螺杆式压缩机碳环密封国产化改造

2期

PETROCHEMICAL EQUIPMENT

石油化工设备

Vol. 47 No. 2

Mar. 2018

i经验交流I

、+ + + + + + j

文章编号：1000-7466(2018)02-0061-06

螺杆式压缩机碳环密封国产化改造

秦涛，王云飞，姬小朋，严慧玲

(

中国石油独山子石化分公司，新山子833699)

摘要：针对中国石油新山子石化分公司乙烯厂尾气压缩机碳环密封故障率高、更换成本高、无

法满足4 a检修一次的实际情况，对压缩机密封系统进行了国产化改造。介绍了螺杆式压缩机碳 环密封结构，分析了进口碳环密封的静、动密封失效原因。针对气膜压力不稳、补偿弹簧弹性疲劳、 工艺介质泄漏和结焦引起的动密封失效，提出了国产化技术改造方案。经模拟试验和实际应用双 重验证，改造后的国产化密封性能满足装置生产需要。国产化改造后的密封比原装国外进口的密 封具有更高的经济性，单套可节省300余万元，可为类似设备的改造提供借鉴。

关键词：螺杆式压缩机；碳环密封；国产化；改造

中图分类号：TQ051. 21; TH45 文献标志码：B doi：10. 3969/j. issn. 1000-7466. 2018. 02. 013

Localization Modification of Screw Compressor Carbon Ring Seal

QIN Tao,WANG Yun-fei, JI Xiao-peng,YAN Hui-ling

(Dushanzi Petrochemical Company of CNPC，Dushanzi 833699，China)

Abstract：Aiming at the practical situation of high failure frequency, high change cost and fail­

ure to meet the requirement of once repair and maintenance every four years for carbon ring seal of tail gas compressor of ethylene plant of Dushanzi Petrochemical Company of CNPC, the locali­zation modification of screw compressor carbon ring seal was carried out. The structure of origi­nal foreign screw compressor carbon seal was introduced, and failure reasons for its static seal and dynamic seal were both analysized. The domestic reformation was carried out according to main dynamic seal failure caused by gas film pressure instability, elastic fatigue of compensate spring and process media leakage and coke is proposed. The reformed carbon seal is proved by both simulation experiment and industrial application to be satisfying in technique. Moreover, the reformed carbon seal is more economical, and can help enterprises save more than 3 million RMB with every one set seal. The localization modification is successful, and can be a reference for similar project.

Key words： screw compressor； carbon ring seal； localization； modification

中国石油新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。诙机组由透平机、

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。诙压缩机输送介质为富氢尾气，

额定质量流量为10 〇25 kg/h，轴封为浮环密封，转

收稿日期：

2017-10-19

作者简介：秦涛（1983-)，男，陕西西安人，高级工程师，学士，主要从事石油化工设备管理工作^

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石油化工设备

2018年第47卷

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。

密封氮气人口

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。

密封蒸汽入口

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

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

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〇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，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〇形圈密封。〇 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次〇形密封圈选用不当 导致的密封失效，但是静密封泄漏的可能性相对较 小。选用0形密封圈时一定要考虑在不同工况及 温度下密封槽和0形密封圈的膨胀量以及输送介 质对0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

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蒸汽注入口一碳环C一碳环B—碳 环A—介质侧。②蒸汽注入口 一碳环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 氮气注入口一碳环1 一润滑油侧。②氮气注入

第2期秦涛，等：螺杆式压缩机碳环密封国产化改造

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口一碳环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

表1

碳环位置阳转子人口端阴转子出口端

碳环18. 99. 3

碳环29. 18. 9

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。

碳环解体时碳环厚度测量数据

碳环39. 29. 1

碳环A7. 57. 8

碳环B7. 57. 8

碳环C5. 57. 4

碳环D5. 17. 4

碳环E8. 38. 3

2.3.2补偿弹簧弹性疲劳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[1°]。

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

镯形弹簧

表面异常结焦，

'碳环失去浮动性密封端面 ‘磨损较轻

间隙密封

(b)端面尺寸及密封特点

异常、严重磨损 内表面(C)端面磨损情况

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

合结焦。

密封腔体内期结焦导致的失效密封外观形

貌见图3和图4。

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

图3

内部结焦后失效密封外观形貌(一)

• •

石油化工设备

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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

图4

内部结焦后失效密封外观形貌(二)

344.5

完整的碳环由两瓣组成，碳环接口处必须留有间隙，

325-0.2

〇

图5改造后浮环密封低压侧方案

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 提高至1. 6 pm，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。

3. 2. 2 柱形弹簧改进

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

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

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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s

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s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。全氟醚〇形圈可以有效避免 介质腐蚀。

4单级双螺杆压缩机密封国产化改造效果

4.1模似试验效果

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[tt]和计算流体力学

CFD[i5]，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 C、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。

0.08L

10

15

20

25

30

35

长度/mm

图6

华阳密封试验压力沿轴向长度分布

溢0长度/mm

图7

华阳密封试验温度沿轴向长度分布

圈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

•

66

•

石油化工设备2018年第47卷

H

7

. s)課/®i也l、

10 50 90 130 170 210 250 290 330

时间/min

图

9运转试验华阳密封总泄漏M随时间变化曲线

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。

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，如泄漏暈、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—修的目标还有待进一步的考察0

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