任寶杰，郝木明，殷存志，丁康杰，尤杰毅

（1.東營海森密封技術(shù)有限責(zé)任公司，山東 東營 257000；2.中國石油大學(xué)（華東）密封技術(shù)研究所，山東 青島 266580；3.中油國際管道公司，北京 100029）

大型長輸管線電驅(qū)和燃驅(qū)壓縮機(jī)組是天然氣輸氣管線動(dòng)力供給場站中用于壓縮和輸送天然氣的關(guān)鍵核心設(shè)備，是我國重大裝備國產(chǎn)化領(lǐng)域突破重點(diǎn)之一。管線壓縮機(jī)干氣密封是長輸管線壓縮機(jī)組的主要重要組成部分，其作用是有效隔離壓縮機(jī)腔內(nèi)的介質(zhì)腔與軸承腔，防止機(jī)內(nèi)易燃易爆危險(xiǎn)性的天然氣向環(huán)境泄漏，確保長輸管線壓縮機(jī)組的安全、高效、長周期穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。

管線壓縮機(jī)干氣密封的特點(diǎn)：軸徑大，一般在180 mm 左右；壓力高，管道設(shè)計(jì)壓力一般為12 MPa，工作壓力一般在8 MPa 左右；可靠性要求高，供給場站大多處在人跡稀少、地理位置偏遠(yuǎn)的地方，一旦干氣密封失效，及時(shí)有效的現(xiàn)場服務(wù)比較困難。因此要求配套干氣密封具備極高的密封性、可靠性，大部分干氣密封配套均為國外知名公司所控制，國內(nèi)只有極個(gè)別的企業(yè)進(jìn)行國產(chǎn)化研制[3-6]。本文對(duì)海森密封公司成功研制并經(jīng)過現(xiàn)場使用考核的天然氣長輸管線壓縮機(jī)干氣密封進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，更好地服務(wù)于相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)提升。

1 工程設(shè)計(jì)條件

管線壓縮機(jī)主要由GE、RR、Man Trubo、Siemens 等企業(yè)提供，隨機(jī)配帶 EBI（德國）、John Crane（美國）、Flowserve（美國）等供應(yīng)商提供的干氣密封產(chǎn)品。本文以典型的天然氣干線壓縮機(jī)組密封為研制對(duì)象。

1.1 密封設(shè)計(jì)參數(shù)

干線管線壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)基本類似，本文選擇的設(shè)計(jì)密封為典型參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Estimation of seal chamber pressure

1.2 泄漏量要求

一級(jí)和二級(jí)密封泄漏量按照J(rèn)B/T 11289—2012《干氣密封技術(shù)條件》要求，但二級(jí)泄漏氣與隔離氣混合后不得高于介質(zhì)爆炸極限。

2 理論計(jì)算與優(yōu)化

壓縮機(jī)干氣密封的核心部件是由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成的摩擦副。在密封摩擦副中存在多個(gè)物理過程：密封動(dòng)環(huán)的熱變形和力變形、密封靜環(huán)的熱變形和力變形、密封動(dòng)環(huán)的熱傳導(dǎo)、密封靜環(huán)的熱傳導(dǎo)、密封面淺槽的流體動(dòng)壓效應(yīng)和流體靜壓效應(yīng)、密封界面的摩擦學(xué)效應(yīng)以及密封補(bǔ)償環(huán)——靜環(huán)的軸向力平衡等。

為保證機(jī)組長周期可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，優(yōu)先采用氣膜剛度大、泄漏量小的海森等深雙曲線槽，本文采用了ANSYS Workbench 商業(yè)軟件和基于Matlab 自主開發(fā)流場計(jì)算軟件[7]對(duì)一級(jí)主密封端面壓力及分布、溫度分布、熱力變形等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析并優(yōu)化得到最終結(jié)構(gòu)參數(shù)。

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，開槽區(qū)有明顯增壓現(xiàn)象。圖1所示為整個(gè)密封端面的壓力分布，圖2 為一個(gè)最小端面周期壓力分布情況。平衡膜厚為4.3 μm，計(jì)算泄漏量為3.71 Nm3/h，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 密封端面壓力分布Fig.1 Pressure distribution of DGS face

圖2 密封端面一個(gè)計(jì)算周期壓力分布Fig.2 Pressure distribution of DGS periodic boundary face

溫度場分布和熱力變形計(jì)算采用2D 軸對(duì)稱模型。設(shè)置環(huán)境溫度；動(dòng)靜環(huán)外徑側(cè)氣流流過的表面按照經(jīng)驗(yàn)公式給定對(duì)流換熱系數(shù)，氣流通過微乎其微的邊界面對(duì)流換熱系數(shù)稍大于0，幾乎無對(duì)流換熱面取絕熱；端面外徑至內(nèi)徑處平均分布摩擦熱通量，耦合邊界條件；內(nèi)徑處考慮氣體膨脹吸熱。溫度場計(jì)算結(jié)果見圖3，密封端面溫度沿外徑到內(nèi)徑方向先小幅升高后下降，接近內(nèi)徑處迅速降低，最高溫度位于密封槽區(qū)中部位置，約為82.9 ℃，最低溫度位于端面內(nèi)徑位置，為80.9 ℃，整個(gè)端面溫度分布較為均衡。熱力變形結(jié)果見圖4，圖中顯示了動(dòng)靜環(huán)軸向位移情況，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)在溫度和壓力共同作用下，配合處變形趨勢一致、數(shù)值相差無幾，內(nèi)外徑軸向位移偏差小于0.5 μm，即變形后仍能保證端面近似平行間隙，表明摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠完全滿足工況參數(shù)下使用要求。

圖3 密封溫度場分布Fig.3 Temperature distribution of DGS ring

圖4 摩擦副熱力變形Fig.4 Heat and force deflection of DGS ring

3 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

密封采用不帶迷宮的串聯(lián)式布置，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)。圖5 給出了密封具體結(jié)構(gòu)，該密封采用高壓型、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、彈簧加載圈等關(guān)鍵部件。

圖5 密封結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure for DGS

3.1 動(dòng)靜環(huán)設(shè)計(jì)

動(dòng)環(huán)采用無壓燒結(jié)碳化硅材質(zhì)，硬度和剛度高、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性好。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用銷傳動(dòng)，銷孔應(yīng)力集中更小，整體強(qiáng)度更高、更可靠；外圓處的軸套護(hù)套對(duì)動(dòng)環(huán)起保護(hù)作用，安全性更高。端面淺槽加工檢測合格后的密封環(huán)進(jìn)行超速試驗(yàn)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為機(jī)組最大連續(xù)轉(zhuǎn)速的1.15 倍，其目的是檢測動(dòng)環(huán)的內(nèi)部缺陷和抗拉強(qiáng)度。

石墨材料強(qiáng)度和彈性模量較低，高壓下變形難以控制，因此采用碳化硅作為靜環(huán)材料，在碳化硅表面噴涂DLC 涂層，可以保證靜環(huán)端面良好的耐磨性和極低的摩擦系數(shù)，避免干氣密封在啟停過程等情況下可能存在的短暫接觸摩擦對(duì)靜環(huán)造成損傷。

3.2 輔助密封設(shè)計(jì)

輔助密封采用彈簧加載的聚合物密封圈，可以防止橡膠O 形圈密封在高壓工況下容易發(fā)生的因擠出變形而導(dǎo)致的補(bǔ)償環(huán)組件卡滯現(xiàn)象和快速降壓爆裂現(xiàn)象，故特別適合高壓工況。圖6所示的輔助密封組件主要是由主輔助密封圈、推環(huán)、合金套和次輔助密封等組成的系統(tǒng)，推環(huán)、合金套與主輔助密封形成主要密封通道，彈簧加載圈在此處存在輕微浮動(dòng)，配合面表面粗糙度越大，其摩擦系數(shù)也就越大，高壓下產(chǎn)生的較大摩擦力會(huì)影響彈簧加載圈的浮動(dòng)性，同時(shí)也會(huì)加速彈簧加載圈的磨損。因此將配合面設(shè)計(jì)為硬質(zhì)合金套，硬度可達(dá)到HV1150，合金套外表面采用高精度拋光處理技術(shù)，將表面粗糙度降低至0.025 μm，有效地保證了副密封的浮動(dòng)性和耐磨性。合金套與靜環(huán)座之間增設(shè)一道彈簧加載圈靜密封點(diǎn)，以防泄漏。

圖6 輔助密封結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure for pusher seal

3.3 其他部件設(shè)計(jì)

靜止組件主要采用退火熱處理后的S41010 馬氏體不銹鋼，彈簧采用哈C 合金材質(zhì)，錐形截面結(jié)構(gòu)，以助于保證彈簧在長期使用過程中的穩(wěn)定性。為了固定合金套和靜環(huán)座相對(duì)位置，彈簧座外側(cè)端面設(shè)置壓板壓緊合金套，壓板另一端與合金套窄臺(tái)硬接觸連接，達(dá)到定位目的。密封內(nèi)外彈簧座采用徑向銷釘連接，比進(jìn)口密封的軸向連接方式拆裝更方便。

旋轉(zhuǎn)組件采用強(qiáng)度更高的熱處理后沉淀硬化不銹鋼17-4PH 鍛件，既能承受介質(zhì)高壓，又能承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。配合處采用國外進(jìn)口波紋帶定心，對(duì)中效果更好，密封運(yùn)行更可靠。動(dòng)環(huán)組件軸向采用浮動(dòng)設(shè)計(jì)，自調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，適用工況范圍更寬。

4 性能測試

管線壓縮機(jī)干氣密封產(chǎn)品制造完成后，按照API617 和JB/T 11289 進(jìn)行了性能測試試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括靜壓試驗(yàn)、動(dòng)壓試驗(yàn)和確認(rèn)試驗(yàn)，除此之外，考慮到管線壓縮機(jī)特殊工況增加了啟停試 驗(yàn)。

4.1 靜壓試驗(yàn)程序

將一級(jí)密封氣加壓到密封最大靜態(tài)設(shè)計(jì)壓力的25%（3.13 MPa）、50%（6.25 MPa）、75%（9.38 MPa）、100%（12.5 MPa），每個(gè)壓力點(diǎn)穩(wěn)壓維持至少10 min，觀察并記錄泄漏量以及是否穩(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%、50%和25%，每個(gè)壓力點(diǎn)穩(wěn)壓維持至少10 min，測量一級(jí)密封不同壓力下的靜態(tài)泄漏量。將一級(jí)密封氣和二級(jí)密封氣重復(fù)上述步驟，觀察并記錄泄漏量以及是否穩(wěn)定。

4.2 動(dòng)壓試驗(yàn)程序

將一級(jí)密封氣壓力加壓到最大動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)壓力10.0 MPa，二級(jí)密封氣壓力加壓至0.05 MPa，升速至5 292 r/min，穩(wěn)定運(yùn)行15 min，觀察并記錄泄漏量；然后升速到5 821 r/min，穩(wěn)定運(yùn)行15 min，觀察并記錄泄漏量；將轉(zhuǎn)速降至5 292 r/min，穩(wěn)定運(yùn)行60 min，觀察并記錄泄漏量；將二級(jí)密封氣壓力調(diào)整至10.0 MPa，同時(shí)保證一級(jí)密封氣高于二級(jí)密封氣至少0.1 MPa，穩(wěn)定運(yùn)行15 min，觀察并記錄二級(jí)密封泄漏量。

4.3 啟停試驗(yàn)程序

將一級(jí)密封氣壓力保持在10.0 MPa，二級(jí)密封氣壓力保持在0.05 MPa，快速將轉(zhuǎn)速升至5 292 r/ min，穩(wěn)定運(yùn)行2 min，觀察并記錄泄漏量，快速將轉(zhuǎn)速降至0，停機(jī)2 min，觀察并記錄泄漏量；重復(fù)上述步驟50 次。

4.4 確認(rèn)試驗(yàn)程序

將試驗(yàn)完成后的密封產(chǎn)品進(jìn)行解體觀察，不做任何處理，重新組裝后上試驗(yàn)臺(tái)架重復(fù)靜壓試驗(yàn)程 序。

4.5 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

主要考核標(biāo)準(zhǔn)為密封泄漏量大?。ㄒ姳?）及其穩(wěn)定性，同時(shí)保證動(dòng)靜環(huán)端面沒有明顯摩擦痕 跡。

表2 試驗(yàn)泄漏量要求Tab.2 Test requirements of leakage

4.6 試驗(yàn)測試結(jié)果

表3 為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在轉(zhuǎn)速為0，一級(jí)密封氣壓力為12.5 MPa 的條件下，一級(jí)密封密封靜態(tài)泄漏量最大不超過1 Nm3/h；轉(zhuǎn)速為5 292 r/min，一級(jí)密封氣壓力為10.0 MPa 的條件下，一級(jí)密封密封靜態(tài)泄漏量在3.5～4.0 Nm3/h 之間，泄漏量穩(wěn)定且滿足表2 技術(shù)指標(biāo)要求，同時(shí)密封計(jì)算泄漏量與實(shí)際泄漏量差距較 小。

表3 試驗(yàn)測得的泄漏量Tab.3 Test leakage

圖7、圖8 為測試后的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)端面照片，可見端面無任何接觸痕跡，證明密封性能良好。圖9 為海森研制的天然氣管線壓縮機(jī)干氣密封客戶現(xiàn)場。

圖7 試驗(yàn)后解體動(dòng)環(huán)端面Fig.7 Rotating ring surface after test

圖8 試驗(yàn)后解體靜環(huán)端面Fig.8 Static ring surface after test

圖9 現(xiàn)場安裝圖Fig.9 Pictures of installed at the customer

5 結(jié)束語

隨著碳達(dá)峰政策的不斷深入推進(jìn)，天然氣管線輸送以及管線壓縮機(jī)勢必會(huì)被大力發(fā)展，配套干氣密封的國產(chǎn)化改造和新配套是未來必然趨勢。本文介紹了海森管線壓縮機(jī)干氣密封國產(chǎn)化研制的主要過程。目前，海森研制的干氣密封已在西亞某國管線壓縮機(jī)上穩(wěn)定運(yùn)行超過16 000 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)到了客戶要求。本文對(duì)研制過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了總結(jié)，給出了相關(guān)要點(diǎn)和結(jié)論，希望能為管線壓縮機(jī)干氣密封國產(chǎn)化研制工作以及從事壓縮機(jī)干氣密封設(shè)計(jì)人員提供一些有益參考。