張小偉，馮圣福，王云飛，陳敏，嚴慧玲

（中國石油獨山子石化公司乙烯廠烯烴一聯(lián)合車間，新疆 獨山子 833699）

中國石油新疆獨山子石化公司碳四裝置循環(huán)氣壓縮機為日本神戶制鋼生產(chǎn)的KS50LMZ型單級、無油、干式、正排量雙螺桿壓縮機，其軸端密封采用浮環(huán)密封+機械密封組合結(jié)構(gòu)形式，配置氮氣保護系統(tǒng)，機械密封為日本伊格爾公司生產(chǎn)的接觸式、非集裝、雙端面結(jié)構(gòu)，介質(zhì)側(cè)為波紋管密封，軸承側(cè)為小彈簧密封，浮環(huán)密封為鋼套鑲嵌石墨結(jié)構(gòu)，由波型彈簧提供貼緊力。該壓縮機輸送介質(zhì)為混合碳四，額定流量57737KG/H，轉(zhuǎn)速2950 r/min。從2009年開始運行至今，該壓縮機共進行了3次解體檢修，機械密封平均運行周期不到兩年，機械密封的運行壽命已經(jīng)成為該機組穩(wěn)定運行的瓶頸，兩次非計劃停工檢修，使得碳四裝置及其下游裝置停工，不僅對企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟損失，同時在開停工過程中產(chǎn)生的廢料會對環(huán)境造成一定的污染。

1 壓縮機軸封結(jié)構(gòu)

該螺桿壓縮機原軸端密封驅(qū)動和非驅(qū)動端各兩套，氮氣作為隔離氣，機械密封為接觸式機械密封，雙端面、多彈簧、靜止接觸式、平衡型機封結(jié)構(gòu)，原軸端密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓縮機軸封示意圖

2 軸封失效原因分析

針對歷次檢修情況，對浮環(huán)密封、機械密封、輔助O形圈等進行了細致檢查分析，查找機械密封泄漏的根本原因。

2.1 浮環(huán)密封運行狀況評估

對拆解下來的浮環(huán)（圖2）做了仔細檢查，浮環(huán)密封外觀狀態(tài)良好，沒有明顯的摩擦磨損。

圖2 浮環(huán)

波型彈簧（圖3）外觀狀態(tài)良好，有一定彈性力，恢復(fù)性較好。

圖3 波型彈簧

2.2 機械密封運行狀況評估

將壓縮機解體拆卸下機械密封，發(fā)現(xiàn)機械密封端面結(jié)焦嚴重，機械密封殼體內(nèi)部結(jié)焦也十分嚴重（圖4），三次更換機械密封，機械密封均發(fā)現(xiàn)同樣的問題。

圖4 機械密封動、靜環(huán)、機械密封殼體內(nèi)結(jié)焦嚴重

接觸式機械密封因其工作原理決定了必然存在一定的泄漏，并隨著工況參數(shù)（壓力、速度、溫度等）的增加而呈現(xiàn)顯著的增加趨勢，丁二烯螺桿壓縮機輸送的混合碳四介質(zhì)中含有大量丁二烯，在密封端面摩擦熱的作用下，丁二烯易在機械密封端面結(jié)焦。當(dāng)結(jié)焦物進入到靜環(huán)內(nèi)部時，靜環(huán)內(nèi)部的彈簧失去彈性，機械密封喪失磨損補償，導(dǎo)致機械密封的泄漏量逐漸增大，同時由于內(nèi)部結(jié)焦，沖洗油沖洗不暢，導(dǎo)致沖洗油無法將動、靜環(huán)摩擦產(chǎn)生的熱量全部帶走，動靜環(huán)溫度過高，加快了動靜環(huán)的磨損速度，降低了機械密封運行壽命。

2.3 O形圈運行狀況評估

機械密封與介質(zhì)接觸部位為全氟醚O形圈，耐介質(zhì)性能好，通過對拆下的O形圈仔細檢查，沒有發(fā)現(xiàn)溶脹、損傷情況，沒有損傷，不會產(chǎn)生泄漏。

由此可見，造成機械密封失效泄漏的主要原因是接觸式機械密封摩擦熱大，溫升高，沖洗不暢，導(dǎo)致封油側(cè)密封端面結(jié)焦，端面打開，從而引起密封腔體壓力下降，介質(zhì)側(cè)密封油氣壓差減小，密封承受反壓，端面閉合力減小，最終造成端面分開，泄漏增大。因此在丁二烯螺桿壓縮機上采用接觸式機械密封是難以實現(xiàn)長周期低泄漏甚至無泄漏運行的。

3 軸封國產(chǎn)化改造

經(jīng)過對國內(nèi)多家密封件制造廠家的技術(shù)咨詢、對比，避免以上問題再次影響軸端密封的使用效果，最終我們選定了山東東營海森密封技術(shù)有限責(zé)任公司的改造建議。

3.1 機械密封改造為新型油膜非接觸式機械密封

針對丁二烯螺桿壓縮機原接觸式機械密封存在的問題，最終采用油膜潤滑非接觸式機械密封，即在密封端面開設(shè)流體動壓槽，保證密封端面非接觸式運轉(zhuǎn)，其端面槽型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 交叉槽端面結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)機械密封的動環(huán)高速旋轉(zhuǎn)時，動環(huán)端面上的螺旋槽將外徑處的高壓沖洗油向下泵入密封端面間，沖洗油由外徑向中心流動，而密封壩節(jié)制沖洗油流向中心。于是液體被壓縮引起壓力升高，在槽根處形成高壓區(qū)，端面液膜壓力形成開啟力，將密封面推開，動靜環(huán)之間保持一個很小的間隙（3～5μm的油膜間隙）如圖6所示。

圖6 開槽式機械密封工作原理圖

在密封穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，開啟力與由作用在靜環(huán)背面的彈簧力和液體壓力形成的閉合力平衡，在動靜環(huán)之間形成穩(wěn)定厚度的液膜，改善端面潤滑狀況，動靜環(huán)實現(xiàn)非接觸運轉(zhuǎn)，如圖7所示。

圖7 油膜密封穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時閉合力等于開啟力

新型流體動壓螺旋槽由外徑側(cè)的吸油槽和內(nèi)徑側(cè)的上游泵送槽組成，兩者配合使用。一方面吸油槽可將封油有效導(dǎo)入密封端面，保證端面流體膜存在，另一方面上游泵送槽可將吸入的油泵送回去，保證封油不會泄漏。兩組槽的組合使用，保證在密封端面的流體膜形成微循環(huán)，增加流體膜剛度，增加流體膜抗干擾能力，特別是在機組振動較大、介質(zhì)比較臟的工況下機封能夠正常運行。

3.2 浮環(huán)密封改造為新型流體動壓石墨浮環(huán)密封

浮環(huán)密封磨損后泄漏量增大，密封部位壓力上升，大量介質(zhì)在密封部位有可能造成介質(zhì)自聚，加速密封失效，因此，提高浮環(huán)密封的密封能力，可對機械密封起保護作用。采用的流體動壓型石墨浮環(huán)（圖8）是在其內(nèi)圓柱密封面上開設(shè)出一列流體動壓槽，有反向泵送作用，一方面可降低介質(zhì)經(jīng)排出孔的泄漏量，減少物料損失，另一方面可有效阻止丁二烯侵入機械密封內(nèi)徑側(cè)，減緩丁二烯自聚的趨勢。借助流體動壓效應(yīng)可提高石墨浮環(huán)的浮動性，降低浮環(huán)與軸的摩擦磨損，相應(yīng)延長浮環(huán)和軸的使用壽命。

圖8 流體動壓碳石墨浮環(huán)

4 軸封試用效果

丁二烯螺桿壓縮機軸端密封自2009年運行以來，泄漏量一直在200L/月(0．28 L/H)左右，最大泄漏量一度達到400L/月（0．56 L/H），封油泄漏嚴重導(dǎo)致被迫停車停產(chǎn)，嚴重影響裝置的正常運行。

在前期對方案反復(fù)進行論證的基礎(chǔ)之上，利用2015年裝置停工大修的機會，對軸端密封系統(tǒng)進行了改造。自2015年6月12日大修后開工至2018年3月12日機組已累計運行1003天（24072小時）。機封每小時泄漏量入口端為0．0151L/H；出口端為0．0054L/H，合計0．020L/H，滿足液膜機械密封密封端面動態(tài)泄漏量≤0．020L/H的技術(shù)要求。

5 結(jié)語

獨山子石化公司碳四裝置循環(huán)氣壓縮機此次軸封國產(chǎn)化改造目前達到了預(yù)期的效果，改造后的軸端密封已連續(xù)運行24000小時，每年降低設(shè)備檢修和維護費用390萬元。另外，每年因無需停工一周進行機組檢修，多生產(chǎn)丁二烯約4500噸，這兩項合計約增效1500萬元，更為重要的是減少了裝置開停工、檢修過程中可能引發(fā)的安全隱患和環(huán)境污染事故。

[1]獨山子丁二烯螺桿壓縮機密封改造方案．東營海森，2015．

[2]循環(huán)氣壓縮機18-K-1231操作維護說明．神戶制鋼，2009．