丁二烯螺桿壓縮機軸封失效原因分析及國產化改造

張小偉，馮圣福，王云飛，陳敏，嚴慧玲

（中國石油獨山子石化公司乙烯廠烯烴一聯合車間，新疆 獨山子 833699）

中國石油新疆獨山子石化公司碳四裝置循環氣壓縮機為日本神戶制鋼生產的KS50LMZ型單級、無油、干式、正排量雙螺桿壓縮機，其軸端密封采用浮環密封+機械密封組合結構形式，配置氮氣保護系統，機械密封為日本伊格爾公司生產的接觸式、非集裝、雙端面結構，介質側為波紋管密封，軸承側為小彈簧密封，浮環密封為鋼套鑲嵌石墨結構，由波型彈簧提供貼緊力。該壓縮機輸送介質為混合碳四，額定流量57737KG/H，轉速2950 r/min。從2009年開始運行至今，該壓縮機共進行了3次解體檢修，機械密封平均運行周期不到兩年，機械密封的運行壽命已經成為該機組穩定運行的瓶頸，兩次非計劃停工檢修，使得碳四裝置及其下游裝置停工，不僅對企業造成了巨大的經濟損失，同時在開停工過程中產生的廢料會對環境造成一定的污染。

1 壓縮機軸封結構

該螺桿壓縮機原軸端密封驅動和非驅動端各兩套，氮氣作為隔離氣，機械密封為接觸式機械密封，雙端面、多彈簧、靜止接觸式、平衡型機封結構，原軸端密封結構如圖1所示。

圖1 壓縮機軸封示意圖

2 軸封失效原因分析

針對歷次檢修情況，對浮環密封、機械密封、輔助O形圈等進行了細致檢查分析，查找機械密封泄漏的根本原因。

2.1 浮環密封運行狀況評估

對拆解下來的浮環（圖2）做了仔細檢查，浮環密封外觀狀態良好，沒有明顯的摩擦磨損。

圖2 浮環

波型彈簧（圖3）外觀狀態良好，有一定彈性力，恢復性較好。

圖3 波型彈簧

2.2 機械密封運行狀況評估

將壓縮機解體拆卸下機械密封，發現機械密封端面結焦嚴重，機械密封殼體內部結焦也十分嚴重（圖4），三次更換機械密封，機械密封均發現同樣的問題。

圖4 機械密封動、靜環、機械密封殼體內結焦嚴重

接觸式機械密封因其工作原理決定了必然存在一定的泄漏，并隨著工況參數（壓力、速度、溫度等）的增加而呈現顯著的增加趨勢，丁二烯螺桿壓縮機輸送的混合碳四介質中含有大量丁二烯，在密封端面摩擦熱的作用下，丁二烯易在機械密封端面結焦。當結焦物進入到靜環內部時，靜環內部的彈簧失去彈性，機械密封喪失磨損補償，導致機械密封的泄漏量逐漸增大，同時由于內部結焦，沖洗油沖洗不暢，導致沖洗油無法將動、靜環摩擦產生的熱量全部帶走，動靜環溫度過高，加快了動靜環的磨損速度，降低了機械密封運行壽命。

2.3 O形圈運行狀況評估

機械密封與介質接觸部位為全氟醚O形圈，耐介質性能好，通過對拆下的O形圈仔細檢查，沒有發現溶脹、損傷情況，沒有損傷，不會產生泄漏。

由此可見，造成機械密封失效泄漏的主要原因是接觸式機械密封摩擦熱大，溫升高，沖洗不暢，導致封油側密封端面結焦，端面打開，從而引起密封腔體壓力下降，介質側密封油氣壓差減小，密封承受反壓，端面閉合力減小，最終造成端面分開，泄漏增大。因此在丁二烯螺桿壓縮機上采用接觸式機械密封是難以實現長周期低泄漏甚至無泄漏運行的。

3 軸封國產化改造

經過對國內多家密封件制造廠家的技術咨詢、對比，避免以上問題再次影響軸端密封的使用效果，最終我們選定了山東東營海森密封技術有限責任公司的改造建議。

3.1 機械密封改造為新型油膜非接觸式機械密封

針對丁二烯螺桿壓縮機原接觸式機械密封存在的問題，最終采用油膜潤滑非接觸式機械密封，即在密封端面開設流體動壓槽，保證密封端面非接觸式運轉，其端面槽型結構如圖5所示。

圖5 交叉槽端面結構示意圖

當機械密封的動環高速旋轉時，動環端面上的螺旋槽將外徑處的高壓沖洗油向下泵入密封端面間，沖洗油由外徑向中心流動，而密封壩節制沖洗油流向中心。于是液體被壓縮引起壓力升高，在槽根處形成高壓區，端面液膜壓力形成開啟力，將密封面推開，動靜環之間保持一個很小的間隙（3～5μm的油膜間隙）如圖6所示。

圖6 開槽式機械密封工作原理圖

在密封穩定運轉時，開啟力與由作用在靜環背面的彈簧力和液體壓力形成的閉合力平衡，在動靜環之間形成穩定厚度的液膜，改善端面潤滑狀況，動靜環實現非接觸運轉，如圖7所示。

圖7 油膜密封穩定運轉時閉合力等于開啟力

新型流體動壓螺旋槽由外徑側的吸油槽和內徑側的上游泵送槽組成，兩者配合使用。一方面吸油槽可將封油有效導入密封端面，保證端面流體膜存在，另一方面上游泵送槽可將吸入的油泵送回去，保證封油不會泄漏。兩組槽的組合使用，保證在密封端面的流體膜形成微循環，增加流體膜剛度，增加流體膜抗干擾能力，特別是在機組振動較大、介質比較臟的工況下機封能夠正常運行。

3.2 浮環密封改造為新型流體動壓石墨浮環密封

浮環密封磨損后泄漏量增大，密封部位壓力上升，大量介質在密封部位有可能造成介質自聚，加速密封失效，因此，提高浮環密封的密封能力，可對機械密封起保護作用。采用的流體動壓型石墨浮環（圖8）是在其內圓柱密封面上開設出一列流體動壓槽，有反向泵送作用，一方面可降低介質經排出孔的泄漏量，減少物料損失，另一方面可有效阻止丁二烯侵入機械密封內徑側，減緩丁二烯自聚的趨勢。借助流體動壓效應可提高石墨浮環的浮動性，降低浮環與軸的摩擦磨損，相應延長浮環和軸的使用壽命。

圖8 流體動壓碳石墨浮環

4 軸封試用效果

丁二烯螺桿壓縮機軸端密封自2009年運行以來，泄漏量一直在200L/月(0．28 L/H)左右，最大泄漏量一度達到400L/月（0．56 L/H），封油泄漏嚴重導致被迫停車停產，嚴重影響裝置的正常運行。

在前期對方案反復進行論證的基礎之上，利用2015年裝置停工大修的機會，對軸端密封系統進行了改造。自2015年6月12日大修后開工至2018年3月12日機組已累計運行1003天（24072小時）。機封每小時泄漏量入口端為0．0151L/H；出口端為0．0054L/H，合計0．020L/H，滿足液膜機械密封密封端面動態泄漏量≤0．020L/H的技術要求。

5 結語

獨山子石化公司碳四裝置循環氣壓縮機此次軸封國產化改造目前達到了預期的效果，改造后的軸端密封已連續運行24000小時，每年降低設備檢修和維護費用390萬元。另外，每年因無需停工一周進行機組檢修，多生產丁二烯約4500噸，這兩項合計約增效1500萬元，更為重要的是減少了裝置開停工、檢修過程中可能引發的安全隱患和環境污染事故。

[1]獨山子丁二烯螺桿壓縮機密封改造方案．東營海森，2015．

[2]循環氣壓縮機18-K-1231操作維護說明．神戶制鋼，2009．