宋 彬

（蘭州石化公司設(shè)備維修公司，甘肅蘭州 730060）

0 引言

循環(huán)氫壓縮機(jī)作為40萬(wàn)t/a航煤加氫裝置的關(guān)鍵設(shè)備，采用上海德萊賽蘭壓縮機(jī)有限公司生產(chǎn)的8.5-2HHE-FB-1型壓縮機(jī)。壓縮機(jī)具體參如下：級(jí)數(shù)1級(jí)，介質(zhì)為氫氣，吸入壓力7.026 MPa，吸入溫度40℃，排出壓力9.19 MPa，排出溫度63.7℃，吸入流量20 620 m3/h，缸徑165 mm，軸功率232 kW。

填料泄漏是壓縮機(jī)的主要故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，壓縮機(jī)填料運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)為3個(gè)月，最短為1周。每次更換填料時(shí)，檢修人員都需要抽出活塞，拆卸出入口氣閥，為檢修工作帶來(lái)了繁重負(fù)擔(dān)。以此臺(tái)壓縮機(jī)填料泄漏故障為例，從填料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選用入手進(jìn)行分析，找到改進(jìn)方法，為壓縮機(jī)故障的分析與改進(jìn)積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 填料密封的結(jié)構(gòu)與工作原理（圖1）

壓縮機(jī)填料盒內(nèi)裝有7組填料密封，其中5組用來(lái)密封介質(zhì)氣體、2組用來(lái)密封氮?dú)?。填料密封組件由支撐環(huán)（材質(zhì)為黃銅）、切向密封環(huán)和徑向密封環(huán)（材質(zhì)均為填充聚四氟乙烯）組成（圖2）。氣缸內(nèi)泄漏的氫氣經(jīng)過(guò)各級(jí)填料密封環(huán)后逐級(jí)減壓，最后壓力降到一個(gè)較低值，從而保證只有少量氫氣可以泄漏進(jìn)入氮?dú)饷芊馇弧Ｔ诘獨(dú)饷芊馇粌?nèi)，氮?dú)饩哂幸欢▔毫Γ苡行Х乐箽錃饫^續(xù)泄漏、進(jìn)入大氣，從而達(dá)到較好密封效果。

在每一組填料中，填料對(duì)軸的抱緊力由彈簧產(chǎn)生的徑向彈力和氫氣產(chǎn)生的徑向壓力組成。徑向密封環(huán)和切向密封環(huán)是由填充聚四氟乙烯制成，這種材料有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和自潤(rùn)滑性能，被廣泛應(yīng)用于活塞式壓縮機(jī)密封填料。聚四氟乙烯常見(jiàn)填充物為石墨和碳纖維，調(diào)整填充物含量的百分比可以增加其硬度及耐磨性。但是填充聚四氟乙烯也有缺點(diǎn)，在高溫高壓下使用會(huì)出現(xiàn)冷流現(xiàn)象[1]。

圖1 填料密封組件裝配圖

圖2 填料密封組件（支撐環(huán)、徑向環(huán)和切向環(huán)）

2 填料密封失效原因分析

2.1 活塞桿磨損對(duì)填料密封的影響

活塞桿在拉壓交變載荷的作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，要求其與密封填料的接觸部分有較小的粗糙度、較高的表面硬度和尺寸精度。一般情況下，活塞桿表面粗糙度越大，其與密封填料的摩擦力就越大，單位時(shí)間內(nèi)的溫升越快，加速填料磨損。因?yàn)閴嚎s機(jī)介質(zhì)中常含有腐蝕性物質(zhì)，會(huì)對(duì)活塞桿造成一定的腐蝕，在表面形成凹坑或裂紋等缺陷，加速活塞桿磨損。檢修中，檢修人員發(fā)現(xiàn)活塞桿磨損嚴(yán)重，磨損最嚴(yán)重處直徑55 mm，未磨損處直徑57.4 mm，磨損量2.4 mm。為了判斷活塞桿能否繼續(xù)使用，可以假設(shè)填料未經(jīng)磨損，填料密封與活塞桿處的間隙全部由活塞桿磨損凹陷造成，由密封元件軸向間隙泄漏量計(jì)算公式[2]（1）可知：

式中δ——密封元件內(nèi)表面與活塞桿間的徑向間隙，cm

d——活塞桿直徑，cm

ΔP——密封元件前后氣體壓力差，kg/cm2

μ——?dú)怏w動(dòng)力黏性系數(shù)，kg·s/cm2

l——密封元件長(zhǎng)度，cm

由式（1）可知，氣體泄漏量V與間隙δ的3次方成正比關(guān)系，δ是影響氣體泄漏的主要因素，間隙過(guò)大會(huì)造成氣體泄漏量超標(biāo)。由美國(guó)石油學(xué)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可知，氣體泄漏量已經(jīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值1.5×10-5cm3/s，對(duì)壓縮機(jī)活塞桿應(yīng)予以更換。

2.2 多變載荷對(duì)填料密封的影響

壓縮機(jī)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)脈動(dòng)氣流，在密封填料上產(chǎn)生較大的軸向力與徑向力，影響填料壽命。在各組填料中，第一組填料受到的載荷最大，溫度升高也最快，最容易遭到損壞。當(dāng)?shù)谝唤M填料失效后，第二組填料會(huì)因載荷變大，溫度升高而逐漸失效。在拆檢中，檢修人員發(fā)現(xiàn)靠近氣缸端的填料很多出現(xiàn)冷流現(xiàn)象，損壞最嚴(yán)重。

2.3 冷卻水對(duì)填料密封的影響

填充聚四氟乙烯線性膨脹系數(shù)[3]較大，受熱易出現(xiàn)塑性變形。拆檢中，檢修人員發(fā)現(xiàn)填料盒之間的O形圈存在嚴(yán)重老化開(kāi)裂，造成高壓氣體竄入水線內(nèi)，使冷卻水無(wú)法快速流動(dòng)，致使填料盒溫度快速升高，填料密封組件快速損壞。

通過(guò)以上分析可知，造成循環(huán)氫壓縮機(jī)填料頻繁泄漏的主要原因是：①活塞桿硬度不夠、易于磨損，造成填料密封泄漏；②填料密封在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在缺陷，造成填料密封泄漏；③填料盒冷卻水線不通，致使填料溫度過(guò)高而損壞。

3 應(yīng)對(duì)措施及改進(jìn)辦法

3.1 通過(guò)激光淬火技術(shù)提高活塞桿表面硬度及性能

活塞桿作為壓縮機(jī)的主要受力元件，要求其具備良好的綜合力學(xué)性能，尤其需要良好的耐磨性，保證活塞桿與填料之間接觸良好。本壓縮機(jī)活塞桿材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，通過(guò)激光淬火技術(shù)可提高活塞桿表面硬度。這種瞬間完成的激光淬火[4]可以使活塞桿表面獲得很高的硬度（最高可達(dá)60 HRC），硬化層非常均勻，并且保證其內(nèi)部機(jī)械性能不變，克服活塞桿變形和表面硬化層不均勻等問(wèn)題，所以是活塞桿表面硬化的優(yōu)良方法（圖3）。

3.2 重新設(shè)計(jì)填料組件

3.2.1 節(jié)流環(huán)設(shè)計(jì)

檢修人員發(fā)現(xiàn)靠近高壓側(cè)的填料密封環(huán)最容易發(fā)生損壞，因?yàn)榇颂幍奶盍纤茌d荷最大。為解決此問(wèn)題，在不改變填料盒結(jié)構(gòu)的前提下，可以將靠近高壓端的一組填料密封環(huán)改為節(jié)流環(huán)。節(jié)流環(huán)采用整體結(jié)構(gòu)，材質(zhì)選用黃銅（圖4）。此次改造使用改進(jìn)后的節(jié)流環(huán)，在高壓氣體通過(guò)部分設(shè)計(jì)有膨脹室，通過(guò)高壓氣體逐級(jí)膨脹和節(jié)流，達(dá)到減壓效果。氣體壓力降低后，會(huì)改善第一組填料密封環(huán)的工作條件，從而延長(zhǎng)其使用壽命，防止填料密封出現(xiàn)逐級(jí)失效的情況。黃銅制作的節(jié)流環(huán)可以將熱量迅速傳遞給填料盒，提高填料密封組件的散熱性能，從而克服原填料密封盒冷卻水線路較短的缺陷。改進(jìn)后的節(jié)流環(huán)擁有更大的膨脹室，能顯著提高節(jié)流效果。

圖3 激光淬火技術(shù)處理活塞桿

圖4 節(jié)流環(huán)設(shè)計(jì)

節(jié)流環(huán)裝配效果如圖5所示。通過(guò)觀察可知，在同樣大小的填料盒內(nèi)，改進(jìn)后的節(jié)流環(huán)可以形成3個(gè)膨脹室，并且兩邊的膨脹室體積也較大。在氣體膨脹的過(guò)程中，氣體量n不變，溫度T不變，R為常數(shù)。根據(jù)氣體狀態(tài)方程[5]PV=nRT推導(dǎo)，可知。即高壓氣體的體積膨脹為原來(lái)的2倍，壓強(qiáng)就變?yōu)榱嗽瓉?lái)的1/2。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的節(jié)流環(huán)膨脹室體積為V1≈3.2 cm3，改進(jìn)后的節(jié)流環(huán)膨脹室體積為V2≈11.86 cm3，約為原來(lái)的4倍。由此可知，改進(jìn)后的節(jié)流環(huán)中，高壓氣體經(jīng)過(guò)3次膨脹降壓可使壓力保持在一個(gè)相對(duì)較小的數(shù)值上，從而為后面幾組填料密封的長(zhǎng)周期運(yùn)行提供保障。

圖5 節(jié)流環(huán)裝配圖（局部）

3.2.2 密封環(huán)設(shè)計(jì)

填料密封組件中支撐環(huán)、切向密封環(huán)和徑向密封環(huán)依然采用原來(lái)的結(jié)構(gòu)形式。其中，支撐環(huán)材料選用黃銅，便于導(dǎo)熱且易于加工；徑向密封環(huán)和切向密封環(huán)材料則改為進(jìn)口PEEK（Polyether-ether-ketone，聚醚醚酮）材料。在原填料密封組件中，由填充聚四氟乙烯制成的切向密封環(huán)和徑向密封環(huán)容易在高溫高壓下出現(xiàn)冷流變形，造成密封環(huán)失效。為了解決此問(wèn)題，將密封環(huán)的材料改為進(jìn)口PEEK材料。PEEK材料比填充聚四氟乙烯有更好的機(jī)械性能和耐磨性，最高耐熱溫度可達(dá)300℃，可以在溫度較高的情況下使用，有效解決了冷流問(wèn)題。并且當(dāng)填料盒冷卻水出現(xiàn)故障時(shí)，填料依然可以正常工作。

新設(shè)計(jì)的密封組件在填料盒中應(yīng)該留有一定的徑向間隙和軸向間隙，以保證其可以在填料盒中自由浮動(dòng)，防止密封環(huán)被卡死。通過(guò)查閱資料可知，聚四氟乙烯的熱膨脹（與材料成型壓力方向垂直）系數(shù)αt=1.7×10-4℃-1，與PEEK的熱膨脹（與材料成型壓力方向垂直）系數(shù)αt=4.7×10-5℃-1不同，所以需要重新計(jì)算并設(shè)計(jì)密封環(huán)的尺寸。

密封環(huán)與填料盒的徑向間隙f[6]的計(jì)算見(jiàn)式（2）。

式中f——周向間隙，mm

d——密封圈內(nèi)外徑之差，mm

αt——與材料成型壓力方向垂直的熱膨脹系數(shù)，℃-1

Δt——操作前后的最大溫升，℃

0.5%d——熱膨脹和磨損補(bǔ)償以外的開(kāi)口安全量，mm

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，f=（5.5-6）%d≈5.5%×28.8≈1.58 mm。

考慮到用理論方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，所選用的熱膨脹系數(shù)αt往往與實(shí)際情況存在誤差，所以可以將以上2種方法所得數(shù)值求平均值，得f=（0.77+1.58）/2≈1.18 mm，以保證徑向間隙的準(zhǔn)確性。

密封環(huán)與填料盒的軸向間隙K計(jì)算：

式中K——軸向間隙，mm

B——密封環(huán)及節(jié)流環(huán)厚度，mm

αt——與材料成型壓力方向垂直的熱膨脹系數(shù)，℃-1

Δt——操作前后的最大溫升，℃

1%b——熱膨脹后需保留的氣體通道間隙，mm

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得 K=（2.5-3）%×b≈3%×15≈0.45 mm。

考慮到在使用理論方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，所選用的熱膨脹系數(shù)αt往往與實(shí)際情況存在誤差，所以可以將以上2種方法所得數(shù)值取平均值運(yùn)算，可得f=（0.25+0.45）/2≈0.35 mm，以保證軸向間隙的準(zhǔn)確性。

根據(jù)以上計(jì)算，將填料環(huán)組件（支撐環(huán)、切向密封環(huán)和徑向密封環(huán)）的外徑定為Φ86.2 mm，內(nèi)徑定為Φ57.4 mm，厚度定為15 mm，結(jié)構(gòu)和其他尺寸保持不變。改造后填料密封組件裝配如圖6所示。

3.3 對(duì)填料盒內(nèi)冷卻水線進(jìn)行疏通和維修

圖6 改進(jìn)后填料密封組件裝配圖

由于活塞桿與填料密封環(huán)之間存在往復(fù)運(yùn)動(dòng)，摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，使填料密封耐磨性等顯著下降，使其壽命大大降低。為解決此問(wèn)題，必須保證填料盒的水冷效果。為此，檢修人員認(rèn)真清洗并疏通了冷卻水通道，并更換了各個(gè)填料盒水道之間的橡膠圈，防止高壓氣體竄入水線，確保冷卻水暢通。

4 總結(jié)

對(duì)循環(huán)氫壓縮機(jī)活塞桿及填料密封組件的改造，使其壽命較大提高，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到工藝要求。解決了因填料頻繁泄漏造成的機(jī)組經(jīng)常性停車(chē)檢修等問(wèn)題，緩解檢修壓力，創(chuàng)造較好經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)此次壓縮機(jī)故障分析和技術(shù)改進(jìn)，加深了對(duì)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，提高了故障分析能力，為壓縮機(jī)檢維修積累了經(jīng)驗(yàn)。