蔣雄（xióng）偉
（中國石化上海石油（yóu）化工股（gǔ）份有限公（gōng）司烯烴部，200540）
摘 要：分析了丁（dīng）二烯螺杆壓縮機原軸端密封失效的主要原因，決定（dìng）采用先進的軸端密封（流體動壓碳石（shí）墨浮環密（mì）封（fēng）和（hé）油膜潤滑非接觸式機械密封組合結構）對（duì）密封係統進行改造（zào）。改造後的應用結果表明，新型（xíng）組合式密封（fēng）結構徹底解決了原軸端密封泄漏嚴重、使用壽命短的問題，保證了裝（zhuāng）置（zhì）的安（ān）穩、長周期運行。
關鍵詞：丁二烯；螺杆壓縮機；油膜密封（fēng）；動壓浮環（huán）
B－GB1101螺杆式壓縮機是中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部53kt/a丁二烯裝置新區的丁二烯氣體（tǐ）壓（yā）縮機，由英國豪頓公司生產，為單（dān）缸、雙段、無油幹式、垂直（zhí）剖分雙螺杆壓縮機（jī），型號為HPS408/HS255，機組軸端密封由英（yīng）國約翰克蘭公司配套，於2002年4月投（tóu）入使用。該壓縮機用於丁二烯提純工藝，從氣提到萃取、精（jīng）餾的流程（chéng）中提升丁二烯氣體的壓力。機組自投用以來，軸端密封始終存在（zài）嚴重泄漏，導致裝置運行（háng）周期短，機組潤滑油（yóu）消耗量大，嚴重影響丁二烯新區裝置的（de）正（zhèng）常生產運行，更不能（néng）滿足今後裝置長周期安全（quán）運行的（de）需要，同時還存在軸端密封進口價（jià）格昂貴，供貨周期長的問題。在對國內（nèi）同類機組及多家機械密封供應商充分調研（yán）的基礎上，決定（dìng）對B－GB1101壓（yā）縮機軸端（duān）密封進行國產化改造，采用先進的流體動壓碳石墨（mò）浮環密封和油（yóu）膜潤（rùn）滑非接觸式機械密封的組合結（jié）構。改造（zào）後於2011年投入使（shǐ）用，滿足當初改造時提出的技術要求，消（xiāo）除了原軸端密封（fēng）潤滑油泄漏的隱患，也為裝置的安穩運行提供了保障。
1 B－GB1101螺杆（gǎn）式壓縮機（jī）機（jī）組簡介
B－GB1101螺杆壓縮機的輸送介質為丁二烯（xī）及少量二甲（jiǎ）基甲酰（xiān）胺（àn）（DMF），電機驅動（dòng）功率為860kW，設計能力為7000m3/h，額定轉速為4700r/min，壓縮機原來配套的軸端密（mì）封由約翰克蘭公司生產（chǎn）的接觸式機械密封和浮環式碳環密（mì）封（如圖1所示）組合（hé）而成，一段、二段共有（yǒu）不同規格的浮環式碳環密（mì）封24隻（zhī），機械密封8套，密封油采用46#防鏽透平油。
2 進口軸端密封存在的問題及泄（xiè）漏（lòu）原因分析
通過幾次機組大修，對已損壞的碳環及機械密封進行仔細分析，發現如下問題：
（1）機械密封動環密封麵磨損、結焦嚴重。動環材料為硬質合金，密封（fēng）端麵開（kāi）設有流體槽，拆檢後發現動環密封區域（yù）流體槽全（quán）部磨損，內徑側布滿顆粒狀結焦物（wù）。密封麵流體槽的主要設計思路是將潤滑油通過溝（gōu）槽引入密封端麵起潤滑作用，但由於密封彈簧比壓過大造成（chéng）密封端麵產生大量摩擦熱，介質在高溫下自聚形（xíng）成結焦（jiāo）物，造成密封端麵（miàn）無法實現非（fēi）接觸式運轉，因此認為密封麵的磨損主要因接（jiē）觸摩擦造成。
（2）浮環式碳環密封磨損（sǔn）嚴重，與軸頸（jǐng）配合尺寸超差。碳環密封主要依靠控（kòng）製碳環和（hé）軸（zhóu）頸之間形成的微小間隙（間隙要求控製（zhì）在0.08～0.10mm）來實現節流降壓作用。密封拆檢後發現與碳環接觸處的（de）轉子溝狀（zhuàng）磨損（sǔn）嚴重（如圖2所示），Z大處磨損（sǔn）量達0.06mm，且碳環磨損嚴重，內徑超差Z大值為0.20mm。碳環內徑處、碳環與隔環之間聚集了大量結焦物，碳環失去了自由浮動性。
3）機械密封靜（jìng）環端麵破損。拆檢發現密封靜環端麵磨（mó）損（如圖3所示），局部出現貫穿性破裂，破裂（liè）缺（quē）口是泄漏的（de）主要通道。通過對拆卸的密封重新核算彈簧比壓及彈簧力，發現該機組8套（tào）密封均出現彈簧比（bǐ）壓過大，造成密封端麵過熱，密封端麵發生變形，加劇了端麵（miàn）磨損；另外，因介質中含有高滲透（tòu）性溶劑DMF，溶劑浸入由樹脂填充的石墨環，破壞了材料固有結（jié）構，造（zào）成端麵皰疤、脫落。
由此可見，造成機組原（yuán）配機械密封泄漏（lòu）的主要原因為機械密封設計缺陷，原（yuán）設計碳環及接觸式機械密（mì）封無法滿足機組運行工（gōng）況要求，與工藝操作及安（ān）裝檢（jiǎn）修無關。為實（shí）現機組密封組（zǔ）件長周期無泄漏運行（háng），必須從根本上對現有密封組件的結構進行改進，從而確保機組長周期、安全、可靠運行。
3 軸端密（mì）封（fēng）改（gǎi）造措施及對策
通過對原進（jìn）口軸端密封存在的主要問題進行分析，參考國內（nèi）幾家密封廠家的改造經驗，並結合現場實際情況，提出采用先進的軸端密封（油膜潤滑非接觸式（shì）機械密封和流體動壓碳石墨（mò）浮環密封組合結構）進行技術改造。
3.1油膜潤滑（huá）非接觸式機械密封
油膜密封（fēng）是液膜（mó）潤滑非接觸式密封的一種，它借助密封端麵開設的流體動壓槽，在密（mì）封環高速旋轉條件（jiàn）下，依靠黏性剪切作用把液體泵入密封端麵，使液體壓力（lì）在有限的空間內升高，密封端麵間隙得到動態（tài）穩定並形成具有一定剛度要求的液膜，從（cóng）而使運行過程中兩（liǎng）密（mì）封端麵分開，處於非接觸狀態[1-2]。由此可見，油膜密封可實（shí）現密封端麵的非接觸式運轉，避免了（le）介質因（yīn）接觸式密封端麵產生的（de）熱量而造成自聚。正常運行時，密封端麵沒有摩擦、磨損，密封使用壽命會大大延長。在確保不改變機組密封腔體結構的（de）前提下（xià），對影響密封運行的參（cān）數進行優化，運用專用（yòng）數值計算軟件計算，在密封動環端麵開設流體動壓槽（如圖4所示）。
流體動壓槽由（yóu）靠近外徑側的下遊泵送短槽和靠近內（nèi）徑側的（de）上（shàng）遊泵送長槽（cáo）組成，下遊泵送短槽將封油吸入密封（fēng）端麵，並增壓使密封端麵分開，保證非接觸式運轉；上遊泵送長槽將吸入的封油泵送（sòng）回去，保證封油（yóu）不會泄漏。兩組槽的組合（hé）使用，保證流體（tǐ）膜在密封（fēng）端麵形成微循環，增加流體膜剛度和抗幹擾能力，特別是能夠保證機組在振動較大、介質較髒的工況下機械密封能夠正常運行。
3.2流體動壓碳石墨浮環密封（fēng）改造
碳環密封性能直接決定機械密封的使用效果，該壓縮（suō）機轉（zhuǎn）子原設計每端各安裝3個碳（tàn）環密封，這次改造利（lì）用流體動壓碳石墨浮環技術，運用專用數（shù）值計算軟件，在碳環內徑側開設一定數量及深度的流體（tǐ）槽，通過轉子旋轉時（shí）流體槽的（de）反向推擋力，阻止介質氣的泄漏，進而保護機械密封。新型碳環密封（fēng）主要特點如下：
（1）具有反向輸送功能。轉子旋轉時（shí），由於流體動壓碳石墨浮環上刻有流體槽（如圖5所示），利用（yòng）流（liú）體（tǐ）槽的反向泵送效應，可大（dà）大阻（zǔ）止氣體通過浮環的泄漏量，有效降低機封處介質壓（yā）力。
（2）流體槽（cáo）的動壓效應提高了浮環（huán）的對（duì）中性，降低浮環與軸的摩擦與磨損，既（jì）延長了浮環使用壽命（mìng），同時也減少了對轉子的損壞。
3.3密封材料運用
這次改造首先在一段壓縮機上進行，密封外形（xíng）尺寸保證與原密（mì）封一致，潤滑油壓力保持與原來一（yī）致。考慮到壓縮機旋轉線速度超過25m/s，屬於高速密封，且介質中（zhōng）含有DMF溶劑，因此特別注意了密封材質的選擇。機械密封靜環材料采用進口浸銻石墨，機械密封動環（huán）采用進口碳化矽，其摩擦因子及耐磨（mó）性優於硬質合金；O形圈（quān）采用美國杜邦公司全氟化密封圈，其具有優異的抗化學性能（néng）及耐高溫性（xìng）能（néng）能夠（gòu）延長密（mì）封的使用壽命；彈簧則采用進（jìn）口哈氏合金。
4 結論
改造後的新型軸端密封（fēng）於2011年10月安裝並一次性開車成（chéng）功，運（yùn）行至今所有運行參數均滿足當初改造所（suǒ）提的技術要求，消除了原軸端密封潤滑油泄漏的（de）隱患。由此（cǐ）可見，這次改造（zào）采用的（de）新型軸端密封徹底（dǐ）解決了原進口軸端密封泄（xiè）漏嚴重、使用壽命短的問題，從而確（què）保了丁二烯新區裝置今後的安穩長周期運（yùn）行。同時（shí）通過壓縮機（jī）軸端密封（fēng）成功（gōng）改造經驗，為下次機（jī）組二段（duàn）改造提供了技術支撐，同時也為國內同類壓縮機軸端密封選擇提供參考。
參考文獻
[1]顧永泉（quán）.機械密封實（shí）用技術[M].北京（jīng）：機械（xiè）工業出版社（shè），2007：6.
[2]郝木明（míng），胡丹梅.新型上（shàng）遊泵（bèng）送機械密封的性能研究[J].化工機械，2001（1）：12-15.
來源：《石油化（huà）工（gōng）技術與經濟》第29卷第3期
