（机械工程专业论文）大型离心压缩机密封技术研究.pdf

一 奎型塑：尘垦堕垫查塾垫查箜塑壅 摘要 随着科学技术和石油化工工业的飞速发展，各种离心压缩机得到了广泛的应用。由 于操作条件的不同，尤其是高压、易燃、易爆、有毒气体等苛刻条件，使密封技术至关 重要。否则，一旦轴端密封发生泄漏，会造成巨大的经济损失，甚至危及到操作人员的 生命安全。本文在把握国内外离心压缩机密封技术的发展状况，借鉴其他企业的成功经 验基础上，根据我厂机组结构特性、工艺特性、介质泄漏程度要求的不同，以及浮环密 封、锥形浮环密封、抽充气式迷宫密封、机械密封、干气密封的各自特点，对离心压缩 机存在的密封问题进行了全面剖析，研究了适合每台机组最佳、可靠的密封技术，实施 了本地化技术改造，降低了生产成本，满足了机组长期稳定运行的生产要求，取得了显 著的经济效益和社会效益。 本文主要针对离心压缩机中富气和循环氢气压缩机的密封技术，进行了以下几个方 面的研究： 1 ) 富气压缩机浮环密封的技术改造，对迷宫密封损坏严重、密封油受到介质污染、 密封油窜入润滑油系统等问题进行了研究。 2 ) 循环氢气压缩机锥形浮环密封的技术研究，年产8 0 万吨柴油加氢装置的循环 氢气压缩机采用锥形浮环密封，技术先进，使用可靠。通过对其特点和密封机 理的分析研究，熟练掌握了锥形浮环密封的应用技术，并对实际出现的问题及 时妥善解决。 3 ) 富气压缩机充气式迷宫密封的技术改造，焦化装置富气压缩机原来采用简单的 充气式迷宫密封，密封效果不好、泄漏大，迷宫密封频繁损坏，机组无法实现 长周期运行。把原来简单的充气式迷宫密封改为抽一充气组合式迷宫密封，同 时气封采用更为高级的材质，实现了机组长周期运转。 4 1 富气压缩机进口机械密封的国产化，该机所配密封是美国进口原装密封，如果 仍采用进口密封，价格昂贵。故将其国产化并作了局部改造，降低了生产成本。 5 ) 循环氢气压缩机干气密封的先进技术研究，为今后扩大应用奠定了基础。 关键词：离心式压缩机浮环密封机械密封干气密封循环氨压缩机 大型离心压缭机密封技术的研究 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , v a r i o u sc o m p r e s s o r h a sb e e na p p l y e dw i d e l y h o w e v e rs e a lt e c h n i q u ei ss t i l lv i t a ii ns o m ew o r k i n gc o n d i t i o n s e s p e c i a l i nt h ec a s eo fh i g hp r e s s u r e ，c o m b u s t i b l e ，e x p l o s i v ea n dp o i s o n o u sc o n d i t i o n s i f h a p p e n e da c c i d e n t ，i tw i l lb r i n gh u g ee c o n o m i cd a m a g ed u e t os t o p p i n gt h ep r o d u c t i o n ，e v e n e n d a n g e rt h ew o r k e r sl i f e 0 u rf a c t o r yh a sl o n gh i s t o r yw i t he x c e l l e n tt r a d i t i o n s i t so u r p e r s i s t e n tt e n e tt h a tk e e p i n gd e v i c ew o r k i n gw e l l f u l l y , s a f e l y , s t e a d y l y , p e r m a n e n t l y w i 也 t h i sp u r p o s e ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h es t a t eo f d o m e t i ca n do v e r s e a ss e a lt e c h n i q u e ；u s e so t h e r e n t e r p r i s e ss u c c e s s f u le x p e r i m e n t s f o rr e f e r e n c e ；c o m b i n e s 也e f a c t o r y s e t ss t r u c t u r a l p r o p e r t y t e c h n i c sc h a r a c t c r i s t i ca n dt h ed i f f e r e n tr e q u e s t o fm e d i u m l e a k a g ed e g r e e ；c o n s i d e r s t h er e s p e c t i v es t r o n g p o i n t so f f l o a t i n gr i n gs e a l ，c o n i c a lf l o a t i n gs e a l ，s u c t i o nl a b y r i n t hs e a l ， i n f l a t o rl a b y r i n t hs e a l m e c h a n i c a ls e a l ，d r yg a ss e a l ：f i n d so u tt h eo p t i m u m 。d e p e n d a b l es e a l t e c h i n i q u ef i t i n gf o re a c hs e to n t h eb a s eo f e n t i r ea n a l y s i so nt h ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r a n d i nt h ee n db yp u t t i n g 血i sp l a ni n t o p r a c t i c et h ef a c t o r ya c h i e v e s1 0 c a l i z e dr e c o n s t r u c t s ， r e d u c e st h ep r o d u c t i o nc o s ta n df u l f i l st h ed e m a n d so fs e c u l a rs a f eu s e i tb r i n g sr e m a r k a b l e e c o n o m i cr e s u l t sa n ds o c i a lb e n e f i c i a lr e s u l t s t h i sp a p e r sr e s e a r c hf o c u s e so nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： na e r i a lc o m p r e s s o rr e c o n s t r u c t i o nw i t hf l o a th o o 口s e a l ：s o l v i n gt h ep r o b l e m so fs e v e r e a b r a s i o no f l a b y r i n t hs e a l m e d i u n l c o n t a m i n a t i o no fs e a lo i la n ds e a lo i ll e a k a g et ot h e l u b r i c a t i n go i ls y s t e m 2 、r e s e a r c ho nc o n i c a lf l o a ts e a lo f c e n t r i f u g a lc o p r e s s o r ：t h ec o n i c a lf l o a ts e a lt e c h n i q u e i sa p p l i e di nt h ec i r c l eh y d r o g e n c o m p r e s s o r so f d i e s e lo i lh y d r o g e n a t i o nd e v i c ew h i c h h a v e8 0 0t h o u s a n dt o n so u t p u t b yt h ea n a l y s i so fi t ss e a lm e c h a n i s m t h et e c h n i q u eo f c o n i c a lf l o a ts e a li sa p p l i e dm a s t e r l yt os o l y et h ep r o b l e m si nt h ep r a c t i c e 3 、a e r i a lc o m p r e s s o rr e c o n s t r u c t i o nw i t hi n f l a t o rl a b y r i n t hs e a l ：t h ea e r i a lc o m p r e s s o r f o r m e r l ya d o p t e ds i m p l ei n f l a t o rl a b y r i n t hs e a la n d i td i d n tw o r kw e l ld u et ot h ev a s t l e a k a g ea n df r e q u e n t l ya b r a s i o no f t h el a b y r i n t hs e a l ，s ot h em a c h i n e c o u l d n to p e r a t e i ni o n gt e r m b yt h eu s eo ft h ec o m b i n a t i o no fs u c t i o nl a b y r i n t hs e a la n di n f l a t o r l a b y r i n t hs e a la n da d v a n c e dm a t e r i a l s t h em a c h i n eg a i n sl o n gt e r mo p e r a t i o n 4 1a e r i a l c o m p r e s s o r l o c a l i z a t i o no f i m p o r t m a c h e n i c a ls e a l ：t h el o c a l i z a t i o n r e c o n s t r u c t i o nr e d u c e st h ec o s to f i m p o r te x p e n s e o f o r i g i n a lu s d e v i c e 5 、r e s e a r c ho f c i r c l eh y d r o g e nc o m p r e s s o rw i t hd r ya i rs e a l k e y w o r d s ：c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rf l o a t i n gr i n gs e a l m e c h a n i c a ls e a l d r yg a ss e a l h y d r o g e nr e c y c l es e r v i c e 大型离心压缩机密封技术的研究 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 炼油厂有各种形式的大型离心压缩机组，催化、焦化装置的富气压缩机， 重整加氢装置的循环氢气压缩机等，这些都是炼油厂的主要关键设备，对生产 装置的正常运行起着举足轻重的作用，一旦出现故障，生产装置将被迫停车。 过去由于对密封理论及实用技术掌握得不好，在密封的选型及对实际问题 的处理当中，曾经出现一些问题，最终导致密封失效，介质泄漏，装置停车停 产企业效益严重受损。近几年，我厂非常重视大机组的长周期运行，而且， 因为企业效益不错，所以，在大机组密封的改造上投资比较大。密封选型不合 适的要彻底改型；存在问题的要想办法改造；自己厂技术力量不能解决的可以 找密封专业厂家帮助解决。本文所做的研究工作正是在这样一种形势下开展 的，企业对此非常重视，也非常需要。希望通过本文的研究工作，使我厂的大 型离心压缩机组能够长周期平稳运行，满足生产装置安全、正常生产的要求。 企业的发展在追求经济效益的同时，也注重社会效益，在追求性能的同时， 也更加追求安全和环保，高效先进的轴端密封，其消耗低、更加节能、更加安 全、更加环保、可以实现零泄漏。本文所涉及的离心式压缩机的轴封研究和改 造，是国内目前大多数石化企业所面临的问题，有很强的实用性和参考价值。 1 2 大型离心压缩机组密封技术的发展及现状 目前国内外石化行业普遍用离心压缩机来输送各种气体。为了防止或限制 这些气体沿压缩机旋转轴端部泄漏到大气中去，就必须采用各种轴端密封装 置，以便维待主机的正常运转，降低物料和能源的消耗，防止环境污染和保证 人身及设备安全。 离心压缩机所采用的密封通常有四种形式，即抽气式或充气式迷宫密封、 浮环密封、机械密封和干气密封1 。 1 2 1 抽气式或充气式迷宫密封 抽气式或充气式迷宫密封结构简单、安装操作方便，辅助设备少，一般允 许压缩机内的介质微量漏到大气中去，而且只适用于低压介质密封。首先，以 空气为介质的压缩机绝大多数采用通过节流来降低泄漏的迷宫式( 梳齿式) 密 封，这是因为空气既无任何危险又非常廉价，其泄漏量的大小只是影响主机的 效率即能源的消耗。因此，对迷宫密封的主要研究课题是如何加强节流功能以 降低泄漏量。利用强化节流效应来降低气体泄漏量的蜂窝密封或刷式密封，也 可以看作是改进型的迷宫密封。 其次，压缩氮气、二氧化碳等“中性”气体的压缩机也可以采用迷宫密封， 但由于其价值远较空气为高，故在某些大型化肥厂采用气膜螺旋槽密封，其目 的是降低物料和能源的消耗。 石化行业危险性工艺气体压缩机使用的第一代轴端密封是迷富式抽充气 密封。沈阳鼓风机厂在6 0 年代和7 0 年代用的就是这类密封，该厂8 0 年代引 进意大利新比隆公司的浮环密封技术之后将这类密封淘汰了，原因是这类密封 一奎型曼尘垦堡塾查塑垫查塑里壅 运行维护费用高，污染环境。 1 2 2 浮环密封 浮环密封是液体密封的一种，它是从固定套筒式油封发展而来的。浮坏就 图1 一l 国外某公司浮环密封的示意图 是处于转轴上，位于浮环密封腔内的两个与转轴具有较小间隙的圆环。封油注 入浮环密封腔后，沿浮环间隙向内浮环内侧和外浮环外侧泄漏。由于转子处于 高速旋转状态流入浮环间隙内的封油，在旋转轴的作用下形成了具有一定承 载能力的油膜。该油膜一方面将浮环抬起，使浮环与轴颈间实现液体润滑，从 而减轻摩擦、降低磨损。另一方面，由于油膜充满了整个浮环问隙，所以阻止 气体介质外漏，从而起到了密封的作用。浮环密封是压缩危险性工艺气体的离 心压缩机轴端密封的传统型式，到目前为止，在各种实际应用的密封型式中仍 然占据主导地位。从发展历史看，这种密封是替代迷宫式抽充气密封的新一代 密封。沈阳鼓风机厂就是用国外引进的浮环密封来替代过时的述宫式抽充气密 封。 图1 1 给出了国外莱公司浮环密封的示意图。它由内浮环和外浮环组成。 在内外浮环之间引入其压力稍高于被密封气体压力( 一般为0 0 3 0 0 5 m p a ) 的密封油。内外浮环通过小间隙节流分别限制内泄漏和外泄漏。内浮环压差小， 2 大型离心压缩机密封技术的研究 通常间隙也较外浮环小些，故内泄漏远较外泄漏为小，一般为2 0 0 0 3 0 0 0 m l h 。为了使密封得到充分的冷却，外浮环的间隙较内浮环大些，以加大外泄 漏量( 即循环量) 。当密封高压气体时、由于外浮环的压差过大，为了限制外 泄漏量通常采用多级外浮环。由此可见，浮环密封是通过封油来达到封气的目 的的。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侍一定的间隙，避免圆体间的直接按 触。由以上论述可知，浮环密封有两大主要优点：1 ) 属于非接触式密封，寿 命长，可靠性高：2 ) 适应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，浮环密封也有两大缺点：1 ) 内泄漏仍然较大，回收处理内泄漏油 ( 污油) 的设备比较复杂庞大，包话油气分离器、脱气槽及控制系统、特别是 当内泄漏过大和该系统失灵时便存在密封油污染工艺回路的危险，其结果是降 低产品质量，甚至毒化催化剂，直至造成装置停机。为了克服这一缺点，浮环 密封本身也在向减少内泄漏的方向发展，例如，采用带泵吸效应的内浮环。2 ) 浮环密封的油气压差很小，控制系统复杂。浮环密封辅助系统的投资远远高于 密封本身的投资。正是由于上述两大缺点，浮环密封受到了更先进的密封型式 的严重挑战。 1 2 3 机械密封 过去，抽气式或充气式迷宫密封和浮环密封被广泛采用，随着密封技术的 发展，机械密封和干气密封相继推广使用。离心压缩机采用的传统的浮环密封 正在逐步被先进的机械密封所取代，因为机械密封的泄漏率明显低于浮环密 封。这不仅减少了密封油的消耗，更重要的是减少了密封油对工艺回路的污染。 机械密封的润滑和控制系统更简单、操作更方便且安全可靠。尽管机械密封比 浮环密封的成本高，但从总的技术经济特性分析，其优越性是十分明显的。 在中低压工艺气体离心压缩机领域，用枫械浮环组合密封或双端面机械密 封替代传统的俘环密封是当今国际上一个重要的技术发展趋势。在7 0 年代从 国外引迸的大型石化装置中，只有8 套美荷型大化肥在原料气压缩机( 1 0 2 j ) 和氨冷冻压缩机( 1 0 5 j ) 上采用了由美国k o p p e r s 公司( 即现在的k a y d o n 公 司) 生产的这类密封。到了8 0 年代和9 0 年代，从国外引进的石化装置中这类 密封越来越多，不仅涉及化肥，而且涉及炼油、乙烯、化工等领域。这类密封 的生产厂家主要有美国的k a y d o n 、d r e s s e r - - r a n d 、德国的p a c i f i c 、b u r g m a n n 等。美国的公司一股采用表面硬化钢做旋转环，而德国的公司一般采用碳化钨 或碳化硅做旋转环1 2 1 。图1 2 给出了美国k a y d o n 公司生产的机械浮环组合密 封的示意图。 这类密封在低中压离心压缩机领域之所以逐步替代传统的浮环密封，是基 干两方面的原因：”克服了浮环密封内泄漏量过大和辅助系统复杂两大缺点； 2 ) 在技术上已经成熟到其寿命和可靠性并不亚于浮环密封的程度。与浮环密 封相比，这类密封的内泄漏量由2 0 0 0 篡3 0 0 0 m l h 降低到1 0 0 1 0 0 0 m l h 。 这佯，不仅减少了密封油污染工艺回谱钓危险性，而且污油回收设备的重量和 占地面积均减小了。其次，这类密封的油气压差由浮环密封的0 0 5 m p a 提高 到0 15 0 3 0 m p a ，控制的安全可靠性提高，系统也变得简单一些。这类密封 与浮环密封相比，密封本体投资加大，系统投资减少，设备总投资相差不多， 3 大型离心压缩机密封技术的研究 但更加安全可靠，运行维护费用有所降低。 图1 2 美国k a y d o n 公司浮环组合密封示意图 1 2 4 干气密封 至于干气密封，目前推广较为迅速。其特点是取消了密封油站，结构与普 通的机械密封相似，只是在其动环表面上刻有几微米深的螺旋槽。密封原理却 与普通机械密封有着本质的区别。动环高速旋转时，螺旋槽内的气体被压缩， “气垫”使动、静环之间保持一个微小的间隙，厚度约几个微米，属非接触式 密封，具有摩擦系数低、功耗小、端面磨损甚微、寿命长、可靠性高、适于高 速旋转等突出优点，在各炼油厂得到越来越广泛的应用。 美国的j o h nc r a n e 公司从6 0 年代末即开始研究气膜螺旋槽端面密封技 术，到8 0 年代初，已完全达到实用化的程度。目前j o h n c r a n e 跨国公司在 这一领域处于世界领先地位。图1 3 给出了这种密封旋转环端面上螺旋槽的示 意图。 ，一鼍 飞纩 = 吵 图1 3 气膜螺旋槽端面 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 4 大型离心压缩机密封技术的研究 节约能源；省去了庞大的密封油系统，重量轻，占地小；消除了密封油对工艺 回路污染的可能性；运行和维护费用低。 由于该公司对这类密封进行了长时间的研究开发，加之密封性能极为先 迸，故技木附加值高，售价也因之很高。若一台压缩机用两套轴径1 0 0 m m 以 上的密封及一套控制系统，再加上两套密封的备件，则台压缩机需投资约 2 5 3 5 万美元。此外，安装调试必须由该公司的人进行，安装调试费另收。这 样高的一次性投资对一般国内用户来说恐怕是不易接受的。但对于高压装置， 与浮环密封的投资相比尚可接受。目前国内约有1 0 台左右压缩机采用此类密 封，其中有的是从国外引进的成套装置带进来的( 如大化肥厂的二氧化碳压缩 机) ，有的是新扩建的装置上引进的，有的是在老装置上改造的。除 j o h n c r a n e 公司的2 8 系列干气密封之外，还有个别用户采用德国 b u r g m a n n 公司的干气密封。用高技术附加值的产品占领甚至垄断中国市 场，是j o h nc r a n e 跨国公司对中国的重要战略决策之一。为了发展民族高 科技和民族工业，国内已经有人在这方面进行了不懈的努力并取得了初步的成 功。 综上所述，可得出结论：石纯行业工艺气体高速离心压缩机轴端密封的 发展趋势是：迷宫式抽充气密封浮环密封机械浮环组合密封或双端面机械 密封油膜螺旋槽端面密封专气膜螺旋槽端面密封( 即干气密封) 。 1 3 本文的主要研究内容 我厂的大型离心压缩机组很多，由于压缩机的结构和工艺目的不同，所采 用的密封形式也不同。当然在密封形式的选用上，还要考虑经济效益和社会 效益等诸多因素，因为一般的机组轴封的造价都是昂贵的。实际使用的每一种 密封形式都有各自的优点，各自的适用条件，关键在合理选型，合理使用。对 于各种密封存在的技术问题，要想办法合理改造。确实不适应使用工况的也必 须采用更为先进的密封技术，使压缩机的轴封满足机组安全、可靠的使用要求。 以流体动密封理论为指导，以各专业厂家在密封技术方面的实际研究成果 为依据，针对我厂一些主要关键离心压缩机组上的密封状况进行技术改造，找 出适合每台机组的最佳的、可靠的密封技术。这就是本文的工作内容。具体解 决以下五个方面的问题： 1 ) 富气压缩机浮环密封 二套催化装置的富气压缩机存在问题比较多如迷富密封损坏严重； 密封油受到介质污染；密封油窜入润滑油系统，造成润滑油污染。分析 问题存在的原因，彻底解决。 2 ) 循环氢气压缩机锥形浮环密封 我厂8 0 万吨年柴油加氢装置的循环氢气压缩机设计采用锥形浮环 密封，技术先进，使用可靠。通过对其特点和密封机理的分析研究，熟 练掌握了锥形浮环密封的应用技术，并对实际出现的问题及时妥善解决。 3 ) 富气压缩机充气式迷宫密封 焦化装置富气压缩机原来一直采用简单的充气式迷宫密封，密封效 果不好、泄漏大。而且由于生产操作不当，压缩机经常带液，迷宫密封 频繁损坏，机组无法实现长周期运行。准备把原来简单的充气式迷宫密 封改为抽充气组合式迷宫密封，同时气封要采用更为高级的材质，实现 s 大型离心压缩机密封技术的研究 机组长周期运转。 4 ) 富气压缩机进口机械密封的国产化 该机所配密封是美国进口原装密封，靠机内介质侧采用机械密封， 靠大气侧采用浮环密封，以减少污油量。在以后的使用过程中，如果仍 采用进口密封，一台机用两套密封费用是8 0 万元，价格昂贵。准备将其 国产化，而且仍然要满足机组长周期的要求。 5 1 循环氢气压缩机干气密封的先进技术 干气密封是目前最为先进的密封技术，2 0 0 2 年新建重整装置的氢压 机要求安装干气密封，研究和使用好这一先进技术非常必要。 6 大型离心压缩机密封技术的研究 第二章富气压缩机浮环密封 我厂二套催化装置的富气压缩机是沈阳鼓风机厂生产的，型号是 2 m c l - - 5 2 7 。压缩机两端轴封设计迷宫密封和浮环密封组合结构。在几年的运 转过程中发现密封油箱波面维持不住即密封油丢失严重，而且密封油窜入润滑 油系统中，造成润滑油污染严重，有胶质成份存在，严重影响机组的长周期运 行。 2 12 m c l 5 2 7 型离心压缩机的概况 图2 一l2 m c l 5 2 7 型富气压缩机 2 1 ，1 技术参数 流量：4 2 4 3 2 n m 3 r a i n二段出口压力：1 5 6 9 m p a ( 绝) 额定功率：2 9 3 5 k w 最高工作压力：1 9 6m p a ( 绝) 入口压力：0 15 7m p a ( 绝) 额定转速：9 5 18 r m i n 一段出口温度：4 0 最高连续转速：9 9 9 4r r a i n 二段出口温度( 最高) ：1 4 0 油系统：密封油、润滑油为各自分开的独立系统。 2 1 2 浮环密封工作原理 浮环密封是一种径向可以活动的密封【3 1 。这样就可以补偿转子相对箱体的 不同心度和径向摆动。考虑到浮环的自由定位，密封的间隙和泄漏量应尽可能 做到工艺上决定的最小值。浮环的密封性取决予径向间隙：浮环的自由定位是 靠端面滑动的可能性来保证的。端面接头的密封性是依靠端面互相贴合、两表 面平直度和粗糙度来保证的。浮环压向端面是依靠弹簧和工作介质压降来压紧 的。浮环具有径向间隙运转，要求相对于转子自动定中心。为了达到自定中心 的目的，要利用工作介质在径向缝隙流动过程中产生的流体静压和动压作用 力。 7 大型离心压缩机密封技术的研究 因此，浮环密封实质上既是流体静、动压又是接触与非接触的一种径向缝 隙密封与轴向端面密封组合的混合密封【4 l 。通过密封油的隔离作用，使设备实 现对大气环境的介质“零泄漏”密封功能。缝隙密封具有比较小的间隙和泄漏 量。由于自动定位和自定中心，防止了其表面接触和磨损。端面密封接头摩擦 表面只是滑动而不转动，保证了最小的端面发热量。由于这一缘故，浮环密封 不单独用作端部轴封，主要用作前置密封、级间密封和辅助密封。 浮环密封的工作过程是一个复杂系统的密切配合，如图2 2 所示。为了封 住机体内的介质气体，需要从注气密封a 孔处通入阻塞气，阻塞气压力约高于 外圆油 图2 - 2 浮环密封系统 机入口介质压力o 0 5 m p a 。阻塞气一部分进入机体内封住介质，一部分沿轴向 进入d 腔。为了不使阻塞气沿轴向窜入润滑油系统，就需要从浮环密封处通入 油，且使封油压力大于阻塞气压力约o 0 5m p a 。封油一部分经内浮环进入d 室封住阻塞气的混合物从内回油油管经过脱水、脱气后回到密封油箱；一部分 经过外浮环，从外回油油管回到密封油箱。同时，建立起阻塞气与介质气、封 油与阻塞气之间稳定的压力差，是浮环密封取得良好密封效果的外部条件，这 需要由高位油罐和系统中调控仪表共同配合来实现。 2 2 改造前存在的问题 2 2 1 密封油向润滑油系统中窜油的原因分析 如上所述，该机的密封油系统和润滑油系统，在机体外部是完全独立的两 个系统。在机体内部，密封油回流腔与润滑油腔由油封隔开，该油封分别由内、 中、外油封及甩油盘组成。中油封上有三个国5 m m 通孔，用以平衡两个回油腔 的压力和排出进入油封内的油滴。油封结构见图2 3 。 8 大型离心压缩机密封技术的研究 内油封 ；元忑 油圭寸 图2 3 油封结构图 在两腔压力平衡回流正常情况下，一般不易窜油。经分析造成窜油的主要 原因有三个：第一，因某种原因造成回油不畅，密封油在回油腔内积聚，形成 油位过高，油经油封与轴的间隙窜入润滑油腔：第二，外浮环间隙过大，造成 过大的排油量；第三，油封两侧压力不平衡，飞溅的油滴进入中油封后，经三 个0 5 m m 通孔窜到压力较低的一侧。 2 2 2 密封油、润滑油受污染的原因分析 润滑油污染严重，而且油中含有大量胶质，说明介质中的瓦斯已经窜入润 滑油中。从主机解体检修看，迷宫密封齿由于受到介质的冲刷、腐蚀，已所剩 无几，起不到密封作用，这样一、二段密封部位的压力平衡已起不到作用，所 以二段侧密封油已不可能再封住机内介质，造成密封油本身、润滑油全部污染。 密封油箱液面维持不住，密封油丢失的原因：一个是如前所述密封油窜人 润滑油系统中去：另一个原因是内浮环泄油量大，造成过多的污油量。 2 3 改造措施 2 3 1 改造迷宫密封并增设平衡管 图2 - 4 迷宫密封( 改造前) 原来的迷宫密封之所以损坏，是因为其材质是z l l 0 2 ，承受不了介质的冲刷 和腐蚀，改造后采用1 c r l8 n i 9 t i 材质，并采用白钢体镶嵌o 2 m m 白钢片结构 密封介质。轴封的两端分别连接一端入口和二段入z i ，压差为o ，3 - 0 5m p a ，尽 9 大型离心压缩机密封技术的研究 管在浮环密封前分别有长度为9 2 m m 和1 1 3 m m 的迷宫密封并且通过一总管注 入密封气，但基于迷宫密封仍嫌较短，且两端的介质压力相差大，这就满足不 了密封的要求。故将迷宫密封从原来的一个 腔改为二个腔，并在下气缸钻孔。由第一个腔处引入0 2 ”管线同一段入口连 接，改造前后的迷宫密封见图2 - 4 、图2 5 。 图2 - 5 迷宫密封( 改造后) 2 3 2 改造内外浮环、减少回油量 ( 1 ) 外浮环改造 原设计外浮环间隙为0 3 3 m m ，改造后要求值为o 2 0 0 2 4 m m ，目的在 于合理减小密封油的外排油量。 ( 2 ) 内浮环改造 原设计内浮环间隙为0 0 8 0 1 0 m m ，已不可将间隙进一步缩小，否则 无法安装。改造方案是内浮环采用螺旋密封的泵送作用，减少内排油量、 少出污油。这一改造的原则是开机时必须从内回油看窗里能看到回油。否 则，内浮环内表面没有足够的油流动，由于螺旋密封的泵送效应造成内浮 环无油润滑，摩擦产生热量会使浮环损坏。 图2 - 6 矩形螺旋密封的主要尺寸 1 ) 螺旋密封的工作原理 流体动压型螺旋密封主震是由光滑衬套( 光轴) 与螺杆( 螺套) 组 1 0 大墼离心压缩机密封技术的研究 成。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，其值与密封腔内压力p 相等，就此消除液体外漏达到密封。 如图2 - 6 所示【”。 2 ) 螺旋密封零泄漏的条件 螺旋密封的螺旋槽与衬套间隙内的液体流动，主要存在两种流动。 一种是泵送流动( 反输) ，在螺旋槽内液体是依靠粘性产生剪切流动，又 ls 2 ，5 骨 z i k c , h , t l 一6 i 5 刃2 t o i 佾 、 违 繁 萼龟 嘻 馨毽 强 j 一氏 可( ， 西 _ e ，q fj o q j74 j h h 1 s l 了 3 ： 图2 7 内浮环螺旋槽尺寸 称泵送流量q l ：另一种是泄漏流动，包括沿螺旋的泄漏流动和跨越螺旋 槽的泄漏量。 在螺旋密封两端有系统压力与大气压力的压差p 作用，在此压差 作用下产生压差流动即泄漏流动，泄漏量为q 2 ；跨越螺旋槽的泄漏量为 q 3 。总泄漏量q = q 2 + q 3 因此，当q 。= q 时，达到流量平衡，往外无泄漏，即达到零泄漏 由此得出竺：丘埤 z 3 s ( 2 - i ) 大型离心压缩机密封技术的研究 式中：k ，：立竖兰鞋称为密封系数 j 碡幽+ 礞 k 2 2 ( h + s ) s 2 1 + h s ( 2 - 2 ) k 1 2 a ( a + b )( 2 - 3 ) u 。：螺旋周速，p ：螺旋角，a ：槽宽，b ：齿宽，h ：齿高，“：介质动力 粘度c = s + h ：间隙 公式( 2 1 ) 就是克里斯1 9 7 5 年根据流量平衡观点提出的沿螺旋槽 和跨越螺旋槽的泄漏量之和等于泵送流量，它是零泄漏密封的条件。可 以看出，当介质粘度一定，转速一定和间隙一定时，螺旋的有效密封长 度l 将取决于密封系数k 3 ，而k 3 又是螺旋槽的几何尺寸的综合反映。 这样就为设计最佳的螺旋槽提供了理论依据。 3 ) 内浮环螺旋槽几何尺寸的确定 内浮环采用螺旋密封的泵送作用来减少污油量，是一项风险性很大 的工作，因为理论上无法准确计算回油量，如果设计的螺旋泵送作用太 强而没有回油量，内浮环将因无油润滑而被烧损。所以沈阳鼓风机厂在 进行浮环密封设计时，内浮环一直不采用螺旋泵送作用。在对内浮环改 造时，我们参照日本进口机的经验，采用如图2 7 所示的螺旋槽尺寸。 实际使用效果是相当不错的，机组正常运转时，从内回油看窗里能 看到微量的回油量，达到了减少污油量的目的。 内、外浮环改造后，密封油排油量明显减少，必然导致浮环密封油腔温度 升高，为了改善内浮环的工作条件，在内浮环上开孔，密封油先通过内浮环而 将其冷却。改造后浮环密封见图2 8 。 图2 8 浮环密封装配图 2 3 3 油封改造 密封油外回流腔与润滑油回流腔之间，设有一套油封，分内、中、外三层， 将内油封下部宽度为1 4 0m m 的回流口取消，改为5 个0 5 m m 的倾斜回油孔， 见图2 - 9 。 把外油封下部4 0 m m 宽的排油口堵上，堵好之后另外钻5 一西5 的斜回油孔 代替。见图2 。l o 。修改后即是将开口和* 5 m m 孔的位置互换，尽最大可能减 1 2 大型离心压缩机密封技术的研究 少窜油。 寒 羹i f z 蒂 确慧 i ， ，一9 i 戋 一 图2 - 9 内油封修改前、后示意图 对于中油封，只是将它上部的m 5 m m 通孔堵上，减少油短路的通道。在外 回流腔的机体上部设置一d n l 5 不锈钢排气管，与大气连通卸压。 龌 蔷 翟 链 图2 1 0 内油封修改前、后示意图 经过这样的修改，保证了油封两边的压力平衡。内、外油封的原有回油 口改为多个回油孔，形成两个独立的隔离腔，不仅能防止腔内飞溅的油滴短路， 而且利于回流。 同时，为了防止密封油回流腔内的油位过高，将机体上的回油孔由原设计 的6 0 x3 0 r a m 2 扩大到7 0 4 0 m m 2 ，保证了足够大的通孔面积。 油封是由内油封、中油封、外油封以及转轴上的甩油盘所组成，在中油封 1 3 大型离心压缩帆密封技术的研究 的两边形成两个隔离腔。正常情况下，油从各自的回流腔流走。由于喷射和飞 溅的作用，仍有小部分油经油封和轴颈间的环形间隙进入隔离腔，但会受到甩 油盘的阻挡，由旋转所产生的离心力使油甩在各自的隔离腔内，然后经由下部 的流道返回本侧回流腔排走。但实际上仍有一定量的甩出的油滴飞溅入中油封 的小空腔内，在中间油盘的作用下，油滴进入中油封上部的三个0 5 m m 通孔， 然后排出。这些油向左还是向右排，这取决于两侧回流腔的压力。两边的压差 在正常隋况下是很小的，若压差为零，窜浊量为零或接近零。然而原设计润 滑油回油腔有一根0 2 ”通大气管，而密封油回流腔并不直接与大气连通，只 是经过2 0 多米长的回油管接到油箱后，再通大气。由于管道阻力的作用，在 原设计上已使两者之间在运行中形成一定的压差。从外浮环排出的密封油不仅 温度高，且因高速转轴的甩离，必然促使飞溅的油滴破碎和部分雾化引起封密 油回流腔内气体膨胀，又提高了两者问的压差，就有了排向轴承一侧的压力源。 综上所述，改造前的密封结构产生窜油是必然的结果。 2 4 改造后使用效果 该机组改造后，运行平稳，密封油箱、润滑箱维持各自的液面，没有窜油 现象，而且没有受污染的情况出现，由过去的故障停机8 0 0 小时年减少到4 8 小时年，年节资7 0 0 万元。从历次解体检修看，迷宫密封和浮环密封的使用 情况良好，该机组长期稳定运行，满足生产要求。 大型离心压缩机密封技术的研究 第三章离心压缩机锥形浮环密封 柴油加氢装置的循环氢气压缩机是该装置的核心、命脉，一旦出现故障， 装置将无法运行。我厂8 0 万吨年柴油加氢装置的循环氢气压缩机是日本三菱 重工生产的，型号是m t v 2 7 ，如图3 1 所示，设计采用先进的锥形浮环密封。 自安装以来，运行一直很好。只是在2 0 0 2 年8 月份装置大修后，该机投入运 行时发现密封油泵排出量维持不住高位密封油箱的液面，威胁装置的正常生 产。针对这问题进行了技术改造，使该机组重新投入运行，满足生产需求。 图3 1m t v 2 7 循环氢气压缩机 3 1 m t v 2 7 型离心压缩机的技术参数 流量：1 0 0 0 0 0 n m 3 h r入口温度：4 0 额定功率：1 3 2 0 k w 转速：9 3 3 0 r p m 入口压力：7 m p a 最高连续转速：1 15 5 0 r p m 出口压力：9 0 m p a 3 2 锥形浮环密封的特点及泵效作用 浮环密封已广泛应用于石化生产过程中的离心式压缩机上，它是利用转轴 与浮环间形成的动压油膜，在封油与被密封气体差压的作用下，对气体起到密 封作用具有一定的可靠性。评价浮环密封的可靠性主要是：被密封的气体不 得外漏：被密封气污染的污油尽量少：有比较长的使用寿命。 一般的直环型浮环密封，难以达到满意的要求，假设直环型浮环密封的油 膜为层流状况，其污油量q 为： q ：业( 1 + 1 5 r ) ( 3 - 1 ) 1 2 a l 。 式中：d 一一轴径o c 一一浮环与轴的半径间隙； p 一一封油与被密封气体的压差： 1 5 大型离心压缩机密封技术的研究 “一一封油的动力粘度系数： l 一一浮环节流长度： ( 一一相对偏心度。 从式( 3 一1 ) 中可看出：增大a p 可提高密封能力，解决被密封气体的外漏， 但q 却增加了：如减小c 值并增大l ，虽可减少q 和保证密封能力，但高速旋 转轴的油膜所产生的热量不能充分带走，使油膜在高温下积碳，影响浮环密封 的使用寿命，而唯独锥形浮环密封却很好地解决了以上不足，大大提高了其可 靠性。以下就其工作原理和特点以及其泵效作用的压头等作一阐述。 3 2 1 锥形浮环密封的工作原理 图3 2 是日本三菱重工产的循环氨气离心式压缩机上的锥形浮环密封的结 构示意图，该离心式压缩机应用在我厂年产8 0 万吨的柴油加氢装置上。 图3 2 锥形浮环密封结构 1 一翅片：2 一内锥环；3 一外环：4 一调整垫；5 一锥形轴套；6 密封油进入密封腔后，从内锥环外侧散热翅片流过，分两路进入内、外环 的密封间隙。一路进入内锥环，大头进，小头出，靠压差对被密封气体进行密 封：另一路进入外环，限制油腔压力并置换油腔内的热量。油腔的压力主要由 1 6 大型离心压缩机密封技术的研究 其回油( 冷却油) 来控制，保证密封油的压力高于参考气压力( 0 0 3 0 0 5 m p a ) 。 内外环端面的密封，通过弹簧和密封油的压力来达到。 锥形浮环密封主要是通过压力油膜来密封参考气的，而高速旋转的锥形油 膜又具有泵效作用【6 】，这既大大提高了其密封能力，又减少了污油量。 3 2 2 锥形浮环密封的主要特点 锥形浮环密封和直环型密封相比的主要特点为： 1 ) 具有较大的油膜间隙 一般的直环型浮环密封，高压侧油膜间隙为( 0 5 1 ) d ，即为 o 0 4 0 0 9 m m ；而锥形浮环的径向间隙c 1 、c 2 、c 3 = 0 2 0 0 3 0m m ，轴向 间隙c a = 2 5 5 m m ，( 见图3 1 ) ，油膜易于流动，摩擦热较小并易于置换， 可防止密封油过热碳化后，在浮环的内表面积碳。 2 ) 具有较长的节流长度 直环型浮环密封，其内、外环的节流长度li 基本相同，且一般取l d = 0 1 0 2 ( d 为浮环内径) ；而锥形浮环的节流长度l * = 3 l i 。从式( 3 一1 ) 可看出：l 与污油量q 成反比，因此可使污油量较少。 3 ) 独特的冷却结构 为冷却内锥环，其外表面设计成流线型的散热片。密封油流经散热翅 片，可充分冷却内锥环内侧的油膜，并可得到较稳定的密封油压。 4 ) 有泵效作用 内锥环与锥型轴套间的油膜，在高速旋转作用下，由于油膜两端线速 度不同，便产生一种类似离心泵的作用，所产生的扬程阻止封油的泄漏， 从而控制了污油量。 5 1 污油量易于调节 锥形轴套的轴向位置，可用调整垫调节，使间隙c a = 2 5 5 m m ，从而污油 量可控制在理想的范围内，这是普通的直环型浮环密封难以做到的。 3 2 3 锥型浮环密封的油膜速度模型 假设：内锥环内的油流为质量和速度连续的油膜层，其流动工况为层流： 油膜流动的轴向和周向速度沿间隙高度h 是变化的，如图3 3 所示，其速度分 量的分布均为幂次规律。 图3 - 3 油膜流动速度变化图3 - 4 油膜动态转 “，一轴的周向速度：“一油流周向速度：v 一油流轴向速度：r 广一轴的半径；一角速度 为了简化计算，周向速度l g i 取其平均值“。= ”2 ，此时 1 7 大型离心压墙机密封技术的研究 u t = b 似l f 2 ) 8 = m ( m + 1 ) 式中：册一幂指数，由实验得出； 口一油膜周向速度系数。 w i 、w 2 一油流的合成速度。 s 一内锥环的斜长； a 一锥角。 ( 3 2 ) 下角标1 、2 分别表示d 、d ，处各速度 则内锥型油膜的动态转速模型可简化成如图 3 - 4 所示。油流由内锥