沈登海，劉小明，王澤平，張 聰，曹 磊

(1. 中國(guó)石油西部管道公司，新疆 烏魯木齊 830011； 2. 四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,四川 成都 610045; 3. 四川日機(jī)密封件股份有限公司，四川 成都 610045)

國(guó)內(nèi)管道行業(yè)起步晚、發(fā)展快、國(guó)產(chǎn)化率低，關(guān)鍵設(shè)備均為全套進(jìn)口。目前已建成的天然氣管道有西氣東輸一線、二線、三線,榆濟(jì)管道,陜京管道，川氣東送等主管道。其壓縮機(jī)主要由GE、RR、Man Trubo、Dresser-Rand、Siemens等企業(yè)提供，隨機(jī)配帶EBI(德)、John.Crane(美)、Flowserve(美)等供應(yīng)商提供的干氣密封產(chǎn)品【1】。隨著機(jī)組的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，干氣密封備件昂貴、維修周期長(zhǎng)、售后服務(wù)不及時(shí)等問(wèn)題日益突出。管道天然氣壓縮機(jī)干氣密封運(yùn)行條件苛刻，主要表現(xiàn)為：

1) 密封軸徑大，通常在φ180 mm左右；

2) 密封工作壓力高，通常為8～10 MPa；

3) 受上游來(lái)氣和下游調(diào)峰的影響，運(yùn)行工況變化大；

4) 管道天然氣壓縮機(jī)一般按照1開1備、2開1備或3開1備配置，機(jī)組啟停頻繁；

5) 現(xiàn)場(chǎng)無(wú)氮?dú)鈿庠矗?/p>

6) 遠(yuǎn)離城市甚至設(shè)置在無(wú)人區(qū)，機(jī)組檢修困難等。

因此要求干氣密封具有極高的穩(wěn)定性、可靠性。而國(guó)內(nèi)尚無(wú)此產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化的應(yīng)用業(yè)績(jī)。2015年，由中國(guó)石油西部管道公司聯(lián)合國(guó)內(nèi)密封廠家對(duì)西部管道天然氣壓縮機(jī)GE機(jī)組PCL800機(jī)型干氣密封開展國(guó)產(chǎn)化備件的研制工作。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件

整個(gè)西部管道天然氣壓縮機(jī)中，GE提供的PCL800系列壓縮機(jī)占比最大，其絕大部分配置的是由EBI(德)提供的干氣密封產(chǎn)品。因此，本次以GE機(jī)組的干氣密封作為國(guó)產(chǎn)化研制的對(duì)象。

1.1 天然氣組分

中石油西部管道公司4種天然氣組分見表1。

1.2 管道壓縮機(jī)組操作條件

壓縮機(jī)操作條件見表2。

1.3 密封設(shè)計(jì)參數(shù)

干氣密封設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

1.4 泄漏量指標(biāo)

密封端面泄漏量指標(biāo)見表4。

表1 天然氣組分 mol，%

表2 壓縮機(jī)操作條件

表3 干氣密封設(shè)計(jì)參數(shù)

表4 干氣密封泄漏量指標(biāo)

2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管道天然氣壓縮機(jī)輸送的介質(zhì)為易燃、易爆的天然氣，不允許大量天然氣泄漏至大氣環(huán)境中，也不允許外部的氣體或者潤(rùn)滑油泄漏至壓縮機(jī)組內(nèi)，同時(shí)密封的設(shè)計(jì)壓力高達(dá)15.0 MPa(文中壓力均指表壓)，因此選擇安全性和可靠性最高的帶中間迷宮串聯(lián)式干氣密封。圖1所示為密封結(jié)構(gòu)剖面，該密封采用多彈簧、靜止式、平衡型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、軸套、彈簧座、推環(huán)、彈簧、彈簧蓄能密封圈等零部件。密封采用兩級(jí)密封串級(jí)布置，一級(jí)密封為主密封，二級(jí)密封為安全密封；當(dāng)一級(jí)密封失效時(shí)，二級(jí)密封可承受全部壓力，避免介質(zhì)大量外漏，確保機(jī)組安全停機(jī)。

1—軸套彈簧蓄能密封圈；2—?jiǎng)迎h(huán)彈簧蓄能密封圈；3—?jiǎng)迎h(huán)；4—靜環(huán)；5—腔體彈簧蓄能密封圈;6—介質(zhì)側(cè)彈簧座；7—彈簧;8—連接座；9—大氣側(cè)彈簧座；10—推環(huán)；11—壓緊套；12—?jiǎng)迎h(huán)座；13—推環(huán)彈簧蓄能密封圈；14—軸套

圖2所示為動(dòng)環(huán)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用軸套與動(dòng)環(huán)外圓銑制異形凸耳結(jié)構(gòu)傳動(dòng)，應(yīng)力小、傳動(dòng)可靠。動(dòng)環(huán)外圓采用金屬包圍結(jié)構(gòu)，可有效防止動(dòng)環(huán)意外碎裂后碎塊再脫出對(duì)機(jī)組產(chǎn)生的二次損害。圖3所示為靜環(huán)防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用靜環(huán)與彈簧座銑制實(shí)體凸耳防轉(zhuǎn)，受力均勻。

圖2 動(dòng)環(huán)傳動(dòng)凸耳實(shí)物

圖3 靜環(huán)防轉(zhuǎn)凸耳實(shí)物

2.2 槽型選擇

干氣密封有單向旋轉(zhuǎn)(單向槽)和雙向旋轉(zhuǎn)(雙向槽)兩種槽形可供選擇。單向槽優(yōu)點(diǎn)是具有更大的氣膜剛度、更強(qiáng)的抗干擾能力、更低的開啟轉(zhuǎn)速以及更廣的適用范圍，尤其適合機(jī)組頻繁啟停的工況；其缺點(diǎn)是泄漏量稍大且不允許反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因密封端面無(wú)法脫開而造成密封失效。雙向槽突出優(yōu)點(diǎn)是具有更低的泄漏量以及允許反轉(zhuǎn)，特別適用于機(jī)組會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)的運(yùn)行工況【2】；其缺點(diǎn)是氣膜剛度較低、厚度較薄，在極端工況下的抗干擾能力較弱。

管道天然氣壓縮機(jī)由于出口止回閥距離壓縮機(jī)近，返回線距離短，系統(tǒng)易平衡，基本不存在反轉(zhuǎn)運(yùn)行的可能性。同時(shí)考慮到機(jī)組啟停頻繁以及實(shí)際運(yùn)行中機(jī)組工況變化較大的問(wèn)題，為保證機(jī)組長(zhǎng)周期可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，本項(xiàng)目?jī)?yōu)先采用單向旋轉(zhuǎn)的螺旋槽。

2.3 動(dòng)、靜環(huán)材料選擇

干氣密封動(dòng)環(huán)屬于高速旋轉(zhuǎn)部件，應(yīng)選擇強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、彈性模量高的材料。無(wú)壓燒結(jié)碳化硅材料具有抗彎強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、彈性模量高、質(zhì)量輕、耐腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，其推薦的線速度使用范圍為≤180 m/s，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的干氣密封最大的線速度僅為87.15 m/s，因此完全滿足使用要求。

石墨材料強(qiáng)度較低、自身材質(zhì)不均勻，且高壓下變形難以控制。相對(duì)石墨材料而言，碳化硅具有更高的強(qiáng)度和彈性模量，可有效減小靜環(huán)在高壓下的變形。本項(xiàng)目干氣密封的設(shè)計(jì)壓力高達(dá)15 MPa，因此采用碳化硅作為靜環(huán)材料。在碳化硅表面噴涂DLC【3】(Diamond Like Carbon)涂層，可以使靜環(huán)端面具有良好的耐磨性和極低的摩擦系數(shù)，避免干氣密封在極端情況下可能存在的短暫接觸摩擦對(duì)靜環(huán)造成損傷。這種硬對(duì)硬的摩擦副設(shè)計(jì)已在高壓密封中被廣泛采用【4】。碳化硅材料性能詳見表5。

2.4 金屬材料

在高壓下，金屬結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度及變形會(huì)影響密封運(yùn)行的穩(wěn)定性和運(yùn)行精度。考慮到密封轉(zhuǎn)動(dòng)件既要承受介質(zhì)高壓，又要承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，因此旋轉(zhuǎn)部件采用強(qiáng)度更高的馬氏體沉淀硬化不銹鋼17-4PH，而靜止金屬結(jié)構(gòu)件只承受介質(zhì)壓力，因此采用鐵素體不銹鋼1Cr13。兩種材料均在離心壓縮機(jī)干氣密封中有著非常成熟的應(yīng)用。

表5 碳化硅材料性能參數(shù)【5】

2.5 推環(huán)密封圈的設(shè)計(jì)

保證動(dòng)、靜環(huán)之間良好的追隨性是密封實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件，即在運(yùn)行過(guò)程中，密封靜環(huán)必須具有良好的浮動(dòng)性。圖4所示的副密封組件主要是由滑動(dòng)密封圈和推環(huán)組成的系統(tǒng)。推環(huán)與彈簧座之間設(shè)置了滑動(dòng)密封圈，其作用是阻止高壓氣體通過(guò)推環(huán)與彈簧座之間的間隙泄漏。推環(huán)滑移表面的粗糙度越大，其摩擦系數(shù)也就越大。高壓下產(chǎn)生的較大摩擦力會(huì)影響推環(huán)的浮動(dòng)性，同時(shí)也會(huì)加速密封圈的磨損。本設(shè)計(jì)推環(huán)密封圈外部夾套材料中填充玻纖，增強(qiáng)了密封圈的強(qiáng)度和耐磨性，其摩擦系數(shù)僅為0.05～0.10【6】；推環(huán)的滑移表面噴涂硬質(zhì)合金涂層，硬度可達(dá)到HV1 050～1 150；采用高精度拋光處理技術(shù)，將表面粗糙度降低至0.025 μm，在提升推環(huán)浮動(dòng)性的同時(shí)也增強(qiáng)了滑動(dòng)密封圈的耐磨性。

圖4 副密封組件示意

3 密封設(shè)計(jì)計(jì)算

圖5(a)為動(dòng)、靜環(huán)結(jié)構(gòu)示意。端面尺寸為靜環(huán)外徑Ro和內(nèi)徑Ri之間的區(qū)域。動(dòng)、靜環(huán)之間Ri～Ro區(qū)域均為氣膜區(qū)，各參數(shù)說(shuō)明如表6所示。

圖5 密封環(huán)幾何結(jié)構(gòu)

初步設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)見表7。

由表7數(shù)據(jù)可得：

彈簧力：F=13.8×12=165.6 N(單顆彈簧在密封正常工作時(shí)的彈力為13.8 N，共有12根彈簧)

載荷系數(shù)：

密封端面槽形參數(shù)見表8。

采用干氣密封計(jì)算軟件對(duì)密封進(jìn)行計(jì)算分析?？紤]到密封實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用壓縮空氣進(jìn)行測(cè)試，因此計(jì)算介質(zhì)采用空氣，輸入計(jì)算參數(shù)如下：

表6 端面設(shè)計(jì)參數(shù)

表7 動(dòng)、靜環(huán)設(shè)計(jì)參數(shù)

表8 槽型參數(shù)

介質(zhì)：空氣；轉(zhuǎn)速N=8 725 r/min；溫度To=70 ℃；壓力Po=15 MPa；介質(zhì)粘度μ=2.37×10-5Pa·s；介質(zhì)密度ρ=1.579 kg/m3。

如圖6所示，密封端面的壓力分布沿密封端面外徑處向內(nèi)徑方向呈遞減趨勢(shì)，靠近密封端面外徑的開槽區(qū)壓力遞減較靠近密封端面內(nèi)壩區(qū)壓力遞減緩慢。如圖7所示，密封端面溫度沿內(nèi)徑到外徑方向先小幅升高后迅速下降，最高溫度位于密封壩中部位置，約為78.8 ℃，最低溫度位于端面外徑位置，為76.3 ℃。圖8所示為端面徑向氣膜厚度分布曲線。由圖8可見，密封端面氣膜厚度沿外徑向內(nèi)徑方向呈逐漸減小趨勢(shì)，端面內(nèi)徑處膜厚為2.50 μm，外徑處膜厚為4.00 μm，密封端面完全呈非接觸狀態(tài)，說(shuō)明密封端面軸向壓力分布均勻，氣膜狀態(tài)良好。

圖6 端面徑向壓力分布

圖7 端面徑向溫度分布

圖8 端面徑向膜厚分布

表9為密封計(jì)算結(jié)果。由表9可知，密封端面泄漏率(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為14.4 m3/h，滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明密封設(shè)計(jì)合理。

4 模擬測(cè)試

4.1 試驗(yàn)程序

4.1.1 靜壓試驗(yàn)

將一級(jí)密封氣加壓到密封最大靜態(tài)設(shè)計(jì)壓力15.0 MPa，穩(wěn)壓維持至少10 min,觀察泄漏量是否穩(wěn)定，然后減小該壓力到規(guī)定的最大靜態(tài)密封氣體壓力的75%(11.25 MPa)、50%(7.5 MPa)和25%(3.75 MPa)，每個(gè)壓力分別維持至少5 min，測(cè)量一級(jí)密封不同壓力下的靜態(tài)泄漏量。

表9 密封計(jì)算結(jié)果

將一級(jí)密封氣壓力和二級(jí)密封氣壓力同時(shí)加壓至15.0 MPa，穩(wěn)壓維持至少10 min，觀察泄漏量是否穩(wěn)定，然后減小該壓力到規(guī)定的最大靜態(tài)密封氣體壓力的75%(11.25 MPa)、50%(7.5 MPa)和25%(3.75 MPa)，每個(gè)壓力分別維持至少5 min，測(cè)量二級(jí)密封不同壓力下的靜態(tài)泄漏量。

4.1.2 動(dòng)壓試驗(yàn)

調(diào)整一級(jí)密封氣壓力至最大動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)壓力15.0 MPa，一級(jí)泄漏背壓維持正常值0.15 MPa，升速至6 405 r/min運(yùn)行15 min，然后將轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大到跳閘轉(zhuǎn)速6 725 r/min再運(yùn)轉(zhuǎn)15 min。

維持壓力不變，將轉(zhuǎn)速降低到最大連續(xù)轉(zhuǎn)速6 405 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)60 min，測(cè)量一級(jí)密封動(dòng)態(tài)泄漏量，然后調(diào)整二級(jí)密封壓力至最大動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)壓力15.0 MPa，運(yùn)行15 min，測(cè)量二級(jí)密封動(dòng)態(tài)泄漏量。

4.1.3 300次啟停試驗(yàn)

保持一級(jí)密封壓力為15.0 MPa、 二級(jí)密封壓力0.15 MPa， 進(jìn)行連續(xù)300次啟停試驗(yàn)， 要求轉(zhuǎn)速快速升至跳閘轉(zhuǎn)速6 725 r/min， 然后快速降至0。

4.1.4 變壓、變速試驗(yàn)

調(diào)整一級(jí)密封氣壓力至8.4 MPa，將轉(zhuǎn)速分別升至1 700、3 965、4 270、4 880、5 490、6 100、6 405 和6 725 r/min，一級(jí)泄漏背壓穩(wěn)定至0.06 MPa，每個(gè)轉(zhuǎn)速保持5 min。然后調(diào)整一級(jí)密封氣壓力至15.0 MPa，再次將轉(zhuǎn)速分別升至上述數(shù)值，一級(jí)泄漏背壓穩(wěn)定至0.06 MPa，每個(gè)轉(zhuǎn)速維持5min。

4.2 典型試驗(yàn)曲線和照片

4.2.1 300次全壓?jiǎn)⑼Ｔ囼?yàn)曲線

圖9所示為300次全壓?jiǎn)⑼Ｔ囼?yàn)曲線。由圖9 可見：密封最大泄漏量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為10.2 m3/h且保持穩(wěn)定。

4.2.2 變工況試驗(yàn)

圖10為一級(jí)密封變工況(變壓、變轉(zhuǎn)速)測(cè)試曲線。圖10顯示：試驗(yàn)過(guò)程中，密封運(yùn)行參數(shù)平穩(wěn)，密封泄漏量隨轉(zhuǎn)速和泄漏量的增大而增大。

圖9 300次全壓?jiǎn)⑼Ｔ囼?yàn)曲線

圖11～圖14為測(cè)試后兩級(jí)密封的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)端面照片。由圖11～圖14可見：端面無(wú)接觸痕跡。

圖11 測(cè)試后的二級(jí)動(dòng)環(huán)端面

圖12 測(cè)試后的二級(jí)靜環(huán)端面

4.3 泄漏量指標(biāo)

表10為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表10可知：在轉(zhuǎn)速為0、一級(jí)壓力為15.0 MPa的條件下，一級(jí)密封密封靜態(tài)泄漏量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為1.12 m3/h；轉(zhuǎn)速為6 405 r/min、一級(jí)壓力為15.0 MPa的條件下，密封動(dòng)態(tài)泄漏量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為10.2 m3/h，均滿足表4要求的技術(shù)指標(biāo)，且密封計(jì)算泄漏量與實(shí)際泄漏量差距較小。

圖13 測(cè)試后的一級(jí)動(dòng)環(huán)端面

圖14 測(cè)試后的一級(jí)靜環(huán)端面

5 結(jié)語(yǔ)

管道天然氣壓縮機(jī)干氣密封國(guó)產(chǎn)化是未來(lái)管線運(yùn)行的必然趨勢(shì)。本文介紹了GE機(jī)組PCL800機(jī)型干氣密封國(guó)產(chǎn)化研制的主要過(guò)程。目前， 該項(xiàng)目研制的密封樣機(jī)已在西部管道某站點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)4 000 h， 其間經(jīng)歷多次啟停， 密封性能穩(wěn)定， 運(yùn)行效果良好， 達(dá)到了規(guī)定的設(shè)計(jì)要求。

本次管道天然氣壓縮機(jī)干氣密封的國(guó)產(chǎn)化研制，為西部管道其他機(jī)組的干氣密封國(guó)產(chǎn)化工作奠定了良好的基礎(chǔ)，也將推動(dòng)管線天然氣壓縮機(jī)的國(guó)產(chǎn)化工作進(jìn)程。

表10 試驗(yàn)數(shù)據(jù)