汽再利用项目属于节能项目，不仅需要从密封性、耐久性、可靠性等方面优化设计轴封系统，而且需要兼顾经济性，均衡考虑材料成本和制造难度，制订合理、适合的轴封系统优化设计方案。

1 工况参数

罗茨压缩机需输送的介质为过热碱性水蒸气，其冷凝液含有Ca（OH）2，约0.35 g/L（平均值），pH值9～10，另有少量硅酸盐固态矿物杂质。输送水蒸气最高压力1.4 MPa，最高温度195 ℃，其中，压力为0.2～0.7 MPa时，每天运行6 h;压力为0.7～1.4 MPa时，每天运行6 h。另外，实际工况介质中含有固体颗粒杂质（0～5 mm以内）。

此外，设备输送流量为32 m3/min，压差为0.1 MPa，轴转速为1 440 r/min，轴直径为65 mm。

2 轴封系统方案

2.1 密封方案

鉴于输送介质的高温、高压、碱性腐蚀的特点，再加上轴封系统紧邻油箱，以往故障多表现为介质蒸汽窜入油箱，导致油品乳化，失去润滑特性，进而发生故障。因此，需要保证轴封系统泄漏量低于5 mL/h，连续使用寿命约8 000 h（JB/T 4127—2013）。从经济性方面考量，轴封系统不宜复杂，维护需简便，因此，采用单级集装式机械密封结构，并且辅助冲洗方案。其密封方案如图1所示。

其中，密封旋转部分主要结构形式呈单边截面横向“L”形环，通过紧定螺钉固定在轴套上。横向“L”形外与腔体内壁有间隙，间隙有输送介质窜入，最终由密封副密封。横向“L”形环内有循环冷却水带走热量。

密封基本結构部件选用0Cr18Ni9（304L），虽然在150 ℃以上碱溶液中此材料腐蚀会加剧，但有数据表明，即便在此恶劣工况下工作，也可保证3年寿命，超过了所需使用寿命。考虑到整体经济性及材料易获取程度，选定以0Cr18Ni9（304L）为基本结构部件材料。其中，因为0Cr18Ni9材料热膨胀系数比罗茨风机腔体大50%，所以需要留有富余间隙。然而此处腔体间隙不宜过大，应控制在1.5 mm以内。

2.2 密封面设计及PV值

2.2.1 密封受力分析

密封环闭合力等于密封介质压力所形成力F1、弹簧力Fs、密封圈摩擦力T、密封面内介质液膜压力形成的推力F2等诸力之和。其中，密封圈摩擦力T与弹簧预紧力、介质压力、温度、密封圈材质、形状、尺寸、磨损等因素有关，因其数值本身不大，工程计算中常常忽略。因此，密封面闭合力Fb=Fs+F1-F2。密封面受力分析如图2所示。

式中：Pb为闭合端面比压;Fb为密封面闭合力;P1、F1分别为介质推力比压和介质推力;A为密封面面积;Ps为弹簧推力比压;K为载荷系数，即有效受力面积与密封面面积之比;Km为膜压系数。

2.2.2 各参数计算

（1）载荷系数K：

密封面宽度是一个重要几何参数，密封面产生的摩擦热与其成正比，密封面太宽，则产生热量大，密封面温升高;密封面太窄，会使密封面接触比压增大，磨损加剧，泄漏量增大，导致密封面凸台强度降低以及变形增大。因此，综合考虑，此处密封面宽度取b=4 mm。

载荷系数K又称“平衡比”，反映密封介质压力作用在密封面上压力增加的程度，对于内装式平衡型，其为：

式中：d2为密封面外径，d2=108 mm;d1为密封面内径，d1=

98 mm;d0为密封面平衡直径，d0=100 mm，为介质推力实际施加给密封面的有效位置尺寸。

（2）弹簧推力比压Ps：

根据工况，选择多弹簧均布设置，其受离心力影响较小，弹簧力可通过弹簧个数调节，密封面受力均匀，但更易受腐蚀和堵塞影响，因此，需保证弹簧安装孔的密封性。为提升弹簧力，一个弹簧安装孔重叠并装两个同型弹簧，圆周方向共有12个弹簧安装位，总计24个弹簧。其中，弹簧材质选择1Cr18Ni9Ti，其不仅耐腐蚀特性好，而且耐高温，使用温度可达250 ℃。

弹簧力：

式中：ns为弹簧有效圈数，ns=8圈;Ds为弹簧中径，Ds=5 mm;Gs为材料剪切模量，Gs=78.4 GPa，换算为78 400 N/mm2;ds为弹簧丝丝径，ds=0.9 mm;fs为弹簧变形量，fs=2 mm;Ms为弹簧个数，Ms=24个。

弹簧推力比压：

Ps=Fs/Ss≈0.191 MPa （4）

式中：Ss为摩擦端面面积。

Ss=（π/4）×（d22-d12）≈1 617.92 mm2 （5）

（3）平均轴转速V：

V=πDmn/60≈7.766 m/s （6）

式中：Dm为密封面平均直径;n为轴转速，n=1 440 r/min。

Dm=（d1+d2）/2=103 mm （7）

（4）膜壓系数Km：

对于平行面密封面，静压膜压系数为：

式中：R1为密封面半径之比，R1=r1/r2，r1=d1/2，r2=d2/2。

（5）闭合端面比压Pb：

闭合端面比压为闭合力与密封面面积的比值：

Pb=Fb/A=Ps+ΔP×（K-Km）

=0.191+1.2×（0.808-0.516）

≈0.541 MPa （9）

式中：Fb为密封面闭合力;Ps为弹簧推力比压;ΔP为密封介质压力（1.4 MPa）与冷却水压力（0.2 MPa）差;K为载荷系数;Km为密封面膜压系数。

（6）计算PV值：

密封面PV值是反映密封面工况的参数，计算如下：

PV=Pb×V=0.541×7.766≈4.2 MPa·m/s （10）

2.3 密封副选择

密封副采用“窄软宽硬”常规方式，即保证密封、泄漏量少的同时，可实现动环均匀磨损而不嵌入宽环，避免造成密封故障的情况。从腐蚀和高温工况考虑，选定动环为浸树脂炭-石墨，静环为碳化硅，其性能指标如表1、表2所示。

2.4 校核PV值

经手册查得，浸树脂炭-石墨与碳化硅密封副许用[PV]=17.515 MPa·m/s，而实际使用时，应保证计算PV小于0.25×许用[PV]。

计算出PV=4.2 MPa·m/s<0.25×许用[PV]，即PV=

4.2 MPa·m/s<4.38 MPa·m/s。因此，此密封副可用。

2.5 泄漏量

密封的泄漏与众多因素相关，包括滑动面粗糙度、平面度、间隙、相对滑动速度，受压和受热后的变形、介质特性、辅助系统和弹性元件的状态、振动、安装精度等。而密封的润滑减少磨损和泄漏是对立统一关系，常采用边界摩擦（边界润滑）状态。

泄漏量：

Q=πDmΔPh02S/Pb2≈3.821 mL/h （11）

式中：Q为密封端面泄漏量（cm3/s）;Dm为密封面平均直径（cm）;ΔP为密封介质压力与冷却水压力差（N/cm2），ΔP=

1.2 MPa，换算为ΔP=120 N/cm2;h0为段折合缝隙（μm），在密封清洁介质和摩擦副选配下，平均折合缝隙高度h0=0.5 μm;S为缝隙系数，是滑动速度和由离心力造成压力以及泄漏流断面的函数，此处内装式机械密封的缝隙系数S是滑动速度V的函数，根据手册图表查到，V为7.766 m/s时，S=3.2×105 N/（cm2·s）。

2.6 磨损量

磨损量指密封面动环的磨损量（因动环硬度比静环小很多，因此密封面磨损量以动环磨损为主），实际磨损量与闭合面压力、平均转动速度、摩擦面密封副滑动工况有关。

磨损量：

式中：K？覣为无因次磨损系数，经磨损试验测算，根据手册查询，K？覣=1×10-6;H为密封副硬度，取屈服极限值，H=200 MPa。

按照JB/T 4127—2013规定，磨损量应小于0.2 μm/h，使用寿命可达8 000 h，连续使用时间为两年。计算所得磨损量符合要求。

2.7 冷却方案

2.7.1 热源构成

经分析，所需冷却热量主要由两部分构成，一部分是高温输送介质热源经由密封结构所传导，另一部分是摩擦副摩擦热（搅拌热忽略）。而冷却的重点为摩擦副及各个密封点，以保护密封材料及减小热变形。

因本文密封结构中，主要结构呈横向“L”形，其介质热源传递需要保证整体密封结构的有效冷却（不仅需要保证密封面冷却，也需要保证其他密封件及弹性元件得到有效冷却），因此，需要对密封结构截面进行简化，按照最大传递热量处温度最高点计算其热量，从而求得循环冷却量。传递热量Qc：

式中：λ为304L材料在200 ℃下导热系数，λ=18 W/（m·K）;ΔT为密封件热源端与循环冷却水温度差，ΔT=195-50=

145 ℃;t为热传递时间，t=1 s;A为热传递截面积，A=0.009 7 m2，简化结构为宽30 mm、直径dm=103 mm的圆环;δ为厚度，δ=28 mm。

摩擦副摩擦热量：