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浅析:国产化空压机静压式干气密封应用

时间:2018-08-13 17:32

来源:德耐尔无油空压机

作者:德耐尔1111

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某公司新建10万t/a苯乙烯装置排放气压缩机为日本进口的喷液无油润滑螺杆压缩机,螺杆直径542.6mm。该压缩机的主要作用是将脱氢反应单元中生成的氢气、二氧化碳、甲烷等不凝气抽吸出去,以保证整个反应系统始终处于负压操作。

 

喷液无油螺杆空压机轴端密封根据输送介质的不同通常多采用机械密封、干式浮环密封或迷宫式密封,随着技术的进步,越来越多的进口压缩机采用了干气密封等新技术。但经过大量的实际应用和后续理论分析发现,动压干气密封使用效果并不理想,其中机组的转速对流体动压型干气密封的稳定性影响更大。因为无论何种形式的干气密封均要求其动静环密封面之间形成满足密封要求,并具有一定刚度的气膜,从而确保密封面之间小间隙无接触运转。对于流体动压式密封而言,气膜是在机组启动后高速旋转而形成的,因此对于低转速机组其启动期间密封性能下降很大,有些甚至无法正常工作。近年来动压式干气密封在高转速的大型离心机组上得到了非常广泛的成功应用,但在低转速机组上,过低的转速无法形成足够的气膜开启力和刚度,因而难以保证干气密封的正常运转,在螺杆压缩机上使用要求更为苛刻,因此并未广泛推广。

该螺杆空压机创新地使用了静压式干气密封与浮环密封组合应用技术,综合了干气密封零泄漏与浮环密封结构简单易于维护的优点,因此研究其运行机理并对其进行国产化,有着重要意义。

2、螺杆空压机机组工艺条件

螺杆压缩机运行参数如下:

密封轴径:φ220mm

正常转速:3849r/min

更大转速:4721r/min

更小转速:2249r/min

设计入口温度:常温

设计出口温度:100~145℃

设计入口压力:0.02MPa(A)

设计出口压力:0.2MPa(A)

密封气介质:氮气

尾气介质及含量:H2:96%;CO:0.01%;CO2:2%另外含有少量的N2和O2

3、静压式干气密封结构简介

该螺杆空压机密封由静压式干气密封+前后浮环密封组成。

从工艺侧由内而外,第一部分为由两道浮环密封组成的前置密封,该道密封不通入密封气,主要用于减小主密封气串入介质侧气量。中间主密封为静压式干气密封,密封气为系统管网供给的洁净氮气,氮气经过该密封后,一部分通过前置浮环密封,经减压后只有很少量的会进入工艺介质中。另外一部分氮气随同绝大部分二级密封泄漏气经一级泄漏出口排向大气。后部为二级密封,其作用为阻止密封气沿轴向窜入轴承箱,该密封也由两道浮环密封组成,隔离密封气为小压力大流量的氮气,此隔离氮气通过浮环密封后其中一部分经外部碳环进入油箱后放空到大气,另一部分经过内部碳环进入一级密封排气口。

4、静压式干气密封的分类及工作原理

干气密封通常可以分为两个大类,分别为动压式干气密封和静压式干气密封。其中依靠被密封机组的旋转使压力上升的叫做动压式干气密封,依靠压力差或外部供给的中间气体的压力使压力上升,机组本身的转速对气膜形成几乎没有影响的干气密封叫做静压式干气密封。

另外,静压干气密封又可细分成外加压式干气密封和自加压式干气密封。顾名思义自加压式干气密封不需要外部气源,由被密封机组本身输送的介质作为静压气体,其缺点是密封效果容易受到机组介质压力波动的影响。外加压式静压干气密封,其所需的静压气体由外部气源提供,因而性能比较稳定,可靠性高,缺点是增加了额外的气源设备,造价高,结构更为复杂。

静压式干气密封的主要工作原理是利用气体静压作用,在主机起动以前就在密封的动、静环端面间形成具有一定刚度的气膜,如图1所示。密封端面的环形内开有8个浅的补偿槽,如图2所示,其作用是为了实现密封动、静环之间能够形成一个稳定的静压力,从而提高密封效果和稳定性;在每个补偿槽中间开设置一个节流孔,密封气体通过密封环后部的气体通道后穿过节流孔进入密封端面之间,形成稳定的气体静压力。

外加压干气密封内部结构图
外加压干气密封端面槽型图

5、静压式干气密封的特点

5.1 静压式干气密封主要优点

(1)静压式干气密封无论机组转速的高、低,均能稳定正常地运转,其密封端面的泄漏率、开启力、气膜刚度及厚度与被密封机组的转速关系不大;

(2)可以形成具有较好刚度的气膜,通过供气和节流装置后理论上气膜刚度可以无限大;

(3)密封端面摩擦系数很低,设备起动前已经形成气膜,完全消除了动静环之间的静摩擦力;

(4)密封气由外部气源提供,密封性能基本不受设备本身输送的介质压力的影响,即使工艺操作波动大,密封仍能保持较好的密封性。

6、静压式干气密封国产化设计及优化

对于该压缩机国产化静压干气密封的设计,其整体结构布置、内部装配尺寸、外形尺寸均可以参考原密封设计,并进行重新核算后确定。密封国产化能够成功的设计重点在于密封件材质的选择及静密封环节流孔气体流量的计算。

6.1 静密封环节流孔气体流量的计算

静压式干气密封静环节流孔的尺寸是影响密封气体流量的直接因素,而密封气体流量及压力的大小又直接影响气膜刚度、密封端面开启力和气体泄漏率等重要密封性能,因而平衡好密封气体流量与静环端面节流孔大小之间的关系非常重要,也是该密封国产化的难点所在。

静压气体润滑轴承理论是静压式干气密封理论基础的主要来源。近年来,静压气体润滑轴承理论和技术不断的深入以及大量研究气体静压轴承的文献不断涌现,其中气体静压止推轴承理论可以应用在静压干气密封技术的研究中。根据静压气体润滑中节流孔控制方程的推导,可计算出静压式干气密封的节流孔流量。

6.2 密封主要零件的材质选择

静压式干气密封动静环、O环等零部件的材质直接影响密封的整体使用性能及更终寿命,因密封零部件的材质是密封设计的一个重要组成部分。

针对本次国产化改造,在对压缩机的运行工况、输送介质特性等作了详细分析后,更终确定了静压干气密封重要零部件的材质。

干气密封的动环采用0Cr18Ni9喷涂Cr203,该材料具有表面硬度高(HRC50-70)耐磨性好、热传导系数大、比重小等优点,是目前更好的一种摩擦副材料。密封静环采用浸锑碳石墨材料,该材料具有强度高、自润滑性好、耐高温(300~500℃)等特点。对于密封圈的材质选用,与工艺气体接触部分采用进口FFKM,其他采用进口FKM密封圈。基体材料及紧固件选用SUS304材质。

7、结论

经过研究人员的不懈努力,国产化静压式干气密封成功研制,并顺利通过了在线使用考核。该螺杆压缩机静压式干气密封国产化的成功,既满足了装置的使用需求,又节省了备件费用,更为国产静压式干气密封在不同领域的应用,进行了有意义的探索。另外静压式干气密封也可应用在高危介质泵、搅拌器等低转速的设备上,应用前景十分广阔。

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