碳环密封应用在工艺螺杆压缩机上的常见问题分析

胡 涛，林艳斐，谢 楷

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海201108）

碳环密封应用在工艺螺杆压缩机上的常见问题分析

胡 涛，林艳斐，谢 楷

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海201108）

通过分析碳环密封的特点、结构型式、系统布置，明确碳环密封的使用场合；针对碳环密封在使用过程中出现的氮气消耗量大、窜水窜气、自磨损、磨轴、波纹弹簧断裂及腐蚀等问题，分析产生问题的原因，提出了解决措施及解决思路。

螺杆压缩机；碳环密封；碳环

1 引言

目前工艺无油螺杆压缩机中常用的主密封有3种形式：机械密封、干气密封和碳环密封。对于大轴径的机型，机械密封由于受pV值的限制[1]，可靠性较差，少有应用。干气密封虽可实现介质零泄漏、安全性高，但价格昂贵，特别是干气密封辅助系统复杂。碳环密封属于径向非接触式密封，依靠小间隙节流降压实现密封功能，因其结构简单、便于安装维护、经济性好而在工艺螺杆压缩机上广泛使用，如焦炉煤气压缩机、PSA尾气压缩机、苯乙烯压缩机等。但由于碳环密封存在间隙较大、密封圈易磨损，在实际的现场运行使用中，也存在一些亟待解决的问题。

2 碳环密封的工作原理及特点

2.1 碳环密封工作原理

碳环密封属于流阻型非接触式密封，其密封内孔与轴存在一定的间隙，运转时在压差和转轴的运动下带动气体进入偏心的楔形间隙内，在楔形间隙内产生流体动压效应，使环浮动抬升，环内壁脱离轴表面而变成非接触状态；在此状态下，气体通过间隙的节流作用产生压力损失，从而达到减小泄漏的目的。由于存在间隙，避免了固体摩擦，适用于高转速情况，既可以封堵液体，也可以封堵气体，但是泄漏量较大，某些情况下还需配置比较复杂的密封辅助系统。

2.2 碳环密封的特点

碳环密封是浮环密封的一种形式，广泛应用于汽轮机、风机、发电机、压缩机、透平机等机组的轴端密封中。尤其在一些高压、高转速场合，只有采用碳环密封来降压或节流，才能使泄漏降至允许范围内。如果再与其它密封相组合，可以得到更满意的效果。相比其它密封装置，碳环密封具有如下优点[2]：

（1）结构简单、成本适中，密封性能稳定、维护检修方便；

（2）能用于10000～20000 r/min的高速旋转流体机械，尤其适用于气体压缩机，其许用速度高达100 m/s以上，这是其他密封所不能比的；

（3）摩擦功率小，使得机器具有较高的效率；

（4）可以用于强腐蚀性介质，由于密封环材料为石墨碳环，可以有效抵抗介质气体的腐蚀。

碳环密封缺点在于：密封件的制造精度要求高，环的不同心度和端面不垂直度和表面粗糙度对密封性能有明显的影响。此外，这种密封对液体不能做到封严不漏；对气体虽然可做到封严，但需要一套复杂而昂贵的自动化供油系统。

2.3 碳环的结构形式

碳环相当于浮环密封中的动环，材质为碳精。碳环材料按照JB/T9580规定为特种石墨类。目前各密封生产厂家碳环大致可以分为2种：整体式和分瓣式，碳环结构如图1所示。目前通常使用的即是整体式碳环结构，安装方式为从轴向安装。对于分瓣式结构目前工业上已经开始有应用。分瓣式中最为常见的是三瓣式碳环结构，安装时用弹簧箍在一起，安装在密封腔体内。当然分瓣式结构中还有多瓣式结构和自动补偿能力的无间隙碳环形式，其作用原理都大致相同，均利用碳环外圆周槽上的弹性装置实现碳环的自动补偿[3]。

2.4 碳环密封系统配置形式

碳环密封由于其结构比较简单，所以可采用多种碳环串级组合使用的方式，常见系统由以下2种配置型式：

方案1：平衡口（管）+参考气+一级密封气（主密封）+放空口+二级密封气（隔离气）+放空口

方案2：平衡口（管）+一级密封气（主密封）+放空口+二级密封气（隔离气）+放空口

以上2种配置型式均采用主密封及隔离气实现，介质无泄漏及封油的作用。不同的是方案1采用了参考气另行引出的方式。在本文后会比较两种配置的区别。

3 碳环密封在应用中存在的问题

3.1 设计上存在缺陷，碳环缺少径向对中调节能力

在压缩机停止状态下，由于重力作用碳环会和轴接触。当压缩机启动后，充入碳环中的氮气会形成气膜的压力使碳环浮起，使之趋向于与转子轴同心。但如果间隙大，流体动压力就小，自动趋向轴心的能力就较差，即自找中心的能力差。所以往往需要在碳环的外圆增加一个定位装置。这个定位装置可以是弹簧、橡胶O型圈。而目前碳环密封的结构虽然有径向保护环，但该保护环为2Cr13材质，不具备一定的弹性和延展性，碳环浮动能力较差，一旦出现氮气压力低的情况，同时伴随着高温状态，就很容易产生磨轴的情况。

3.2 碳环密封在运行过程中出现的问题

3.2.1 氮气消耗量大，运行费用高

在实际运行中，一台大型螺杆机组氮气的消耗量在300 Nm3/h左右，按平均工业氮气1元/Nm3，一年按8000 h计算，每年的用氮气成本达到240万元，且还不包括每年大修更换碳环密封的费用。所以如何有效的降低碳环密封氮气消耗量是迫切需要解决的问题。

碳环密封的泄漏量大小主要取决于碳环与轴之间的径向间隙、碳环的轴向长度、碳环两侧气体压差、密封介质粘度等因素，其经验公式如下[4]

式中 M——质量泄漏量

ρ——气体密度

Δp——密封环两侧压差

d——轴径

h——碳环与轴的间隙

ε——碳环工作时的偏心值

η——气体粘度

N——碳环个数

l——单个浮环节流长度

p2——低压侧气体压力

由上述公式可知，碳环密封泄漏量与间隙的3次方成正比，与压差的2次方成正比。由此可见，在保证碳环加工制造精度和密封功能的前提下，合理控制压差和密封间隙是控制泄漏量的主要方法。

以焦炉煤气压缩机为例，目前密封结构如图2所示，系统的配置即本文2.4叙述的第1种形式。

（1）合理控制压差

一级氮气冲入后分为两路，一路经过碳环进入平衡腔，主要起到阻挡含杂质的介质气进入碳环的作用，另一路经过碳环进入放空管线，用来将少量进入碳环的介质气安全排放出去；二级氮气冲入后一路经过碳环进入放空管线，进一步阻挡介质气的泄漏，另一路经过碳环进入轴承端，阻挡轴承端的润滑油进入碳环密封。这种布置方案的缺点是一级氮气的供气压力以平衡管压力为参考值，因此无法判定介质气在经过平衡腔口之后的数道碳环后的压力降，往往注入的氮气压力相对较高，氮气的消耗量较大。所以可以参考2.4中第2种系统配置形式，比如在第3道和第4道碳环间（不同的碳环本体结构存在差别）引出气体作为参考气，一级氮气的供气压力高于参考气0.03～ 0.05 MPa，介质气经过第3道碳环进一步节流降压后，理论上参考气的压力要低于平衡管的压力，即Δp更接近真实压差，这样注入氮气的压力更低，消耗量更小。

（2）有效控制密封间隙

减小密封与轴之间的间隙是减少泄漏量的一个思路，但这往往受到转子加工精度、密封的加工精度的限制[4]。但是换一种思路而言，设计碳环密封时在石墨环的外圈增加预紧力弹簧，即当碳环密封发生磨损时，由于石墨环弹簧预紧力的作用，将使碳环与轴之间始终保持较小的间隙，当然这个结构的前提是在加工转子时，必须保证轴的HRC硬度不能太低，保证在55～65之间。这样也可避免在本文后面提到的出现密封磨轴的问题。

3.2.2 润滑油箱窜水

正常情况下，向压缩机腔体内喷入的工艺水是不会窜到润滑油里，密封系统将腔体和润滑油系统完全独立开来。在不考虑其它原因情况下，当碳环密封与转子轴之间的间隙变大，氮气消耗量过大，碳环密封将失效，无法封住压缩机腔体内从轴间隙窜过来的水，当然在一定的范围内适当提高充氮气压力，是可以减少润滑油内窜水的情况，但是当碳环密封与轴之间的间隙大到一定程度，再通过提高氮气压力的方式就已经失去其意义了。

3.2.3 放空管路气体反窜

一般的设计是将机组上的放空合并成一路进行放空，但由于不同管路存在放空压力、介质不一致的问题，所以不同介质气、不同压力等级的放空应该分开布置，避免放空气体出现反窜。

3.2.4 碳环密封的使用场合不当

（1）存在腐蚀的场合

不同的介质气会影响碳环密封的性能。例如，水煤气压缩机在高温条件下，碳环密封处的轴径部分容易发生腐蚀在发生腐蚀以后，间隙量变大，会严重影响碳环密封的密封效果。因此，这种情况下建议在轴上加一个轴套，以保护轴径免受腐蚀。

（2）高氢气含量场合

在氢气压缩机中，由于氢气的声速大于氮气的声速[2]，导致氢气比氮气更容易出现临界状态，而使得氮气不能完全封住氢气；而且氮气比氢气密度大，所以在氢气含量比较高的场合会出现即使氮气压力足够高都无法起到密封作用的情况。故对于高氢气含量的情况不建议使用碳环密封，如在循环氢气压缩机中。

（3）高压力场合

碳环密封本身能适用10 MPa以上高压的场合，只要组成多层碳环密封结构，碳环密封足够长。但是由于螺杆压缩机结构的限制，若轴向尺寸较长，增加了轴承跨距，将降低压缩机的稳定性。另外螺杆压缩机是双螺杆结构，拿510机型为例，两根螺杆之间的中心距是400 mm，也就是说螺杆机中心距是受限制的。

4 检维修中存在的问题

4.1 碳环磨损严重，碳环密封运行寿命短

在化工生产实际应用中，碳环密封磨损是比较普遍的一个问题。运行不到一年以后碳环密封中的石墨环易产生明显的磨损痕迹，有些还出现较深的环以致造成凹槽，甚至出现碳环断裂的情况。

出现碳环磨损主要原因有以下两种：（1）介质气中含有粉尘或细小颗粒物，进入到碳环中，所以在焦炉煤气等场合如果条件容许，增加前置密封吹扫气或者提高吹扫气的压力，保证密封在一个干净的环境运行是有必要的；（2）压缩机振动大。当压缩机振动较大，如果碳环密封的“自找中”能力较差，就会出现碳环密封碳环断裂的情况[5]。

4.2 磨轴的问题

碳环密封磨轴同样也是比较普遍的一个问题。在转子安装碳环密封的轴颈处，通过直接的观察就可发现有非常明显的环形凹槽，如图3。凹槽的宽度在7～10 mm不等，深度在0.2～1.1 mm不等，而且对碳环密封磨轴处进行探伤分析，结果表明磨损是痕迹属危险缺陷：磨痕长度长，并且有一定的连贯性（如图4），会造成断轴的可能。造成磨轴的原因有一个比较突出的是，压缩介质含有粉尘，由于工艺波动等因素的影响会进入到碳环密封与轴之间的间隙，从而引起碳环密封与轴磨损。更加严重的问题是一旦出现磨轴的问题，想再次修复转子本磨损的地方是非常困难的一件事情，因为被磨出的凹槽常规的做法只有进行热喷涂、化学镀层或者激光熔覆，但往往这些加工工艺的加工厚度往往不能超过1 mm，超过1 mm就很容易出脱落的情况，而且维修费用较高[6]。所以建议：（1）可在设计碳环密封时增加一个轴套；（2）提高轴的硬度。

4.3 波纹弹簧断裂及腐蚀

对于不同的场合，波纹弹簧的材质要做特殊处理。如在氨气场合波纹弹簧就不要使用碳钢材质，如图5所示，所以一般都建议使用不锈钢材质，当然的在硬度方面必须要低于轴的硬度是比较合适的。

5 结论

减小密封与轴之间的间隙，同时合理控制压差，是减少碳环密封氮气消耗量的有效途径。同时对于螺杆转子轴而言，提高其耐磨性和硬度是避免转子磨轴的一个有效方法；另外碳环密封也有其使用范围，对于高氢气含量场合并不使用；对于有腐蚀性气体的场合，对于碳环密封的材质问题，还要格外关注。所以系统的总结分析碳环密封应用情况，将为进一步提高机组运行的经济性和可靠性提供重要的指导意义。

[1] 蔡仁良，等.过程装备密封技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2] 吕瑞典.化工设备密封技术[M].北京：石油工业出版社出版社，2006.

[3] 郝木明.过程装备密封技术[M].北京：中国石化出版社出版社，2010.

[4] 赵利娜，周鹏，陈宗华.碳环密封的结构与应用[J].化工装备技术，2013，34（5）：13-15.

[5] API 619，Rotary Type Positive Drive Displace-ment Compressor for Petroleum，Chemical and Gas Industry Services.

[6] 佚名.燃料气用无油螺杆压缩机概述[EB].压缩机，2013.

Analysis of Common Problems of Carbon Ring Seal Applied in Process Screw Compressor

HU Tao,LIN Yan-fei,XIE Kai
（The 711 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Shanghai 201108,China）

It is definite that the application situation of carbon ring seal by analyzing its characteristic,structure type,system layout. Besides,measure and approach is put forward aiming at analyzing the problems arising from the carbon ring seal in use process such as high nitrogen consume,slipping of water and gas,wear and tear on self,wear on axle and corrugated spring break and corrosion.

screw compressor;carbon ring seal;carbon ring

TH455

B

1006-2971（2015）06-0035-05

胡涛（1982-），男，工程师，主要从事螺杆压缩机技术与管理工作。E-mail：13917661816@163.com

2015-06-30