（化学工程专业论文）流体润滑非接触式机械密封在离心压缩机上的应用研究.pdf

摘要 流体满滑菲接触式祝被密封在离心压雅辊上静盛耀研究 齐铸石化股份有隈公司胜利炼油厂硫酸烷纂化装置于1 9 9 2 年建成 授产，葵丁烷离心篷缝凝隽获琢嚣德渡拳赛揍( b o r s i g ) 公司弓| 送两 段六级式结构。随着时间的推移，聪缩机轴封的润滑油泄漏量逐年增加， 使用寿命亦相应缩短，由最初的两年一修减至半雄一修。润滑油大量泄 潺造成淡费，使进口餐 孛和维修成本急剧增加，并妨碍生产黪溉常进霉亍， 造成董大的经济损失。 通过技术分析，明确了原进口接触式机械密封润滑油泄潲的根本原 因。由于高速条件下密封摩擦副端面温升过高，使密封环特别是石墨静 嚣产生较大戆热交形，嚣瀵覆仗农藜透内径延按簸，透残过发摩擦密损 而致使袭面材料脱落，导致润滑油由此产生大缴泄漏；更进一步，接触 式机械密封在间歇操作工况下的工作状态的稳定性不佳，使密封失效的 概率明擞增燕。谨助经典静“无疆攮数”理论，缭台压缩枫熬体的工艺 条件，研制开发出其籽“双向零濑漏密封”功貔酌流体润潺嚣接魅式机 械密封；进而在多功能高速密封实验装置上对其进行性能研究工作，充 分证明掰型的非接触斌机械密封在工况范围内嶷有优良的密封能力和 抗予挠戆力。 把自主研制开发的流体润滑非接触式机械密封应用到离心压缩机 上，并一次性试车成功。至今已乎稳运行6 个月，不仅实现了密封的国 产纯，节约了据当数纛兹终汇，露嚣麸鬏本上熬决了毒鑫羹瀵满润蘧，镶 证了机缎的长周期安全运行，并产生直接经济效蓣超过4 0 余万元。 关键词：丁烷离心压缩机，流体润滑非接触式机械密封，泄漏，可 靠睦 a b s 下r a c t a p p l i c a t i o ns t u d yo f f l u i dl u b r i c a t i o nn o n c o n t a c t i n g m e c h a n i c a ls e a lo nt h ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r s u l f u r i ca c i d a l k y l a t i o ne q u i p m e n t i n s b e n g l ir e f i n e r yp l a n to fq i l u p e t r o c h e m i c a ll i m i t e dc o m p a n y , i nw h i c hb u t a n ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ru s e st w o - s t a g e s i x 。s t e ps t r u c t u r ef r o mw e s tg e r m a n yb o r s i gc o m p a n y , h a sg o n ei n t oo p e r a t i o ni n 1 9 9 2 t h el u b r i c a t i n go i ll e a k a g eo f c o m p r e s s o rs h a f ts e a li si n c r e a s i n gw i t ht i m e + t h e o i l l e a k a g e n o to n l y s h a r p l yi n c r e a s e st h eq u a n t i t yo fi m p o r t e ds e a lp a r t sa n d m a i n t e n a n c ec o s t , b u ta l s od i s t u r b st h er e g u l a rm a i n t e n a n c ea n dc o n d u c e se f l o r m o u s e c o n o m i cl o s s i nt h i ss t u d y , t h eb a s i cr e a s o n so fl u b r i c a t i n go i ll e a k a g eo ft h eo r i g i n a li m p o 娃e d c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a lh a v eb e c o m ec l e a r l yd e t e r m i n e db yt e c h n i c a la n a l y s i s t h e s e a lr i n g ( p a r t i c u l a rt h es t a t i cg r a p h i t ef i n 妨p r o d u c e sl a r g et h e r m a ld e f o r m a t i o nb e c a u s e o fh i g ht e m p e r a t u r er i s eo nt h es e a lf a c eu n d e rh i g hs p e e d t h ef a c ec o n t a c to n l yo c c u r s n e a rt h ei n n e rd i a m e t e ro ft h es e a lr i n g s + i tc a u s e se x c e s s i v ef r i c t i o n a lw e a lw h i c h r e s u l t si nd r o p o f fo ft h es u r f a c em a t e r i a l sa n dl e a d st oap l e n t yo fl u b r i c a t i n go “ l e a k a g e 。f u r t h e r m o r e ，t h ec o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a ls t a b i l i t yi sp o o ru n d e r d i s c o n t i n u o u so p e r m i o ns t a t ea n dt h i si n d u c e st h ei n c r e a s i n gp r o b a b i l i t yo fs e a lf a i l u r e t h eh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o nl i o n - c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a lw i t hb i - d i r e c t i o n a lz e r o l e a k a g es e a l i n gf u n c t i o nh a sb e e ns e a r c h e da n dd e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h ec l a s s i c a l i n f i n i t en u m b e r so fg r o o v e st h e o r y ”a n dt h ec o n c r e t et e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s i n a d d i t i o n ，t h ee x c e l l e n ts e a l i n ga b i l i t ya n da n t i - j a mc a p a c i t yo f t h en e wg i v e ns e a lh a v e b e e nt e s t i f i e db yt h ee x p e r i m e n t a l s t u d yo nt h eh i g hs p e e dm u l t i f u n c t i o n a ls e a lt e s t e q u i p m e n t t h ei n d e p e n d e n t l ys e a m h e da n dd e v e l o p e ds e a li ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ra tt h ef i r s tt i m e u pt on o w , i th a sr u ns a f e l yf o ra b o u ts i x m o n t h s i tn o to n l yr e a l i z e st h ed o m e s t i cs e a lp r o d u c t i o na n ds a v e sc o n s i d e r a b l ef o r e i g n e x c h a n g e ，b u ta l s os o l v e st h ep r o b l e m so fl e a k a g eo ft h es h a rs e a la n de n s n l st h e l o n g p e r i o dm a c h i n es e to p e r a t i o n t h ed i r e c te c o n o m i cb e n e f i tl so v e r4 0 0t h o u s a n d y u a n k e yw o r d s ：b u t a n ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o lh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o nn o n - c o n t a c t i n g m e c h a n i c a ls e a l ，l e a k a g e ，r e l i a b i l i t y 2 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 d， 签名! 爿乏之兔j 一矽咿弓年夕月，日 j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签名 7 咖声9 月，f 日 捌年9 月6 曰 石油大学( 肇东) 硕士论文 第l 牵前言 第1 章前言 孛国礤耗赛鲁毅徐蠢辍公司蓬程炼i 鑫厂酸羧魏麓疑：装置于1 9 9 2 年 建成投产，其丁烷压缩机是从原西德波尔齐格( b o r s i g ) 公司弓i 进两 段六级离心式压缩机。本机为g a 3 5 5 4 趟中间加气离心式石油气聪缩机， 英作用是掇嵩异丁烷气体静静压头，缎冷却蓐转化为渡耜，进入反应系 统参加反戚，减压蓐取悫菠应燕。戬臻傈反应条件。 该压缩机轴封采用的是原西德太平洋( p a c i f i c ) 公司生产的双端面 接触式机械密封，通过一封油循环控制系统把高于工艺气体压力的密封 灌注入密辩之弱，起爨强爨澜潺鞠冷蓑】鼹终霞。蕊羧烷基证装嚣予1 9 9 2 年正式投产以来，压缩机轴封的运行状况一致比较稳定，封油的泄漏量 虽然随着时间的推移不断增加，但基本上能够稳定在一定的范嗣内，并 使装置安全生产一个周嬲鞋上。毽罴，进入本世纪娃来，由予产热索场 供需交纯及价格波动涛凝，该工艺装嚣基本上处予断续运行状态，压缩 机亦随即谶入间歇运行时期。由于机组的间断运行操作，导致轴封在每 次重新启幼后泄漏量明鼹( 单侧密封泄漏量超过5 0 升天) ，使用周期明 显缩短 0 ，则出现高压侧密封流体向低压侧泄漏，认 为该上游泵送机械密封不具备密封能力。 2 2 6 2 性能分析【1 4 i 同样，为了清楚说明上游泵送机械密封的工作原理以及密封性能与 各影响因素之间的关系，可以利用基于端面槽数无限多、槽宽和槽间距 离无限窄理想模型的“无限窄槽”理论，得出端面槽区的流体膜压力 分布。 以内径开槽的对数螺旋线型无泄漏上游泵送机械密封作为研究对 象，其端面槽堰区的流体膜压力梯度为： a p ：6 a t 一o r 口 d r 瑶6 ( 2 8 ) 式中：g = g ，c 口，h ，= i f _ i ；号；是j ；皋，螺旋槽 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章离心压缩机用密封技术综述 型函数之一： 爿一冲流体的动力粘度，厶s ； 口一动环的旋转角速度，r a d s ； 一端面流体膜厚，m ； r 一螺旋槽间堰宽与槽宽之比，= b 2 b i ： a 一螺旋线之螺旋角： 仔一端面膜厚与堰区膜厚比，h = h o h ，： 一端面内径与槽径之比， = 0 。 积分( 2 _ 8 ) 式，得端面螺旋槽堰区的膜压分布为： p ：a + 3 u 。o g l ( ，2 一r , 2 ) ( 2 9 ) 式中，只一内径r j 处的缓冲流体压力。 由( 2 9 ) 式可以得知，端面螺旋槽堰区的流体膜压由内径到槽径是 逐渐增加的，且呈近似二次抛物线分布形式。 则螺旋槽径处的压力p 。为： p 。硇+ 挚( 一) ( 2 1 0 ) 螺旋槽径r e 处的压力如是决定密封性能的关键性参数：当p g p f 时，既不能实现零泄漏，亦不能实现零逸出，密封失效；当p g = p f 时， 实现密封介质的零泄漏密封功能。 由以上公式分析可以得出，影响上游泵送密封效应的因素分为密封 操作参数和密封结构参数。密封具体应用时，操作参数基本已经确定， 不可能变更。而密封结构参数是可以变化的，为了设计出性能稳定可靠 的上游泵送密封，必须了解上游泵送密封面槽型几何结构参数对密封性 能的影响程度，因此，对槽型几何结构参数进行了优化，它们分别是： 石油大学( 举券) 硬士论文薷2 章离心难绩撬用密封技术综述 密封面槽激螺旋槽的入阴角q ，槽深h 。槽宽堰宽跑y ，槽长坝长比， 槽数n 。 趣套力 k h 聋簧压囊l 。缓瘴交至克 f ； 歪事运转瑶蔷蓑嚣分蒂。 图2 1 2 零泄漏上游泵送密封膜压分布 匿2 1 3 给赉了一种嫘旋稽双端甏上游系送税械密封的示意黧。 氮气油油 l l l 。 i d r 山 渊；妙 狻 娥，- 1_ 一 爵 i 、 i 【 n qq l 塑2 。1 3 敞端藿上游泵送撬被密封示意謦 石油大学( 臻东) 矮士论文第2 章离，压缩规瘸密封技术综述 上游凝送密封的适用范围与干气密封大致相i 琏，尽管其节能降耗效 果不如干气密封，但使用范围广，既可以在某些不太苛刻的条件下用作 零渣嚣密瓣瑟无绥缓冷波疆韵系绫，又可在对密瓣奔覆澄瀑嚣妒揍控裁 的条件下用作需有缓冲液系统的零逸出密封，但缓冲液的压力遴低于密 封介质的聪力，从实用性的角度考虑上游泵送密封应有更广阔的使用范 围。 2 3 压缩机密封形式的选择 综上所述，可以认为，石油化工行业工艺气体透平压缩机触端密封 豹发震趋势莛：迷富式季囊兖气密羹一浮骂密封一辍城浮强缀合鬻辩或双 端面机械密封一油膜螺旋槽端面密封气膜润滑端面密封郎于气密封。 表2 1 中对几种密封形式进行了对比性分析，用户不应笼统地认为密封 形式豹优劣，丽应根撂嶷傣的工艺气体、现场条传以及所有的密封应用 经验来逸择合适的密封结聿每及其藕麓系统。 由于石化行业透平压缩机所处理的工艺气体对油润滑的主密封( 浮 环密封、机械浮环组合密封或双端耐机械密封、油膜螺旋槽密封和干气 密鸷等) 蠢不目程褒兹藤嫒移污染，羧在主密羹与工艺气蒋之阏往往设 置一个前黢的隔离气体密封，引入干净的中性气体( 例如氮气) 绒腐蚀污 染程度较低的脱硫干气作为隔离气体来保护主密封。 到强戆为止，国蠹夕 足孚无一铡多 越采用迷塞式欧气密封掺必这类 前置密封。该迷富密封有两方面的功能：一方面通过隔离气体( 氯气或 干气) 向工艺气体方向的流动来阻止工艺气体逆气流方向的反扩散：另 一方面通过节流来控制黼离气体的流艟( 即消耗量) 。基前，国内开发出 壹篱式密辩来替式迷塞式浚气密羹，大大箍毒瓣正反扩散静效率，获 而大幅度地降低隔离气体的消耗量。 应当指出的是，当用户没有氮气绒者氮气不稳定时，也可以用脱硫 于气代替窳气。同样，聚蠲该系统之燕子气豹游裁豢也穆丈 疆度蟪淹低， 从而降低能源消耗。某石化厂用脱硫干气代替氮气效果也报好。 五油大学( 缮系) 硬士论文第2 章离心愿缩瓤用密封技术综述 表2 i 高速透平压缩祝轴封技术 密封类别优点缺点 第一代迷窿密封i ) a # 接触式，寿命长；1 ) 泄漏量大，运行维护费 2 ) 终搦麓摹，裁遮藏零惩藏； 低维护方便； 2 ) 寄环境污染的蕺陵： 3 ) 采用抽气式，巍气式，3 ) 向机内充水蒸气的方案 抽、充气式；可密封危隆会加剧中冷器腐蚀，抽气 性气体强度控制不努，会便轴承 潼逶浓残箍走滤漆灏 第二代浮环密封1 ) # 接触式，寿命长； 1 ) 密封油走泄漏爨大，一 2 ) 转速和压力的使用范般q = 2 0 0 0 3 0 0 0 m l h ； 围大，v m a x = l o o m s ；2 ) 阻封气体消耗量( 标 p m a x = 1 2 0 3 0 疆p 8准状态) 夫，争2 0 0 3 0 0 m a h 2 ) 油箍统复杂，投资大， 占地聪积大，运行维护费 用裹； 4 ) 密封涟污染工艺气溺路l 险性大 第三代机械密封1 ) 内泄漏量较低，1 ) 属接触式密封。极限 一般q = l o o 5 0 0 m l h ，速度v m a x = t o o m s 淫i 蠡系统鞍燕萃 2 ) 镄然存在蠹澄漏褥污染 2 ) 漓气压差较大，控工艺网路的危险； 制较容易，可取消高位3 ) 阻封气体消耗爨( 标 油罐 准状态) 大，q = 2 0 0 3 0 0 m v h 第四代予气密封1 ) 接融式，寿命长密葑价格较贵 或上游泵遴机械可靠性高： 密封2 ) 极限速度高，v m a x = l s o m s ； 0 ) 功率游耗低，逡孬 维护费用低 蠢油大学( 华东) 颈论文第3 章t 娩压缩极轴瓣改造方案 第3 章丁烷压缩机轴封改造方案 3 。l 藏羧端茎纯装鬃滚翟舞套 中石化齐鲁股份肖限公司胜利练油厂g 万吨硫酸烷基化装簧予1 9 9 2 年正式投产。本装置工艺流程包括反应、致冷压缩、流出物精制和产品 分淫、纯攀处理疆部分。辘酸烷基健装鲞戆工艺溅程霓萋3 1 。_ ；| 乏鑫气俸 分离装鬣的反应原料循环异丁烷混台，与反应流出物换熟詹进入原料 脱水器f 一3 ，脱水后的物流再与循环冷剂混合进入反应器卜1 ，进料中 戆异丁烷秘爝烃在硫酸谨让裁豹佟怒下发生反应黧藏烷基位浊，反应嚣 的酸烃孕l 仡液进入酸流降器酸烃分离，烃相部分送入闪蒸罐f - 4 ，闪蒸 后的液棚经流出物精制和产品分馏艏生产出产品烷基化油。经闪蒸罐闪 蒸后的气襁进入匿缭飒的一级入口，经压绩冷凝藤逡入冷荆罐f - 6 ，然 后进入节能罐初步降滕闪蒸，闪蒸出的气程部分进入压缩梳的二级入 口，液栩部分再进一步降压闪蒸后作为冷剂循环使用。 圈3 1 烷基化装鬣工艺流程图 1 烧基 皂出装显 石油大学( 蔓棼东) 硕士论文第3 章丁烧压缩机轴封敬造方案 3 1 1 反_ 臌部分 异丁烷与烯烃的烷熬化过程，主要是在硫酸催化剂的存在下，二者 邋过一系列菠应生裁较熬静舅拣烷烃汽i 瘗馁分过程。反应复杂熬包括诲 多副反应，在最佳操作条件下，其基本反应如下： c 4 h 8 + h 2 s 0 4 一( c 4 h g ) h s 0 4 ( 硫酸酯) ( c 4 h 9 ) h s 0 4 + c 4 h j o c s h i s ( 雾辛烷) + h 2 s 瓴 反应器操作条件下，避料中的昴丁烷和烯烃裔硫酸催忧裁存在下， 生成烷基化油。反应完愈的酸烃乳化液经一上升管进入酸沉降器( f - 2 ) ， 在罐中进行黢秘烃豹分离，分出的酸液德下降管返翻反应器重毅绞瘸。 瓢酸沉降器分出的烃槽经压力控涮阖减压后，流经反应器内的取热 管束部分汽化，吸收热激取走反应热，汽液混合物儿呢闪蒸罐( f - 4 ) 。 闪蒸罐是台带有巾闻疆板并有麸同分离空间购聚式容器，隔扳一 铡供反应流国锈进行汽液分离；勇一铡供循环冷裁滋行汽滚分离。净反 应流出物聚( g 1 1 a ) 遴出经与反应原料在换热器( e 1 ，a 、c ) 中换热， 去浅出物糖制和产品分馏龆分产品继续处理。冷剐受| j 以循环冷荆泵 ( g 2 起a 送至反应器滋瓣管线与藩辩童接潼台避入反应器，簸闵蒸罐 气相空间出来的烃类气体至压缩机入口分液罐( f ，5 ) 。 3 1 2 致冷聪缩部分 羡基纯蔽应莛敖热爱庭，荛保谖滋度达4 。6 c ( 7 3 c ) 注( 1 ) 嚣要 敷走反应热，此外反应器的进料温度鞭求为1 9 c ( 6 6 c ) ，这一温度 是由在反应器进料中混入低温循环冷荆来实现的，为此需有一套相应豹 致冷系统塞灌是这一要袋。为达萎| 鼗浚基纯装萋内鹣嚣姨秘买了熄进窭 量平衡，特别是防止丙烷在系统中的积聚还需要从致冷部分引出一股 抽出丙烷物流返回气体分离或送出装鼹。闪蒸罐( f - 4 ) 的气相进入分 滚罐( f - 5 ) 。 压缩机为中间加气式两级离心式。见图3 2 石油大学( 牮东) 硕士论文第3 章t 烷压缩机轴封敬造方案 从硫酸烷基化装置的工艺流程看出。来自气体分离装置的反应原料 与循环异丁烷混合，与眨应流出物换热后进入原料脱水器f - 3 ，脱水后 瓣滚耪再葛缮嚣冷裁混念进入反应器f - 1 ，进辩孛熬巽丁婉秘烯疑在硫 酸催化剂的作用下发生艇应生成烷基化油，反应盾的酸烃乳亿液进入酸 沉降器酸烃分离，烃相部分进入闪蒸罐f 一4 。闪蒸后的液相经流出物精 铡巍产品分馏爱生产出产晶烷基讫涵。经闪蒸罐闵蒸蓐豹气稳进入莲缩 帆的一缀入口，经压缩冷凝盾进入节熊罐初步降压闵蒸，闲蒸出的气楣 部分进入联缩机的二级入口，液相部分再进一步降朕闪蒸后作为冷剂循 环使用。 图3 2 丁烷离心愿缩机工位图 输送奔麓：丁烷 莉油大举( 华东) 硕士论文第3 章丁烷聪缩祝轴封改造方案 l 敷2 段 吸入漉量：6 6 1 03 8 5 8 m 3 , , h 吸入压力：o 1 2 m p ao 2 9 m p a( 绝聪) 吸入涅度： - 2 8 2 3 。7 排出压力；o 2 9 m p ao 7 m p a ( 绝压) 捺斑温度；2 6 4 5 7 7 输出功率：6 3 8千瓦 工作转速( 1 0 0 ) ：1 1 1 4 3 转，分 第妪界转速：5 1 5 4 转，分 第二临界转速：1 9 1 n 转，分 旋转方囱( 歇被动瑞方囊看) ；反对针 该机转子两端各装有随机进e l 同规格的接触式双端面机械密封l 襄，与转子两翻静鞴承共麓套封油系统( 或滤淆