减粘装置裂化气螺杆压缩机干气密封改造

李振涛等

摘要：分析了裂化气螺杆压缩机传统机械密封运行过程中存在的各种问题，采用双端面干气密封结构型式。改造后，消除了工艺介质污染润滑油问题，同时密封使用寿命大大延长，实现机组长周期安全稳定可靠运行。

关键词：减粘装置；裂化气；螺杆压缩机；雙端面；干气密封

前言

中国石油某分公司减粘装置裂化气的输送由喷油式螺杆压缩机来完成，螺杆压缩机由国内某压缩机有限公司制造，型号为LG-10/2-14。轴封采用传统的单端面接触式机械密封。在运转过程中，频繁发生工艺介质（含柴油）泄漏至润滑油中，一方面导致润滑油污染变质，造成轴承、增速齿轮和同步齿轮等运转部件润滑不良而频繁损坏，严重影响设备安全稳定运行[1]；另一方面泄漏的工艺介质通过呼吸帽排至大气中，造成严重的空气污染，存在安全隐患。

为确保裂化气螺杆压缩机组长周期安全运行，提高设备运行的稳定性和可靠性，该单位与东营海森密封技术有限责任公司探讨、研究后，决定对螺杆压缩机密封进行改造。改造方案采用双端面干气密封，以解决现用密封存在的各种问题。

1.螺杆压缩机原密封存在主要问题

裂化气螺杆压缩机阴、阳转子进气端和排气端共四套密封，原采用密封结构型式如图1所示。该密封使用寿命约3个月，密封失效后，工艺介质易反窜至润滑油系统中，造成润滑油污染。

1.1密封端面摩擦副发生严重的磨粒磨损，静环端面发生崩边现象。

1.2工艺介质反窜至润滑油侧，杂质部分附着在静环内径处发生锈蚀。

经分析发生上述现象可能的原因：一是原接触式机械密封介质侧为含喷液（柴油）和杂质的工艺介质，使得密封内径处于非洁净的工作环境，一旦杂质进入密封端面，易产生磨粒磨损[2]，久而久之密封逐渐失效；二是国产螺杆压缩机振动较大，接触式机械密封抗振动干扰能力差，易致使颗粒杂质进入密封端面；三是密封冲洗油压力存在较大波动或者密封冲洗油流量不足；四是密封结构设计不合理等。为彻底解决该机组因密封失效带来的各种问题，其轴封改造势在必行。

2.螺杆压缩机干气密封改造

2.1改造条件

LG-10/2-14裂化气螺杆压缩机组，冷却介质为柴油，主要性能指标为：

体积流量：10m3/min（入口状态）

进气压力：0.2MPa（G）

排气压力：1.4MPa（G）

进气温度：40℃

排气温度：≤85℃

压缩机转速：3053r/min

轴功率：181kW

电机功率：200kW

驱动方式：电机通过变速齿轮驱动

2.2 机组干气密封改造

2.2.1干气密封改造过程中需解决的难点问题

主要是气源问题，螺杆压缩机平衡管压力约0.75MPa，前置隔离气压力至少0.78MPa，主密封气压力至少1.0MPaG以上。

2.2.2干气密封改造原则及依据

第一是设计原则：保证集装式干气密封与原单端面机械密封的互换性，设计改造不改变原密封腔的结构、尺寸[3]。

第二是干气密封选型依据：通过对裂化气螺杆压缩机的结构特点及工艺条件分析，结合现场的密封气源的情况，为保证主密封在超量泄漏时介质也不向环境泄漏，依据API617的标准方案，采用双端面干气密封（如图4所示）集装式结构。

2.2.3干气密封改造方案

根据LG-10/2-14裂化气螺杆压缩机操作参数、工况参数及密封腔体尺寸，阴、阳转子进气端和排气端均采用双端面干气密封结构型式，如图4所示。

图4中密封端面主要由螺旋槽、密封堰和密封坝三部分组成。在密封端面均匀加工能够产生流体动压效应的对数螺旋槽，槽深只有几微米，螺旋槽底径与密封环内径间的区域为密封坝区，在螺旋槽之间的区域为密封堰区（台区）。密封堰起到阻止进入螺旋槽内的气体沿圆周方向的流动，而密封坝区保证螺旋槽产生足够的流体静压力，同时保证密封静止时不发生泄漏。总言之：干气密封运转时，螺旋槽产生泵送效应，将气体沿半径方向向中心泵送，由于密封堰和密封坝区的阻拦，进入螺旋槽内的气体受压膨胀，形成流体膜，进而产生足够的流体膜承载能力，将密封端面打开，使密封端面处于非接触式状态，密封端面间流体膜厚度约3-5微米。

图4中改造的双端面干气密封具有以下特点：

首先，由2套背靠背干气密封组成，在介质侧干气密封与压缩机组迷宫密封件充入惰性气体氮气作为前置隔离气，前置隔离气压力约高于平衡管压力20-30KPa，防止工艺介质反窜至干气密封区域，为该侧密封提供洁净的工作环境。

其次，采用“气体阻塞”原理，介质侧干气密封和轴承侧干气密封腔体内通入压力约高于前置隔离气压力0.2-0.3MPa的氮气作为主密封气，介质侧干气密封端面消耗的微量氮气与前置隔离气一并进入压缩机体内部，实现对工艺介质的封堵作用，通过对氮气的密封，保证工艺介质实现“零逸出”。

第三，整套干气密封非接触式运转，其端面摩擦功耗是普通接触式机械密封的5%左右，使用寿命达3年以上。干气密封控制系统结构简单，主密封气压力约1.0-1.1MPaG，单套干气密封端面氮气消耗量约0.2Nm3/h。

第四，密封端面摩擦副配对材料为SiC-碳石墨，密封主要壳体材质为SS316。干气密封动压槽加工在SiC上，该材料具有表面硬度高、耐磨性能好、热传导系数大、比重小等优点，是目前最好的摩擦副材料之一。碳石墨材料具有强度高、自润滑性好，很好的满足工况要求。

2.2.4干气密封控制系统

控制系统是干气密封的重要组成部分，该系统的主要作用：一是为干气密封提供洁净的密封气源（前置隔离气和主密封气，过滤精度为1微米）；二是监测干气密封的运行状态，确保干气密封长周期稳定运行。

双端面干气密封控制系统流程图如图5所示。主要由3部分组成。

（1）过滤单元

该系统过滤单元由2台过滤精度为1微米的过滤器组成，一开一备，设有过滤器前后差压高报警，提示操作人员及时切换过滤器。

（2）压力调节单元

该系统压力调节单元由自力式调节阀组成，防止管网氮气压力波动而造成密封气源压力不稳。

（3）流量监控单元

该系统采用金属转子流量计对干气密封的密封端面氮气消耗量进行监测，密封气流量正常约0.2Nm3/h，当流量计示数达2 Nm3/h时，高报警；当流量计示数达4Nm3/h时，高高报警，密封可能损坏，需及时停车更换密封。

2.2.5干气密封参数设计计算

根据东营海森密封技术有限责任公司自主开发的干气密封参数计算软件包，该双端面干气密封参数如表1所述。

3.干气密封技术优势

改造后的干气密封与传统接触式机械密封相对比，具有以下技术优势：

3.1在干气密封与机组迷宫密封间的腔体内通入压力比平衡管压力高20-30KPa的氮气，对工艺介质起到封堵作用，彻底消除了工艺介质反窜至润滑油中造成污染。

3.2干气密封与密封腔间通入约高于前置隔离气压力0.2-0.3MPa的氮气，一方面避免了工艺介质直接泄漏至大气中；另一方面阻止了压缩机润滑油窜入工艺介质侧，污染工艺介质。

3.3干气密封端面非接触式运转，端面无摩擦磨损，使用寿命长，摩擦功耗低，具有节能环保功效[4]。

4.改造后压缩机运行情况

于2012年6月份对裂化气螺杆压缩机密封进行改造，一次性开车成功，除计划外停车，已经连续运转22个月，各项参数运行正常。在此期间，通过对润滑油的检测情况来看，润滑油各项指标均正常，未发现工艺介质反窜至润滑油系统中，同时也没有补充润滑油。进而验证螺杆压缩机干气密封改造取得良好的成功应用。

5.結论

对减粘装置裂化气螺杆压缩机密封的改造是成功的

5.1从根本上解决了该压缩机密封失效问题，实现了该机组长周期安全稳定可靠运行。

5.2彻底消除了工艺介质反窜至润滑油系统，造成润滑油污染等问题。

5.3干气密封与原密封相比，密封端面非接触式运转、无磨损、摩擦功耗低，维护简单等优点。

参考文献：

[1陈志军.螺杆压缩机两种密封结构比较[J].压缩机技术，2006，200（6）：28-30.

[2]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京.机械工业出版社，2001.

[3]金春媛，林承跃，刘点，田志风.干气密封在高温泵上的应用.化工科技，2010，18（5）：45-48.

[4]郝木明.机械密封技术及应用[M].北京.中国石化出版社，2010.

作者简介：李振涛（1983-），男，山东德州人，博士，从事机械密封研发与工程应用工作。