茂名石化火炬气回收螺杆压缩机(CB500A)干气密封改造研究

黄明智

摘 要：分析了茂名石化加氢装置CB500A螺杆压缩机机械密封存在问题，并根据CB500A螺杆压缩机的结构特点和使用工况，对其机械密封实施干气密封技术改造。介绍了CB500A螺杆压缩机干气密封的工作原理、结构特点、材料与试验。

关键词：CB500A;双端面机械密封;螺杆压缩机干气密封

中图分类号：TH45 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）13-0165-02

0 前言

螺杆式压缩机属容积式压缩机，随着石油行业的迅猛发展，螺杆式压缩机用量大大增加。螺杆压缩机在全国火炬回收装置中得到了广泛应用，其作用原理是通过阴阳转子相互啮合，在密封机壳内作反方向旋转，达到提高火炬气压的目的。火炬气主要化学成分多种，如泄露到大气中会造成安全隐患，故对火炬气螺杆压缩机的轴封必须保证安全可靠。

CB500A螺杆压缩机是茂名石化加氢装置的主要设备，其原配机械密封在使用过程中，逐步暴露出密封泄漏量大，使用寿命短等现象。就此，茂名石化与成都一通密封股份有限公司经过深入的分析讨论，最终将原机械密封改造为双端面干气密封。

CB500A螺杆压缩机干气密封主要参数如表1。

1 原双端面机械密封结构分析和存在问题

1.1 结构分析与影响

螺杆压缩机使用双端面机械密封，需要在密封腔中通入密封液，对密封进行冷却冲洗。这样就会有少量封液进入工艺流程，需要进行油气分离操作，当机封损坏时，油气分离量大。

对辅助系统的要求高。螺杆压缩机机械密封大部分密封的是气体，端面摩擦发热较大，介质温度超过50℃就要冷却。密封端面无论采用单端面或双端面密封结构，其密封液的压力都要高于介质压力，这必然影响介质的纯度。

螺杆压缩机用机械密封相对容易泄漏。因为螺杆压缩机振动较大，而接触式运行机械密封又对振动敏感，密封因振动引起的泄漏造成机封检修频繁，维护费用较高。

此外，如果因机械密封与密封系统使用故障造成螺杆压缩机停车、系统停产等连带影响，所产生的经济损失是无法估计的。

1.2 存在问题和解决方案

原机组高低压端机械密封的前置密封气是为防止粉尘影响密封动环的浮动性而设计。主机厂将出口端密封腔引入φ10mm管至机组的入口，以达到平衡两端压力效果。而实际运行中没有使密封腔压力降低，导致外引前置密封氮气无法进入。降低机组高压端密封腔的压力，成为本次干气密封改造成功的关键所在。

通过对工艺的特点分析，在不影响机组性能情况下，与生产装置工艺专业协商，从平衡管、主密封气方面考虑，对机组高低压端平衡管进行了一定的改动，为干气密封改造创造了前提条件。

2 干气密封的工作原理

2.1 端面槽型选择

螺杆压缩机的干气密封主要由动环、静环、弹簧和辅助密封圈等元件组成。其特点是在动环密封面上加工出均勻分布的浅槽，槽型有单向螺旋槽型、双向旋转T型槽等。考虑到较低转速下能产生较强的流体动压效应，采用性能更为稳定的单向螺旋槽（见图1）。

2.2 干气密封作用原理

密封端面主要由螺旋槽、密封堰和密封坝组成，在密封环端面部分区域加工出产生动压效应的螺旋槽，在螺旋槽之间的平台称为密封堰，它起到加大升压的作用。密封坝保证螺旋槽产生足够的流体动压泄漏，产生流体膜承载能力;密封堰产生流体膜静，密封坝产生流体膜静压承载能力，这种密封副的端面密封实质上是由轴承与密封部分组成的流体静、动压气体端面机械密封。

该螺杆压缩机双端面干气密封采用的密封端面槽线是对数螺旋线。气体进入收敛形螺旋槽内，最终达到密封坝，气体随着螺旋槽形状的变化被压缩，在槽根部产生局部高压区，此压力是动环旋转产生的流体动压力。作用于补偿环上的流体动压力称为开启力，它把动环与静环分开，而作用于补偿环上的介质力和弹簧力使动环与静环贴合，称为闭合力。在一定条件下开启力与闭合力相等时，流动的气体在动静环的两个密封面间形成一层厚度约3微米的气膜。当干气密封两端面间的间隙在2～3mm时，通过间隙的气体流动层最为稳定。

3 CB500A螺杆压缩机干气密封分析

3.1 总体结构

干气密封常用结构有双端面干气密封、串联式干气密封。通过对多种形式的密封结构分析，并结合CB500A螺杆压缩机具体工作条件和结构特点，将轴封型式设计成2套结构相同的密封组成的双端面结构干气密封。

改造后，干气密封具有以下优点：“气体阻塞”代替原有的“液体阻塞”，工艺上只有少量密封气进入工况;整套密封为非接触运行，能耗小，使用寿命长;辅助系统比原机械密封油系统简单，且端面不会产生摩擦热，200℃可不用冷却、润滑系统;摆脱了双端面机械密封对油系统的依赖，杜绝了密封油进入工艺介质;抗轴摆动性能优良;运行费用低，使用过程基本不需要维护。

3.2 干气密封端面结构参数优化

干气密封内部气体流动的气膜平衡间隙为微米级。过大过小都影响气膜的稳定性，因而，保证气膜稳定性是干气密封可靠运行的关键。为此，采用流体动压效应最强、气膜刚度最大的螺旋槽干气密封结构。并运用有限元计算程序优化干气密封端面螺旋槽结构参数，计算干气密封的刚漏比，将干气密封的最大刚漏比作为优化的参考目标，使密封具有较大气膜刚度的情况下气体泄漏量较小。

3.3 干气密封材料

摩擦副等密封元件材料是保证密封正常运行的重要条件。螺杆压缩机干气密封摩擦副材料一般选用碳化硅与浸金属碳石墨配对，碳化硅具有优良的耐热冲击性能、高导热系数和耐腐蚀性;浸金属碳石墨有较高的抗压强度、导热系数高、热膨胀系数小，与碳化硅配对具有极小的摩擦系数。

3.4 干气密封系统

螺杆压缩机干气密封控制系统由过滤单元、密封气调节单元、泄漏监测单元组成，向干气密封提供干净的气体，以及监测干气密封运行情况。密封气调节的目的是保证净化的密封气压力始终高于密封腔中介质压力，防止机组内介质反窜进入干气密封，造成密封损坏。系统配置压力变送器、转子流量计等监控仪表，监测密封泄漏量情况，保证密封的正常运行。

4 试验验证和现场日常维护

在完成了干气密封的设计制造后，下厂家密封试验台上进行了干气密封的性能模拟试验。试验结果表明，新设计的螺杆压缩机干气密封具有很好的密封性能，各参数满足现场运转要求。

干气密封投入运行后，机组和密封系统各个参数良好。干气密封维护简单，只需监测和记录密封泄漏量。值得注意的是干气密封在安装、操作时应找准密封的旋转方向，避免安装错错误，并在机组操作过程中避免机组回流反转。同时，干气密封在压缩机启动时，必须保证控制系统供给密封工作压力高于介质压力0.3Mpa，日常巡检中发现泄漏量超2Nm3·h-1时，表明摩擦副损坏，应停机检修更换。

5 密封性能对比（表2）

6 结语

CB500A螺杆压缩机双端面机械密封改为双端面干气密封后运行稳定，且干气密封为非接触式运行，具有很长的使用寿命。干气密封只有少量惰性氮气泄漏到大气，基本可以做到对大气的零泄漏，有效避免含介质气体对环境的污染。

（1）干气密封实验室试验表明，用计算机优化设计出的螺杆压缩机干气密封完全能够实现密封的非接触运行，密封性能稳定可靠。（2）设计制造出的干气密封控制系统简单可靠，完全能满足螺杆压缩机干气密封长周期运行的要求。（3）改造为干气密封后，能耗和物料消耗大大降低，计划外停车次数减少，可创造良好的经济效益。（4）干气密封在螺杆压缩机上的成功应用，进一步扩大了干气密封的应用领域，有利于促进新技术的进一步开发。

参考文献

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