潘彪,任俊偉,陳小平,孫斌,陳春來,郭俊,楊飛

(1.國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司,北京 100020;2.成都一通密封股份有限公司,四川 成都 610100)

天然氣管線壓縮機(jī)是天然氣長距離管道輸送的心臟設(shè)備,其主要作用是在長距離輸送過程中維持天然氣的壓力,使之輸送到目標(biāo)市場。

我國長距離管道輸送行業(yè)起步晚、發(fā)展快。起步階段管線壓縮機(jī)全部采用國外進(jìn)口,相關(guān)配套組件(如干氣密封)也都是進(jìn)口。據(jù)國家管網(wǎng)統(tǒng)計(jì),在已建成的天然氣管網(wǎng)中,國產(chǎn)機(jī)組占比不到30%,進(jìn)口干氣密封國產(chǎn)化具有巨大的市場潛力和經(jīng)濟(jì)效益。

目前我國在役的進(jìn)口天然氣管線壓縮機(jī)組配套的干氣密封主要為John Crane、Eagle Burgmann、Flowserve等國外廠家[1]。隨著壓縮機(jī)組的長時(shí)間運(yùn)行,干氣密封故障時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重時(shí)可能造成重大經(jīng)濟(jì)損失[2]。進(jìn)口干氣密封備件價(jià)格高、維修時(shí)間長、售后服務(wù)不及時(shí)等問題日益突出,已成為天然氣管線壓縮機(jī)安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行的潛在隱患。

針對(duì)這一現(xiàn)狀,國內(nèi)幾大天然氣管線運(yùn)營管理公司聯(lián)合國內(nèi)密封廠家,陸續(xù)開展了部分進(jìn)口干氣密封的國產(chǎn)化修復(fù)工作,取得了一定成效,但在索拉C652型壓縮機(jī)用干氣密封的整體國產(chǎn)化上還是空白。針對(duì)索拉C652型天然氣管線壓縮機(jī),對(duì)其干氣密封國產(chǎn)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證過程進(jìn)行詳細(xì)介紹和分析總結(jié),為天然氣管線壓縮機(jī)干氣密封的全面國產(chǎn)化提供一定的技術(shù)支持和參考。

1 天然氣管線壓縮機(jī)干氣密封特點(diǎn)及工作原理

1.1 天然氣管線壓縮機(jī)干氣密封特點(diǎn)

天然氣管線壓縮機(jī)干氣密封的工作氣體為天然氣,氣體成分復(fù)雜,氣體中所含雜質(zhì)成分較多,顆粒較大,且氣體的組成和壓力隨氣源不同以及季節(jié)變化而變化。這就要求干氣密封的氣源處理裝置要具備過濾、除液、調(diào)壓、加熱等功能[2]。

天然氣管線壓縮機(jī)干氣密封的工作壓力范圍需要與壓縮機(jī)不同工況下的工作壓力適配。包括正常運(yùn)行工況、試車工況、停車檢修工況、循環(huán)工況等[3],其壓力范圍變化較大,這就要求干氣密封具備在較大壓力范圍內(nèi)均能正常工作的能力。

由于現(xiàn)場沒有獨(dú)立氮?dú)鈿庠?所以干氣密封是沒有二級(jí)密封氣的注入的,二級(jí)密封直接工作在經(jīng)一級(jí)密封泄漏而來的天然氣環(huán)境下,因此也會(huì)有微量的天然氣經(jīng)二級(jí)密封氣的泄放口排出。由于天然氣是易燃易爆氣體,所以需嚴(yán)格控制其泄漏量,使其避開爆炸極限[4]。

此外,天然氣管線壓縮機(jī)干氣密封的工作地點(diǎn)一般較為偏僻,檢修困難,一旦密封失效,可能造成的損失會(huì)更大,這就對(duì)干氣密封工作的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。

1.2 天然氣管線壓縮機(jī)干氣密封工作原理

1.2.1 安裝位置

離心式天然氣管線壓縮機(jī)干氣密封包括驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端干氣密封,兩者分別安裝在壓縮機(jī)主軸兩端,靠近進(jìn)氣道和排氣道的位置,起到防止壓縮機(jī)內(nèi)介質(zhì)外漏的作用。

1.2.2 密封組成

通常,天然氣管線壓縮機(jī)干氣密封由兩套結(jié)構(gòu)相同的單密封串聯(lián)組成。第一級(jí)干氣密封為主密封,承受工藝全部壓差,其密封氣氣源為壓縮機(jī)組出口端引出的經(jīng)過過濾、調(diào)壓的工藝氣。第二級(jí)密封為輔助密封,通常工作在很低的壓差下,一旦一級(jí)密封失效,二級(jí)密封可以迅速做出反應(yīng),起到安全備用密封的作用,可以避免工藝氣大量泄漏的事故發(fā)生。

干氣密封的組成主要包括動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、密封圈、推環(huán)、彈簧、軸套、彈簧座、壓緊套等。

1.2.3 密封原理

當(dāng)壓縮機(jī)工作時(shí),軸套隨軸轉(zhuǎn)動(dòng),在軸套與動(dòng)環(huán)之間有傳動(dòng)銷,因此動(dòng)環(huán)也隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

靜環(huán)通過防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與彈簧座配合,彈簧座通過連接螺釘或卡盤與腔體連接。當(dāng)壓縮機(jī)工作時(shí),靜環(huán)和彈簧座都不隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

如此,動(dòng)環(huán)和靜環(huán)就組成了一對(duì)摩擦副,兩者的配合表面的光潔度和平面度都很高,且在動(dòng)環(huán)的配合面的外側(cè)加工有一組螺旋槽,如圖1所示。

圖1 動(dòng)環(huán)表面螺旋槽結(jié)構(gòu)

當(dāng)動(dòng)環(huán)隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí),其上的流體動(dòng)壓槽驅(qū)動(dòng)外徑側(cè)的高壓氣體(密封氣)進(jìn)入密封面的間隙中,導(dǎo)致間隙中氣體壓力升高。間隙氣體壓力作用于形成間隙的兩個(gè)端面,使靜環(huán)和動(dòng)環(huán)端面分開。間隙中氣體的壓力隨著動(dòng)靜環(huán)端面間距的增大而迅速減小,動(dòng)靜環(huán)在彈簧力和密封氣壓力的作用下又趨于閉合,最終在動(dòng)環(huán)和靜環(huán)端面間形成一層1～3 μm厚的穩(wěn)定氣膜。這樣就在密封端面不接觸的情況下,密封端面間的氣膜阻塞了高壓側(cè)氣體向低壓側(cè)泄漏的通道,實(shí)現(xiàn)了對(duì)工藝介質(zhì)的密封。

2 干氣密封設(shè)計(jì)條件

2.1 干氣密封操作參數(shù)

干氣密封操作參數(shù)如表1所示。

表1 干氣密封操作參數(shù)

2.2 干氣密封設(shè)計(jì)性能指標(biāo)

干氣密封設(shè)計(jì)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 干氣密封設(shè)計(jì)性能指標(biāo)

3 密封設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)索拉C652型機(jī)組干氣密封原有的腔體尺寸、原有控制系統(tǒng)、原有工藝操作條件等情況,該國產(chǎn)化干氣密封采用不帶中間迷宮的串聯(lián)式干氣密封結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)及組成如圖2所示。

1—軸套;2—彈簧蓄能密封圈;3—級(jí)密封動(dòng)環(huán);4—銷釘;5一級(jí)密封靜環(huán);6—O型圈;7—彈簧;8—級(jí)密封推環(huán);9一級(jí)密封彈簧座;10—二級(jí)密封動(dòng)環(huán)座;11—二級(jí)密封動(dòng)環(huán);12—二級(jí)密封靜環(huán)。圖2 干氣密封結(jié)構(gòu)及組成

3.2 流體動(dòng)壓槽選擇及設(shè)計(jì)優(yōu)化

干氣密封流體動(dòng)壓槽有單向槽和雙向槽之分,單向槽的干氣密封只允許沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn),這類槽型包括:弧形槽、螺旋槽、人字槽等;雙向槽的干氣密封在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)過程中都能起到密封作用,這類槽型包括:T型槽、燕尾形槽、矩形槽等[5]。

與雙向槽干氣密封相比,單向槽干氣密封的優(yōu)點(diǎn)是氣膜剛度更大,開啟轉(zhuǎn)速更低且抗干擾能力更強(qiáng),更適用于需要頻繁啟停的工況。缺點(diǎn)是泄漏量稍大,且不能反轉(zhuǎn)。若發(fā)生反轉(zhuǎn),會(huì)導(dǎo)致密封端面無法脫開,進(jìn)而導(dǎo)致密封失效。

天然氣管線壓縮機(jī)由于出口止回閥距離壓縮機(jī)較近,返回線距離短,系統(tǒng)易平衡,基本不會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)的情況[6],再結(jié)合壓縮機(jī)組頻繁啟停的實(shí)際工況,本項(xiàng)目流體動(dòng)壓槽的槽型選擇單向螺旋槽。

干氣密封螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示,其中,靜環(huán)內(nèi)半徑ri=87.05 mm;靜環(huán)外半徑ro=108.9 mm;螺旋槽半徑rg=94 mm;槽數(shù)Ng=12;螺旋角θ=19°;槽深hg=5 μm;非槽區(qū)平衡膜厚hb=3 μm;槽深比η=0.625。

圖3 螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)

干氣密封氣膜區(qū)流場壓力分布如圖4所示。

圖4 干氣密封流場壓力分布

從圖4中可以看出,氣體進(jìn)入密封槽后,由于受到密封堰的阻擋,壓力逐漸升高,在槽根附近達(dá)到最大值,螺旋槽動(dòng)壓效應(yīng)十分明顯。

3.3 密封材料選擇

3.3.1 動(dòng)、靜環(huán)材料選擇

干氣密封動(dòng)、靜環(huán)的材料選擇對(duì)密封性能及可靠性有著極大的影響。干氣密封動(dòng)環(huán)常用的材料主要有碳化硅和硬質(zhì)合金,靜環(huán)常用的材料主要有碳化硅(涂覆DLC涂層)和重載石墨。

考慮前文提出的適用于同軌雙車運(yùn)行模式的貨位優(yōu)先級(jí)和貨位分配模型，在算法初始階段根據(jù)貨物數(shù)量確定待選貨位，生成初始種群(棲息地)，再將3種MBBO算法集成一體進(jìn)行并行計(jì)算，構(gòu)建EMBBO算法進(jìn)行優(yōu)化求解。

對(duì)硬質(zhì)合金、碳化硅和重載石墨的性能進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見表3。

表3 不同材料性能對(duì)比

從表3可以看出,硬質(zhì)合金的彈性模量和抗折強(qiáng)度都最高,在抵抗變形和碎裂方面都最有優(yōu)勢(shì)。但因硬質(zhì)合金密度為碳化硅的4.5倍以上,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大,旋轉(zhuǎn)時(shí)所受離心力也較大,高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可能會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。

碳化硅的抗折強(qiáng)度雖僅為硬質(zhì)合金的1/4.5,但亦是重載石墨的4.5倍,因此韌性介于硬質(zhì)合金和石墨之間。碳化硅密度不到硬質(zhì)合金的1/4.5,但彈性模量接近硬質(zhì)合金,硬度比硬質(zhì)合金高。

經(jīng)過綜合比較,該國產(chǎn)化選用碳化硅作為動(dòng)、靜環(huán)材料,并在靜環(huán)表面涂覆DLC(類金剛石石墨)涂層,降低其表面摩擦系數(shù),提高耐磨性能[7]。

3.3.2 金屬零部件材料選擇

天然氣管線壓縮機(jī)干氣密封的工作壓力較高,轉(zhuǎn)速也高,金屬零部件所受壓力及離心力也會(huì)較大。因此對(duì)金屬零部件的強(qiáng)度和硬度有較高的要求,本項(xiàng)目選擇在離心壓縮機(jī)干氣密封中應(yīng)用十分成熟的410不銹鋼作為密封金屬結(jié)構(gòu)件的材料。

3.4 動(dòng)、靜環(huán)應(yīng)力應(yīng)變分析

干氣密封的核心零部件(動(dòng)、靜環(huán))需要承受較大的介質(zhì)壓力,動(dòng)環(huán)還受到高速旋轉(zhuǎn)引起的離心力,核心零部件可能會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力應(yīng)變,需要對(duì)其受力及應(yīng)變情況進(jìn)行科學(xué)計(jì)算,再根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化相應(yīng)的設(shè)計(jì)尺寸。

圖5～8為動(dòng)、靜環(huán)變形及應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。

圖5 靜環(huán)變形計(jì)算結(jié)果

圖6 靜環(huán)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從圖7和圖8可以看出,動(dòng)環(huán)最大位移和最大應(yīng)力均發(fā)生在動(dòng)環(huán)內(nèi)圓端面處,最大變形約為8.05×10-3mm,最大應(yīng)力約為49.5 MPa,應(yīng)變和應(yīng)力遠(yuǎn)小于碳化硅材料的許用值,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 動(dòng)環(huán)變形計(jì)算結(jié)果

圖8 動(dòng)環(huán)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.5 高壓密封圈防爆設(shè)計(jì)

在高于10 MPa的壓力下,常規(guī)密封圈不能滿足長時(shí)間使用的抗爆要求,本項(xiàng)目采用改性PTFE+金屬組合密封圈(亦稱作彈簧蓄能密封圈),其結(jié)構(gòu)組成和工作原理如圖9所示。

圖9 彈簧蓄能密封圈組成工作原理

彈簧蓄能密封圈由一個(gè)聚四氟乙烯夾套和一個(gè)耐腐蝕的金屬蓄能彈簧組成。彈簧安裝在聚四氟乙烯夾套內(nèi),始終受到壓縮,使夾套唇邊緊貼密封溝槽,由此形成初始密封,并彌補(bǔ)材料磨損及配合零件的偏移或偏心。

當(dāng)系統(tǒng)加壓時(shí),系統(tǒng)壓力也給夾套提供壓緊力,因此壓力越大,夾套與密封溝槽貼合越緊,密封效果越好,有效地避免了爆裂情形的發(fā)生。

3.6 DLC涂層工藝

為了降低靜環(huán)表面摩擦系數(shù)并提高其耐磨性,在靜環(huán)表面涂覆了DLC涂層。涂層形貌照片如圖10所示。

圖10 DLC涂層形貌

從圖10中可以看出涂層整體呈現(xiàn)一種疏松的絮狀結(jié)構(gòu),涂層與基體有明顯的界面。有涂層樣品和無涂層樣品的磨損體積三維形貌如圖11所示,涂層摩擦系數(shù)檢測結(jié)果如圖12所示。

有涂層樣品磨損體積形貌圖11 磨損體積三維形貌

圖12 涂層摩擦系數(shù)檢測

通過磨損體積檢測和摩擦系數(shù)檢測,表明與涂覆前相比,涂覆后的靜環(huán)表面耐磨性明顯提高,摩擦系數(shù)明顯降低,DLC涂層有效地提高了靜環(huán)的密封性能。

3.7 低扭矩控制

針對(duì)天然氣管線壓縮機(jī)在服役過程中頻繁啟停的工況,需要降低干氣密封的盤車扭矩以滿足300次啟停的設(shè)計(jì)要求。通過密封流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化、關(guān)鍵零部件變形控制優(yōu)化以及精密加工工藝優(yōu)化等措施,有效降低了密封靜態(tài)盤車扭矩。密封靜態(tài)盤車扭矩與壓力變化曲線如圖13所示。

圖13 盤車扭矩與壓力關(guān)系曲線

從圖13可以看出,成套密封4.0 GMP后盤車扭矩可保證小于5 N·m。

4 試驗(yàn)情況

4.1 試驗(yàn)臺(tái)布置

干氣密封試驗(yàn)工裝如圖14所示。試驗(yàn)?zāi)M干氣密封在壓縮機(jī)中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的壓力和轉(zhuǎn)速,精準(zhǔn)調(diào)控各種試驗(yàn)參數(shù)(包括轉(zhuǎn)速、一級(jí)密封氣壓力、二級(jí)密封氣壓力等),并精確測量各種工況條件下密封的泄漏量。

圖14 干氣密封試驗(yàn)臺(tái)布置圖

4.2 試驗(yàn)程序

4.2.1 靜態(tài)試驗(yàn)程序

靜態(tài)試驗(yàn)的目的是測量干氣密封在各種壓力工況下,密封的靜態(tài)泄漏量。試驗(yàn)過程是分多次將模擬密封氣壓力由常壓加壓到密封最大靜態(tài)壓力(12.5 MPa),并測量每個(gè)階段穩(wěn)定后的泄漏量;達(dá)到最大壓力后再分多個(gè)階段降壓,并測量每個(gè)階段穩(wěn)定后的泄漏量。

4.2.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)程序

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)將模擬密封氣壓力設(shè)置為密封正常工作壓力(12 MPa),模擬壓縮機(jī)各種工況下的轉(zhuǎn)速,測量密封的一級(jí)、二級(jí)泄漏量。模擬工況及其轉(zhuǎn)速如表4所示。

表4 工況及轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)表

4.2.3 300次啟停試驗(yàn)程序

單次啟停過程為:保持模擬密封氣壓力為正常工作壓力,將轉(zhuǎn)速由0快速提升至跳車轉(zhuǎn)速(最大連續(xù)轉(zhuǎn)速的110%,13 202 r/min),然后快速將至0。如此重復(fù)300次。

4.2.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如圖15～17所示。

圖15 密封靜態(tài)泄露量與壓力關(guān)系曲線

圖16 一級(jí)密封泄漏量與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖17 二級(jí)密封泄漏量與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

從圖15～17可以看出,密封的靜態(tài)泄漏量約為7.0 m3//h,小于指標(biāo)要求的12.2 m3/h;一級(jí)、二級(jí)密封的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)泄漏量指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求;在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和壓力條件下,密封一級(jí)泄漏量約為12.0 m3/h,小于指標(biāo)要求的12.2 m3/h;密封二級(jí)泄漏量約為0.11 m3/h,小于指標(biāo)要求的0.12 m3/h。綜上所述,一級(jí)、二級(jí)密封的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)泄漏量指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)后將密封拆卸下來,檢查動(dòng)、靜環(huán)表面狀態(tài)。試驗(yàn)后靜環(huán)、動(dòng)環(huán)實(shí)物照片如圖18～19所示。

圖18 試驗(yàn)后靜環(huán)實(shí)物照片

圖19 試驗(yàn)后動(dòng)環(huán)實(shí)物照片

經(jīng)仔細(xì)檢查,試驗(yàn)后密封環(huán)的表面未出現(xiàn)明顯劃痕,無磨損跡象,表面質(zhì)量與試驗(yàn)前基本一致,試驗(yàn)過程中未發(fā)生接觸摩擦現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

介紹了索拉C652型壓縮機(jī)干氣密封的國產(chǎn)化研制過程,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算以及試驗(yàn)驗(yàn)證,最終成功研制了該型進(jìn)口密封的國產(chǎn)化替代產(chǎn)品,對(duì)后續(xù)其他管道天然氣壓縮機(jī)干氣密封的國產(chǎn)化研制工作的開展具有一定參考和指導(dǎo)意義。