（化学工程专业论文）超高压往复压缩机填料密封失效原因分析及措施.pdf

中文摘要 大型超高压往复压缩机，排气压力能够达到3 5 0 m p a ，运行中机组对柱塞的 填料密封会产生很大的周期性交变载荷。从对齐鲁石化l d p e 装置的机组停车原 因分析，密封失效导致的压缩机停车次数占到8 0 以上，直接影响了生产的正常 运行。如何从密封原理和结构优化设计、密封填料材料到日常操作维护等多角度 进行分析，解决该压缩机密封的长周期运行，寻求提高填料使用寿命的措施，对 于工程实际应用具有非常重要的意义和价值。 本文对齐鲁石化塑料厂高压低密度聚乙烯装置( l d p e 装置) 超高压压缩机 多年来的填料失效原因进行研究，从超高压压缩机金属填料密封原理入手，对密 封填料函结构和填料受力情况，填料失效的机理以及在微振动磨损、气体渗透方 面进行了理论研究，从结构设计、密封失效形式及区域、操作影响、维护因素等 多个方面进行了分析，系统的论证了提高超高压压缩机填料使用寿命的理论基础 和技术基础，并根据研究结果和实际应用，提出了提高填料密封的措施和预防失 效措施，使该装置超高压压缩机二段缸填料使用寿命从5 6 个月，提高到平均 1 1 个月，最长使用寿命超过2 6 个月。研究结果对使用该类设备的l d p e 装置运 行具有较大的技术指导和借鉴作用。 关键词：填料密封，微动磨损，失效，超高压压缩机 a b s t r a c t t h el a r g e - - s c a l eu l t r a h i g h - - p r e s s u r er e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r , o fw h i c ht h ee x h a u s t p r e s s u r ei sc a p a b l eo fa c h i e v i n g3 5 0 m p a , c a nb r i n gs i g n i f i c a n tc y c l i ca l t e r n a t el o a d s t ot h es e a l i n gf i l l e ro ft h ep l u n g e rd u r i n gt h eo p e r a t i o n a c c o r d i n gt oo u rc a u s e a n a l y s i s ，t h es h u t d o w nt i m e sc a u s e db yt h es e a lf a i l u r ea c c o u n tf o rm o r et h a n8 0 i n a l lm a l f u n c t i o n so ft h e c o m p r e s s o r i n q i l u p e t r o c h e m i c a ll d p ep l a n t t h e m a l f u n c t i o n sd u et ot h es e a lf a i l u r ed i r e c t l ya f f e c tt h er e g u l a rp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，i t i sv e r yi m p o r t a n ta n dv a l u a b l ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o nv i e wt of i n das o l u t i o nt o p r o l o n gt h el i f eo ft h es e a l i n gf i l l e ra n di m p r o v et h ew o r k i n gt i m eo ft h ec o m p r e s s o r b a s e do nt h ea s p e c t ss u c ha ss e a lp r i n c i p l e s ，s t r u c t u r eo p t i m i z e dd e s i g n ，m a t e r i a l s ， m a i n t e n a n c ea n ds oo n t h i sp a p e rs t u d i e st h ef a i l u r er e a s o no ft h es e a l i n gf i l l e rb a s e do nt h ed a t a a c c u m u l a t e do v e rt h ep a s t y e a r s t h e d a t ac o m ef r o ma nu l t r a h i g h p r e s s u r e c o m p r e s s o rw h i c hi sap a r to f t h eh i g h - p r e s s u r el o wd e n s i t yp o l y e t h y l e n ep l a n t ( l d p e p l a n t ) l o c a t e di np l a s t i cf a c t o r yo fq i l up e t r o c h e m i c a l t h er e s e a r c hs t a r t sf r o mt h e s e a lp r i n c i p l e so ft h em e t a l l i cs t u f f i n g ，a n dt r a v e r s et h es t r u c t u r eo fs e a ls t u f f i n gb o x , t h ep a c k i n gf o r c e s ，t h ep a c k i n gs e a lf a i l u r em e c h a n i s m ，t h ef r e t t i n gw e a ra n dt h eg a s p e r m e a b i l i t y ，e t c t h et h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a lb a s i st oi m p r o v et h el i f eo ft h es e a l i n g f i l l e ri ss y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e d ，a n dt h em e a s u r e st op r o l o n gt h el i f ea n dp r e v e n tt h e f a i l u r eo ft h es e a l i n gf i l l e ra r ep r o p o s e da c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t sa n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s b yu s i n gt h e s em e a s u r e s ，t h ew o r k i n gt i m eo ft h es e a lf i l l e ru s e di na s e c o n d a r yc y l i n d e ra c h i e v e da na v e r a g eo f1 1m o n t h sa n de v e nm o r et h a n2 6m o n t h s i nc o n t r a s tw i t ht h e5 6m o n t h si ne a r l i e rd a y s t h er e s e a r c hf i n d i n g sp r o v i d eau s e f u l t e c h n i c a lg u i d a n c ea n dr e f e r e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o n ss u c ha st h eo n e si nl d p ep l a n t k e y w o r d s ：p a c k i n gs e a l ，f r e t t i n gw e a r , f a i l u r e ，u l t r a h i g h - p r e s s u r er e c i p r o c a t i n g c o m p r e s s o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研毫互作和取得的 研究成果，除了支中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一虢剥一7 年罗嘴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期少7 年5 眇7 目签字醐：矽町月 罗e t 业厣 n 搏 第一章绪论 第一章绪论帚一早殖记 了解压缩机的技术发展现状和密封技术在压缩机的使用，各种密封的密封原 理及密封技术发展趋势的研究，对压缩机填料密封，尤其是工作压力达到 3 5 0 - 4 0 0 m p a 的超高压压缩机的密封技术的深入研究，对探求解决超高压压缩机 密封失效的措施和办法，有很大的必要性。基于此基础之上，确定本课题的研究 方向，探索解决超高压压缩机密封失效的方法和措施。 1 1 国内外压缩机技术的发展 压缩机是提高气体压力和输送气体的机械，将原动机的动力能转变为气体压 力能的工作机。它种类很多、用途极广，有“通用机械”之称，在采矿、冶金、石 油、化工、机械、制冷等行业中有着广泛而重要的用途。按照压缩气体的原理不 同，压缩机通常分为容积式和动力式两大类。容积式压缩机是使气体直接受到压 缩，从而使气体容积缩小、压力提高。其特点是压缩机具有容积可周期变化的工 作腔。按照工作腔中运动元件不同，容积式分为往复式和回转式两种型式。动力 式压缩机是使气体流动速度提高，然后通过扩压元件使速度能转化为压力能，与 此同时气体容积也相应减少。其特点是压缩机具有驱使气体获得流动速度的叶 轮。按照工作腔中运动元件不同，速度式分为离心式、轴流式、旋涡式、喷射式 等。 压缩机作为一种通用机械，为了适应用户的需要和激烈的市场竞争，研究与 开发一直在广泛而深入地进行着，这些研究状况与成果，通过许多刊物、国际性 会议、专利与新产品得到了充分体现。当今世界上最集中体现的是下列国际性的 学术会议：如由英国流体机械工程学会与伦敦城市大学举办的“国际压缩机及其 系统会议”( t h ei n t e r n a t i o n a lc o m p r e s s o ra n di t ss y s t e mc o n f e r e n c e ) 以及由美国 普度大学举办的“国际压缩机工程会议”( t h ei n t e r n a t i o n a lc o m p r e s s o re n g i n e e r i n g c o n f e r e n c ea tp u r d u e ) 以及俄罗斯流体工程学会与彼得堡技术大学举办的国际压 缩机会议等。这些会议所发表的论文基本上体现了当今世界上压缩机的研究状况 和水平。总的来讲，压缩机研究都是围绕下列方向进行的不断提高压缩机的经济 性和可靠性l i j ；( 1 ) 根据生产发展需要开发新产品；( 2 ) 应用新工艺与新材料；( 3 ) 降低制造成本；( 4 ) 降低噪声。 目前，世界各国正在采用现代化技术( c a d 、c a m 等) 来降低制造成本。其 第一章绪论 中，对气阀、阀腔流动阻力与阀室热交换的研究占有重要地位。当前压缩机技术 的研究工作，主要就是围绕提高产品的质量和效率两方面进行。谋求延长压缩机 寿命，包括两种情况，一是优化压缩机的结构设计、动力设计；二是优化材料制 造，机器部件加工等。提高压缩机效率的研究也包括两种情况，一是优化压缩机 的内部因素，二是变更压缩机结构。随着计算机技术的发展，使压缩机工作过程 的数学模拟得以实现，促进了压缩机性能预测及最优化工作的发展。在压缩机性 能预测的研究中，实现了对几何特征参数、膜腔曲线、压缩过程、排气过程、吸 气过程、泄漏流量的计算预测，避免了多工况下的实机运转实验，大幅度节约了 时间和费用。 当前压缩机专业的科研方向，在各类压缩机的性能和可靠性已基本解决的基 础上，主要围绕提高产品的寿命和性能两大方面开展工作。特别是电子计算机在 研制中的广泛应用，使数理模型取代了“经验凑试”，使科研工作向自动化、最优 化方向发展。今后压缩机的发展前景不仅仅在于努力提高技术性能指标，更应着 力于应用近代先进计算机技术进行性能模拟和优化设计，促成最佳机型的系列 化、通用化、机组化和自动化，降低生产成本，完善辅助成套设备，扩大应用领 域，提高综合技术经济指标。从整体上看，压缩机产品将向结构紧凑i 能耗少、 噪声低、效率高、可靠性高方向发展。 1 2 往复式压缩机的发展现状 1 2 1 国外往复式压缩机的发展 国内外专业人士公认，公元前1 5 0 0 年我国商代劳动人民发明的木质风箱， 是往复活塞式压缩机的雏形。近代空气压缩机械的鼻祖，当推公元1 6 4 0 年在德 国制造成功的( 机械式) 真空泵。自从1 8 7 4 德国k s b 公司制造“风泵”完工为起点， 开始进入工业时期压缩机时代【2 】。先后有德国g h h 公司、美国英格索兰公司在 2 0 世纪初制造出了自己公司的往复活塞式的压缩机，直到1 9 2 5 年瑞士苏尔寿 ( s u l z e r ) 公司生产的往复蒸汽机驱动的制冷用氨压缩机的成套机组使用，标志 着大型往复压缩机进入化工行业。1 9 3 5 年瑞士s u l z e r 公司生产了首台迷宫式无油 润滑空气压缩机，该机具有不带活塞环的无润滑迷宫式活塞的独特设计。在二十 世纪四五十年代，原苏联中亚细亚化工机械制造厂生产的2 p 2 0 8 型立式二级空 气压缩机及后来立式四级高压氧气压缩机，使用了机身与气缸之间特装填料函及 皮质密封圈及黄铜制的弹簧箍紧密封环，比同时期的石棉盘根密封更先进，该项 技术被进一步改进后一直使用至今。 适合大、中排气量场合的l 型带十字头的往复式空气压缩机由美国英格索兰 第一章绪论 公司开发于2 0 世纪5 0 年代，其代表产品为第一代x v h 系列及x l e 系列，该类 机型设备采用整体式铸铁机身，铝合金活塞及青铜小头瓦，铝合金的滑动轴承， 单独的柱塞式注油器来提供气缸的润滑，实现了五位调节排气量方式。十字头组 体使用了滑履，有利于滑道间隙的安装及磨损后的调整。十字头处活塞杆刮油器 组件和气缸处的气体密封填料组件隔开了一段距离，较好的防止了运动机构润滑 油窜入( 或当吸气时被吸入) 气缸。这些诸多新结构和材料的使用，使整个机组的 刚性有较大的提高，噪声、振动有显著的降低。2 0 世纪6 0 年代美国克拉克公司 ( c l a r k 公司) 及法国杜扎丁公司( d u j a r d i n ) 双重l 型压缩机的出现较大提 高了该类机组效率，c b e 6 0 机组的全等温效率达到6 7 8 ，英国布罗姆公司及瑞 典阿特拉斯公司水冷风冷系列机组出现，使机身结构更加简单、铸造更加方便。 2 0 世纪7 0 年代初期，( 原民主) 德国德累斯顿技术大学提出了著名的各类压 缩机技术演化完善度评估曲线，标明往复活塞式压缩机完善度达到很高程度【3 】。 为开发早、完善度高的往复式压缩机，其技术进展近年虽然不及回转式压缩机迅 速，但有仍不断创新。具体表现如下【4 ，副： ( 1 ) 在石化领域，往复式压缩机主要是向大容量、高压力、低噪声、高效率、 高可靠性等方向发展；不断开发变工况条件下运行的新型气阀，提高气阀寿命； 在产品设计上，应用热力学、动力学理论，通过综合模拟，预测压缩机在实际工 况下的性能；强化压缩机的机电一体化，采用计算机自动控制，实现优化节能运 行和联机运行； ( 2 ) 在动力领域，往复式压缩机目前占有主要市场； ( 3 ) 在制冷空调领域，往复式制冷压缩机作为一种传统的制冷压缩机，适用 于制冷量较广范围内的制冷系统； ( 4 ) 线性( 直线) 压缩机及斜盘式压缩机等变型结构往复式压缩机也日益成熟。 往复式压缩机是一种应用广泛的基本机型。它是通过曲柄连杆机构把原动机主轴 的旋转运动转化为活塞的往复运动。活塞是往复式压缩机的关键运动部件之一， 它与气缸配合形成压缩容积。活塞设计的好坏与压缩机的性能( 如排气量等) 有很 大的关系。活塞与活塞环、刮油环、活塞杆或活塞销等主要零部件组成活塞组件。 其设计时必须满足下列要求：a 必须有良好的密封性；b 要有足够的强度和刚度； c 活塞和活塞杆( 或活塞销) 的连接与定位要安全可靠：d 重量轻，以减少往复惯性 力，两列以上的压缩机应根据惯性力平衡的原理尽量使各列平衡配置；e 制造工 艺性好。 压缩机运行时，活塞及活塞杆处于气体力、惯性力、摩擦力引起的周期性交 变载荷下工作，因此，导致活塞发生疲劳破坏，进而引起其它零件的失效 6 棚。 随着现代工业的不断发展，往复式压缩机不断大型化，传统活塞的弊端越来越突 第一章绪论 出。但是，因为受到轴功率和往复惯性力等因素的影响，设计活塞时只好被迫取 较小的安全系数，从而导致活塞在正常运行状态下破裂现象逐渐增多，对往复式 压缩机的安全、稳定、长期良好运行带来严重威胁。为此，围绕如何使活塞在苛 刻的工况条件下满足高性能指标要求进行多学科、多技术领域的研究开发及科研 攻关，如何开发多系列的高性能活塞形成独具特色的活塞设计、精密成形和自动 化制造技术，尤其是各种类型的活塞优化设计成了压缩机研究和发展的主要问 题。 国外往复式活塞压缩机发展方向为大容量、高压力、结构紧凑、能耗少、噪 声低、效率高、可塑性好、排气净化能力强；普遍采用撬装无基础，全罩低噪音 设计，大大节约了安装、基础和调试费用；不断开发变工况条件下运行的新型气 阀，使气阀寿命大大提高；在产品设计上，应用压缩机热力学、动力学计算软件 和压缩机工作过程模拟软件等，提高计算准确度，通过综合模拟模型预测压缩机 在实际工况下的性能参数，以提高新产品开发的成功率，压缩机机电一体化得到 强化。采用计算机自动控制，自动显示各项运行参数，实现优化节能运行状态， 优化联机运行，运行参数异常显示，报警与保护；产品设计重视工业设计和环境 保护，压缩机外型美观更加符合环保要求等。目前国际特大型往复压缩机制造厂 主要集中在欧美地区。由于有雄厚的工业基础作为保证，欧美产品的总体设计水 平，成套水平均优于国内，其制造工艺水平比国内更高一筹。 1 2 2 国内往复式压缩机的发展 国内往复压缩机技术水平同国外相比，主要差距为基础理论研究差，产品技 术开发能力低，工艺装备和实验手段落后，产品技术起点低，规格品种、效率、 制造质量和可靠性还有相当差距，技术含量高和特殊要求的产品满足不了国内需 要。经过多年的发展，我国往复压缩机经过2 0 年发展我国己经形成l ，d ，d z z ，h ， m 型等数十个压缩机系列的数百种产品。往复式压缩机在气阀技术、气流脉动、 振动和噪声、摩擦与润滑以及新工艺与新材料的应用等多个研究方向也获取了较 大的进展。国内中小型压缩机已经基本满足国内石化行业需求，我国大型往复式 压缩机，国内产品在稳定质量的基础上正向特大型化、集成化和智能化方面发展。 目前，沈阳气体压缩机股份有限公司从德国引进了了全套往复式压缩机设计制造 技术，在大中型往复式压缩机技术开发方面己取得突破性进展。1 9 9 0 年，我国 研制成功符合现行国际准则的4 m 5 0 大型氢气往复式压缩机组，1 9 9 6 年推出 6 m 5 0 型系列氮氢气压缩机组，1 9 9 8 年研制成功4 m 8 0 型系列大型氢气压缩机组。 往复式氮氢压缩机容积流量达到3 4 0 0 0 n m 3 h ，活塞压力达到8 0 k n ，出口压力达 到1 9 m p a ，功率达到4 0 0 0 k w ，已用于2 0 0 万吨年渣油加氢脱硫装置。国内自行 第一章绪论 设计制造的迷宫式压缩机流量达到9 8 0 n m 3 h ，出口压力达到3 8 m p a ，已经应用 于国内多套化工装置。部分类型大型机组的研制成功，打破了国外厂商长期垄断 我国炼油化工用往复压缩机市场的局面，标志着中国的往复压缩机制造能力正向 国际先进水平迈进i s 】。 近期国内外往复式压缩机的发展趋势：( 1 ) 高压、高速、大容量。提高压力 可以提高合成效率，所以相应的压缩机工作压力也不断提高；( 2 ) 提高效率和延 长使用寿命；( 3 ) 按系列化、通用化、标准化进行生产，以利提高产量、质量， 缩短制造周期，便于产品变型。根据其发展趋势，压缩机的研究主要是通过优化 压缩机的结构设计、动力设计和优化材料制造，机械部件加工等围绕以下几个 主要方面进行：( 1 ) 根据生产发展需要开发新产品；( 2 ) 不断提高已有的机器的 经济性和可靠性；( 3 ) 应用新工艺、新材料；( 4 ) 降低制造成本；( 5 ) 降低噪声。 1 2 3 国内外超高压往复压缩机发展及趋势 工业用超高压压缩机，是往复活塞式压缩机中的一个特殊门类，设计和制造难 点颇多，技术内涵极其丰富。2 0 世纪3 0 年代以后，随着合成氨工艺和聚乙烯的发 展，其工艺压力要求达1 0 0 m p a 以上，由此超高压往复压缩机便在化工行业体现 出其独特优势。1 9 3 9 年，英国帝国化学工业公司0 c i ) , i j 造了第一台压力达1 5 0 m p a 的压缩机。为提高聚合率，低成本，生产规模屡屡更大型化，聚合压力向3 0 0m p a 以上发展。 工业用超高压压缩机必须妥善解决的关键问题有：承受超高压力的组件的持 久极限，活塞和缸套( 或柱塞与填料) 之间的滑动密封，以及传动机构保证活塞( 或柱 塞) 运动的精确直线性和气缸极严格的对中，实现超精加工和对冶金材料的高要 求。尽管在超高压工况下活塞及活塞杆等部位的密封和润滑等方面的出现了较多 的问题，随着但随着对密封结构的不断改进，尤其是特装填料函及皮质密封圈及 黄铜制的弹簧箍紧密封环的使用，以及后来合金平面填料密封的使用，大大增强 了活塞杆等部位的密封效果。 工业用超高压压缩机产品系列工业用超高压压缩机开发之初步履缓慢，作为 压缩机专业制造厂，德国g h he s s l i n g e n 于1 9 4 1 年制造了质量流量5 0k g h 的超高 压乙烯压缩机，吸气压力3 0m p a 、排气压力1 5 0 m p a 。瑞士苏尔寿公司( s u l z e r ) 于1 9 5 0 年、美国英格索兰公司于1 9 5 3 年制造了各自的首台超高压压缩机。日本 日立公司于1 9 6 9 年来件组装了首台超高压压缩机。苏尔寿公司首台1 5 0m p a 压 缩机为立式、4 缸、质量流量5t l l 。直到1 9 6 4 年，最大型的超高压压缩机还是美 国克拉克公司的2 9 4 0k w 、3 5 0 m p a 机型。8 0 年代是超高压压缩机技术日臻成熟、 生产大规模发展的时期。累计制造台数最多的苏尔寿公司，到9 0 年代已逾2 0 0 台。 第一章绪论 经济价值极高。活塞力在1 0 0 0 k n 以上、功率超过1 0 0 0 0k w 的超高压压缩机，已 不是个别的了。苏尔寿公司的最大功率机型己高达1 7 0 0 0k w 。 工业用超高压压缩机的超高压元件，其寿命长短决定了压缩机的成败。不可 忽视的是，元件寿命与系列参数值有直接关系。元件寿命相关因素如下：压缩机的 活塞平均速度值c m 及决定了c m 值的行程值s 和转速值n 。受气阀工作状态和 气管路压力波动的影响之限制，转速不宜高。当采用柱塞时，行程值宜稍长；以便 柱塞得到较充分的冷却。活塞平均速度以1 5m s 为宜。活塞( 或柱塞) 运动的精确 直线性，滑动密封元件的材质，密封元件和与之对磨的缸套或柱塞的表面粗糙度 值。 润滑油的类型、品质，供油系统的设计和润滑油量值。注油量必须精确核定， 不足或过量均不妥。当油量过多时，油压可能升高并超过气压值，使密封环、柱塞 间的接触压力增高并可能咬死，采用活塞环或填料密封时。其供油系统设计之不 同。 经过几十年的发展，高压聚乙烯装置中使用的超高压压缩机排气压力已达到 3 5 0 m p a ，活塞力达到1 2 0 0k n ，使该类压缩机成为石化生产装置中压力最高、密 封难度最大的往复压缩机之一。超高压往复压缩机一般采用单作用一连杆具有框 架式十字头的对置式，从而可使相对列的气体力抵消掉一部分，从而减少了连杆、 曲轴的负荷。此外，两列均无向上的侧向力，故运转时比较平稳。这种结构往复 质量很大，但因考虑到密封元件等的耐久性，超高压压缩机一般转速不高，其惯 性力不至超过最大气体力。采用平衡布局可以使一阶、二阶往复惯性力、回转惯 性力以及往复惯性力矩和回转惯性力矩基本能够平衡。通常意义的活塞由柱塞来 代替，没有通常的活塞环提供密封，而是一般用多组的金属平面填料组成整套填 料密封，共同起到密封作用。 目前能够制造应用于高压聚乙烯装置的这种超高压压缩机供货商主要有瑞 士苏尔寿( s u l z e r ) 公司和意大利的新比隆公司。苏尔寿生产超高压压缩机历史 较长，设计思想比较成熟。超高压压缩机机型主要有f 和k 型，其中f 型打气量可达 8 0 t h ，k 型可达1 2 5 t h ，苏尔寿现能生产k 1 2 型压缩机，电机功率可达2 2 0 0 0k w ， 苏尔寿相应的压缩机机型有f 1 2 型或k 8 型，但使用较多的为k 8 型，气缸数量较少， 可节省相当的备件数量，降低成本。2 0 世纪6 0 年代新比隆运用另一套思路开始设 计超高压压缩机，其气缸设计以新比隆在高压方面丰富的经验为基础，运动机构 为保证柱塞的精确运动，十字头采用特殊结构，无需辅助十字头，使得新比隆压 缩机在运动机构和气缸组件方面有其较为特殊的地方。随着高压聚乙烯的技术不 断向前发展，作为高压聚乙烯心脏设备之一的超高压压缩机也需不断发展，以满足 聚乙烯技术发展的需要。 第一章绪论 我国国内目前尚无此类大型往复超高压压缩机的整机设计制造能力，随着我 国石油化工业的飞速发展，我国已引进此类超高压压缩机1 0 几台套，经过多家企 业和科研院所的共同努力，已经能够生产超高压压缩机的部分零部件，并且部分 零件已经国产化。 随着高压装置低密度聚乙烯( 以下简称l d p e ) 技术的不断发展，超高压压缩 机发展趋势【9 1 ，主要呈现以下几个方面：( 1 ) 随l d p e 装置规模越来越向大型化方 向发展。为了节省投资和降低产品成本，超高压压缩机也需向大型化方向发展。( 2 ) 在l d p e 装置扩能方面。装置年产能力增大，要求压缩机的打气量相应提高，需要 超高压压缩机打气量增加，途径是增加气缸数量。( 3 ) 压缩机生产厂家越来越重视 与专利商间的战略伙伴关系。( 4 ) 日益注重科技开发，特别是在压缩机振动方面的 研究，防振问题是超高压压缩机今后研究的关键课题之一。( 5 ) 加大对机组状态监 测的力度。如对轴瓦温度、柱塞振动、吸排气阀的检测等，以确保机组的安稳运 转。 1 3 密封技术发展趋势 1 3 1 流体密封技术在工程中的作用及分类 流体密封是防止或限制流体泄漏的工程技术或零部件。起密封作用的零部 件通常称之为密封件。放置密封件的部位称为密封腔。流体密封是机械设备的易 损性、关键性和基础性零部件1 1 0 】。密封件虽然不大，但往往能决定机器设备的安 全性、可靠性和耐久性，成为制约设备运转周期乃至生产装置运转周期的关键， 正如我国密封技术专家顾永泉教授所割1 1 j ：“密封技术虽然不是领先技术，但往 往却是决定性技术”。密封技术在现代流体机械中具有非常重要的作用。它对提 高机械效率、节省能源、节约料以及提到机器工作的可靠性和环境保护等方面， 起到积极的作用。流体密封作为- - f 新兴的工程技术学科，其体系正在在不断完 善之中。 流体密封件密封的流体一般包括气体、液体、以及气体液体混合物、气体 液体固体颗粒混合物。其泄漏通常以穿漏、渗漏和扩散三种形式发生。对密封 的基本要求是：要保证结合部分的密闭性、工作可靠性，并力求结构紧凑、系统 简单、制造维修方便、成本低廉及良好的互换性强。以泄漏量、寿命和使用条件 ( 压力p 、速度v 、温度t ) 衡量流体密封好坏的主要技术指标。流体密封装置( 或密 封) 是流体机械、工艺设备、液压设备、管道和阀门等的重要组成部份。其主要 作用有：维持设备的正常工作条件，如高压、高真空等；保证设备及人身的安全； 消除或减轻环境污染；防止或减少物料和能源的消耗，提高设备的效率。 第一章绪论 流体密封按运动型式分为静密封、动密封、伪静密封( 或称微动密封) 以及转 化为静密封的动密封。其中动密封是密封元件之间彼此有相对运动的密封，又分 为往复密封、旋转密封和复合运动密封。伪静密封( 或微动密封) 是一种介于静密 封与动密封之间的密封形式，表面上看是静密封，实际上处于微动状态，如机械 密封或干气密封中补偿环处的副密封就属这种密封形式。 1 3 2 压缩机轴密封主要形式及发展 处理危险性工艺流程气体的压缩机必须采用密封性能良好的轴端密封形式， 以实现流程气体向环境的微泄漏或零泄漏。从密封的发展和技术水平来看，先后 经历了四个阶段：迷宫密封、浮环密封、机械密封、干气密封。 ( 1 ) 迷宫密封 迷宫密封是利用节流降压来减小气体的泄漏量，通过抽气与充气可以密封危 险性气体。其优点是：非接触式，使用寿命长；结构简单，制造成本低，维护方 便。但存在的缺点是：泄漏量大，运行维护费用高；有环境污染的危险。适用带 有微小固体颗粒及气体或液体为介质的密封部位，比如我国首台大型迷宫压缩机 的活塞杆部位的密封就采由于回收气体中含有少量固体粉料而采用整体式的迷 宫密封。虽然迷宫密封存在泄漏量较大的缺点，但在特殊场合仍有较大用途。 ( 2 ) 浮环密封 浮环密封是压缩危险性工艺气体的透平压缩机轴端密封的传统型式【1 2 】，到目 前为止，在各种实际应用的密封型式中仍然占据一定地位，特别是在一些老机组 和高压领域内。从发展历史看，这种密封是替代迷宫式抽充气密封的第二代密封。 浮环密封是采用“以油封气”的原理来实现被密封气体的零泄漏。从原理上来 说，浮环密封是一种液体( 油) 节流式非接触密封，通过油楔作用使浮环克服自重 而与轴或轴套保持一定的间隙，避免固体间的直接接触。浮环密封有两大主要优 点：属于非接触式密封，寿命长，可靠性高；适用于高速和各种压力等级， 工况范围广。正是这两点使浮环密封成为危险性工艺气体压缩机轴端密封的传统 型式。然而，浮环密封其缺点是：内泄漏较大，回收处理内泄漏油( 污油) 的设备 比较复杂庞大；浮环密封的油气压差很小，控制系统复杂。为克服普通浮环密封 内泄漏量缺点，出现了一种由螺旋密封与浮环密封组合的螺旋浮环密封形式，其 基本结构特征为：在内浮环内孔的外侧即靠近轴承的一侧加工出一段起增压作用 的螺旋槽，形成具有增压效果的增压段；在靠近被密封气体的内侧加工出一段起 反向泵送作用的螺旋槽，形成具有防漏效果的防漏段；两者中间为光滑的浮升段。 该密封具有可靠性高和内泄漏小的突出优点，其性能可以与机械密封媲美。 ( 3 ) 机械密封 第一章绪论 随着高新技术和工业的高速发展，机械密封以其多方面的优越性被广泛应 用。目前石化行业中，8 0 以上的叶片泵采用了机械密封。影响机械密封的因素 主要在于密封端面磨损，对边界磨损的研究尤其是流体动压密封的研究，主要集 中在表面波度及锥面密封、空化现象等研究方向。以在密封端面上开设各种形式 的沟槽来改变端面润滑状况实现机械密封长寿命运行，通过相关试验数据相验 证，进行密封机理的研究以及结构参数的优化是近期研究的热点。从国内外密封 技术的发展来看，在表面开设宏观沟槽的流体动压式机械密封能较好地满足高 压、高温工况，在宇航、海洋及原子能工业中受到较大的重视。这些对于端面结 构设计的基础性研究仍有待深入研究。端面槽形的精密：0 h i 是另一个技术关键。 如何扩大激光加工的可加工材料范围以及各种材料在激光加工时的工艺研究也 有待于进一步研究。 ( 4 ) 干气密封( 气体润滑的端面密封) 干气密封是一种新型的无接触轴封，是采用“以气封气”、流体动静压结合的 非接触式机械密封，用于密封旋转机器中的气体或液体介质。与其它密封相比， 干气密封具有泄漏量少，磨损小，寿命长，能耗低，操作简单可靠，维修量低， 被密封的流体不受油污染等特点，是最先进的一代透平压缩机轴端密封形式。 1 9 6 9 年在第四届国际流体密封会议上发表了非接触式机械密封的流体动静 压混合润滑原型1 3 1 ，1 9 7 4 年，螺旋槽干气密封首次成功应用于炼油厂的透平膨 胀机上【l4 1 ，随后，技术不断成熟、完善，得到了迅速发展，成为了标志国际先进 水平的干运转密封技术 1 5 , 1 6 , 1 7 】。 国内从2 0 世纪9 0 年代开始，对干气密封进行了理论研究和实验研究，并取 得了长足的进步，获得了工业应用。这类密封有以下突出优点：端面非接触，寿 命长，可靠性高；密封功耗低，节约能源；运行和维护费用低。m u i j d e r m a n 针对 螺旋槽轴承进行了十分详细的分析。对螺旋槽气体密封端面压力分布的解析的计 算一般均采用m u i j d e r m a n 所获得的公式，运用有限元法计算【1 8 1 9 1 。2 0 0 2 年日本 学者w x c a i 等同样利用有限元法( f e m ) 研究了螺旋槽气体密封的性能，分析了 操作参数和结构参数对密封性能的影响规律1 2 0 1 。 ( 5 ) 其他类型的密封 螺旋密封和间隙密封都属于径向非接触式密封，但螺旋密封是流体动压( 反 输) 型密封，间隙密封是流体静压( 流阻) 型密封。 间隙密封的密封机理是【1 1 】：它是依靠缝隙通道产生一定的流动阻力来减少泄 漏达到密封的目的。在被密封介质和操作工况相同的条件下，要提高密封效果， 就必须延长密封长度或和减小密封间隙，但是这两种方法在现场都会受到不同 程度的限制。对中、高粘度介质来讲，此时采用螺旋密封是解决上述矛盾的有效 办法之一。 第一章绪论 螺旋密封是由光滑衬套与螺杆或螺套与光轴组成，前者被称为螺杆式螺旋密 封，后者被称为螺套式螺旋密封。螺旋密封的密封机理是：它在旋转轴与静止壳 体之间有一个狭长的间隙，其间允许有粘性流体，当螺杆( 轴) 旋转时，液体摩 擦力作用在螺旋槽内的液体上，使之产生轴向反压，形成所谓的“泵送回流”，如 果回流量q ，与密封腔内介质压力p ，和大气压之间的压差p 引起的泄漏流量相 等，则可确立非接触型无泄漏密封，达到完全密封。这种密封是依靠被密封液体 的粘滞力产生压头来封住介质的，因此又叫做粘滞密封。 1 3 3 填料密封的发展 填料密封又叫压盖填料密封，俗称填料( p a c k i n g ) ，它是一种填塞环缝压紧 式密封，在流体密封领域，是世界上应用最早的一种密封装置【1 1 1 。由于其结构简 单、更换简便、成本低，因而在石油工业、石油化学工业、造纸工业、食品工业 以及其它工业的动密封中有着非常广泛的应用，其不足之处在于密封性较差，对 轴或轴套磨损大，摩擦功耗大以及使用寿命短等。 用作填料密封的材料种类很多，一般可分为硬质填料和软质填料两种。对 于填料密封的密封机理目前有两种认测2 1 2 2 ：( 1 ) 硬质填料( 如紫铜、巴氏合金、 填充聚四氟乙烯等) 密封是依靠轴与填料之间的一层压力油膜实现密封，保证相 对摩擦面形成油膜是轴封设计的关键；软质填料( 如铅丝编织填料、油浸石棉填 料等) 实现密封的条件是靠介质端填料对轴的径向接触应力r 大于或等于被密封 介质的压力尸f ，即嘲，所需密封力由压盖加压获得。( 2 ) 填料密封并不是因 填料同旋转轴( 或轴套) 紧密配合阻止内部流体泄出，而是通过填料与轴之间的 润滑膜阻止泵内液体外泄，当泵腔内形成真空时，油膜能起到防止空气被吸入泵 内的作用，这层油膜来自所用的填料，填料通常用石棉、人造纤维等材料制成。 它们的内部组织有着较大的空隙，空隙内均由润滑剂充满，或者在使用时，填料 外面涂上一层较稠的机械油，这种润滑剂就是通常所指的浸渍剂，用来补充润滑 膜，当已有的润滑膜使用一段时间后逐渐消失，就会产生泄漏。此时应将压盖再 压紧一些，使填料内的浸渍剂被挤出，形成新的润滑膜，重复这种操作，直至填 料中浸渍剂耗尽或干燥失效，此时应重新更换密封填料。 针对传统填料密封不合理的压紧力分布( 受力问题) 、填料磨损后无自补偿 能力( 自动补偿问题) 和散热性差等缺点，近二十年来，许多从事填料密封的研 究工作者 2 3 , 2 4 】，在密封的结构研究上做了大量工作，使得填料密封的结构更为科 学合理1 2 5 , 2 6 。对于受力问题，目前在生产实际中应用较多的解决办法是将单段长 密封改为多段短密封，例如巴陵石化公司的化纤厂就在己内酰胺聚合釜搅拌轴封 上，采用的双段填料密封结构代替单段密封成功地解决了密封泄漏问题【2 7 】，或采 用几种不同种类的填料组合使用，或和设置硬度较高的隔环来间隔填料，以使 第一章绪论 压力降沿轴向较均匀地分布。最新研究表明，将传统的反向加载( 同液压方向相 比) 改为同向加载，可使径向抱紧力的轴向分布与介质压力分布接近，并使最大 压紧力降低，从而大大延长了填料密封的工作寿命，如图l - 1 ( a ) 所示。对于自动 补偿问题，可采用液压加载和弹簧加载来解决，如图1 - l ( b ) 所示。 0 ( b ) 同向加载；( b ) 寝压和弹簧加载 图1 1 软填料密封 f i g 1 - 1w a d d i n gs e a l i n g 但当填料磨损较大时，由于补偿磨损填料所需压紧力很大，而上述加载补偿 能力有限，所以在实际应用中仅限于密封压力低、填料柔软、压紧力不大的场合。 许多新材料的问世，使得新型填料得以开发，从而给填料密封技术带来了 新的生机。如芳纶填料( 又称聚芳酰胺纤维填料) ，其高强度和高耐磨性是目前 任何非金属纤维无法比拟的，从而使公认的固液相混合流体的密封难题得以解 决。又如聚四氟乙烯纤维编织填料( p t f e 纤维填料) ，这种填料解决了p t f e 害0 裂纤维高压冷流和热胀系数大的缺陷。为了减小摩擦力，上述两种填料自身可用 各种润滑剂浸渍，其中以p t f e 分散剂尤其有效。 组成填料的不同材料，都具有各自的特性。在诸多特性中，有的是对千变万 化的流体密封工况条件来讲是优点，有利于密封，有的则是缺陷，不利于密封。 用几种不同性能的新材料进行复合，可以相互弥补各自的缺陷，更好的发挥各自 的优点。由复合材料制成的填料对提高密封效果和使用寿命非常有利，这是新型 填料的发展趋势。如芳纶碳四氟柔性石墨填料、碳纤柔性石墨填料、四氟柔性石 墨填料和碳四氟柔性石墨填料等就是这类复合材料的典型代表【2 引。这些先进复合 材料的结构组成基本相同，均以柔性石墨为中芯，以高强度材料如芳纶纤维、 p t f e 纤维和碳素纤维作为填料密封面的接触表层，采用穿心编织结构，因此既 具有柔性石墨的高回弹性、应力松弛小、耐高温和耐强腐蚀等特点，又有纤维材 料的高强度等优点，从而使密封效果和使用寿命都得到成倍提高。不过，在高温 第一章绪论 条件下，目前许多非金属材料的蠕变松弛现象常常会引起填料密封失效，必须引 起重视i 四j 。 对填料密封的轴向和侧向压力分布进行检测和研究十分重要，研究结果不仅 可直接用于指导填料材料设计和复合，而且还对成型填料的安装组合有参考价 值。文献【3 0 】采用压电测试法测量轴向压力和侧向压力的分布，比采用传统的应电 测量法具有独特的优越性。 1 4 课题的意义和本文主要内容 针对l d p e 装置超高压压缩机填料使用寿命短，影响装置和机组的运行安 全，每年造成的经济损失巨大，因此选择对影响填料寿命的各种因素，产生机理 进行分析和研究有较大的实际意义。 1 4 1 课题的意义 随我国石油化工行业的迅猛发展，国内高压聚乙烯低密度装置( 以下简称 l d p e 装置) 越来越多，目前在运装置已经超过1 0 套，还有天津乙烯等装置陆续 投用。为该类装置提供超高压乙烯的核心设备超高压压缩机的稳定运行，成为制 约该类装置安全长周期运行的关键。具对某厂l d p e 装置几年停车原因统计来看， 因超高压压缩机故障原因停车占到装置停车的4 9 ，其中因为填料密封泄漏导致 停车占8 5 ，开停车1 次损失乙烯近3 0 t ，加上其他直接经济损失近6 0 万元，每年 造成损失几百万元以上。据了解，同行业中其他该类装置因该方面原因导致的停 车所占比例与齐鲁石化l d p e 装置基本相当。由于该压缩机在运行时，填料处于 非常大的气体力、惯性力、摩擦力引起的周期性交变载荷下工作，常导致填料密 封发生疲劳等损坏，引起其它零件的失效，从而导致填料的使用寿命大大缩短， 对超高压压缩机及装置的安全、稳定、长期良好运行带来严重威胁。因此在全国 范围同行业来说，如何使超高压压缩机填料密封在苛刻的工况下满足长周期运 行，从密封原理和结构优化设计、填料及附件的选材到日常操作维护等多角度进 行分析，进行多学科的研究，寻求提高填料使用寿命的措施非常必要，有重大的 应用工程价值。 目前对超高压压缩机填料失效进行分析的资料不多，仅有少量对密封失效机 理从填料腐蚀、振动学等方面进行了部分理论研究，在查阅文献的过程中尚未见 到用从气体渗透及微振磨损区受力和填料密封环预紧力受力情况以及在操作、日 常维护措施和国产化备件尝试等方面的相关报道。 通过对超高压压缩机填料的密封原理、失效机理的探讨及损坏填料函国产化 第一章绪论 修复等的尝试型探索，对推动我国大型化工超高压压缩机国产化发展意义重大。 1 4 2 本文主要内容 本文在研究了压缩机及往复压缩机尤其是超高压压缩机的发展现状和趋势