離心式壓縮機干氣密封系統的技術改造

包磊磊，陳 明，孫 星

(兗礦魯南化工有限公司，山東 滕州 277527)

兗礦魯南化工有限公司一氧化碳離心壓縮機(GT040-T5D1)由德國阿特拉斯·科普柯進口壓縮機生產制造。PSA裝置生產出來的98%CO氣體要經過壓縮機加壓后送入醋酸工序。壓縮機計劃檢修中，干氣密封拆檢中發現內部有少量水漬，嚴重影響了干氣密封件的使用壽命。

1 存在的問題

一氧化碳離心壓縮機(GT 040-T5D1)的主機由五段缸組成。壓縮機與電機由膜片聯軸器聯接，壓縮機各段缸在變速箱內通過各分齒輪與主軸主齒輪嚙合進行提速，整臺機組采用聯合油站供油潤滑，且主油泵是通過主軸上的齒輪帶動運行，壓縮機的軸端密封采用干氣密封，原動機采用西門子三相異步電動機。

根據近幾年干氣密封檢修更換情況，其使用壽命約2 a，達不到長周期運行要求，更換頻繁，尤其維修更換費用昂貴，增加停機檢修次數。針對這些問題，設備服務商對壓縮機干氣密封件進行了檢修和改造升級，并對密封氣進行凈化，延長了干氣密封件的使用壽命。

2 技術改造方法

2.1 優化干氣密封部件結構

干氣密封是一種先進的非接觸式機械密封，是現階段較為常見且優秀的密封形式[1]。干氣密封是一種流體動壓型非接觸式機械密封，具有無磨損、功耗小、結構簡單、泄漏小等特點。由于干氣密封屬于機械密封表面開淺槽技術，因此密封端面開槽的槽形選擇一直是干氣密封研究的對象，以提升干氣密封使用壽命[2]。

原廠干氣密封采用Burgmann壓縮機干氣密封，其摩擦副一貫采用硬對硬設計，即動環采用無壓燒結碳化硅SSiC，靜環采用表面噴涂DLC特殊涂層的無壓燒結碳化硅。采用硬對硬設計優點為：材料的彈性模量大，密封環在高壓下的變形小，尺寸穩定。但存在的問題為：密封對密封氣體的品質要求非常高，不能含有任何固體顆粒和液體微團。若密封氣體品質變差或有固體顆粒和液體微團浸入，則容易引起靜環副密封卡滯導致密封失效，甚至密封環破裂，加劇密封環的磨損。此時由于局部過熱、高溫，可能會引起密封環破裂。

從壓縮機出口來的氣體，經主密封氣過濾器過濾，如果過濾質量不高，就可能會造成上述情況，或者進入密封腔的氣體流量偏小，這樣即使機內迷宮的間隙沒發生變化，通過機內迷宮的氣體流速就偏小，不足以防止機內未經過濾的臟的氣體擴散到一級密封腔，污染一級密封[3]。此外，隨著時間的增長，機內迷宮由于磨損與軸的徑向間隙變大，這樣即使進入密封腔的氣體流量不變，其通過機內迷宮的流速也要變小，導致其防止機內臟氣體的擴散能力減小，也可能引起密封的失效。

John Crane壓縮機干氣密封設計的指導思想與Burgmann不同。在20 MPa以下，即其產品28AT、28XP密封摩擦副都是采用一硬一軟配對設計的方案，即動環采用碳化物或碳化硅，靜環采用經特殊工藝處理的高性能浸金屬碳石墨[4]。這樣設計的好處在于，既能滿足高壓(20 MPa以內)下密封環變形控制的要求，又具有良好的自潤滑性，大大提高了密封在異常工況下出現失效甚至密封環破碎的可能性。

綜合考慮工況等因素，改造采用的高壓干氣密封設計(密封壓力小于20 MPa)就是根據John Crane的思想，靜環采用進口高性能浸銻碳石墨，經特殊工藝處理，以提高密封在啟動和停車階段的自潤滑性能，提高其穩定性[5]。本公司自行設計、加工的高壓干氣密封SC01X，試驗室最大動態壓力達到18 MPa、靜態20 MPa，多次試驗的重復性很好。

根據現有壓縮機的工況(150 kPa(G)、CO：98.5%、CO2：0.16%、H2：0.5%、N2：0.14%)，原壓縮機硬環端面槽形選擇為單向槽，使用壽命約1 a，壽命短，消耗過快。分析壓縮機干氣密封不同槽型的優缺點，提升干氣密封的使用壽命，如圖1所示。

圖1 單向槽結構

表1所示為單向槽與雙向槽的特征對比，從表中可以看出，雙向槽端面結構具有抗反壓功能，即使密封氣壓力下降或中斷供氣，內側密封不會造成密封大量泄漏，反壓時，工藝介質壓力作用在補償環上，使補償環和非補償環保持緊密貼合，不會打開[6]。因此公司決定更換密封端面槽型，改為雙向槽。密封摩擦副經過專用有限元分析軟件優化設計，理論計算結果與試驗臺試驗結果非常接近[7]。

圖2 雙向槽結構

運行參數單向槽雙向槽反向運轉僅能短期反向運轉適合所有操作速度間隙/μm3～102～8無壓啟離速度/(m·s-1)0.61.2靜止時的啟離壓力/MPa≥0.6≥0.6

石墨環采用國外進口的高級抗起泡石墨，密封環力變形、熱變形小[8]。干氣密封經過嚴格的動、靜態性能臺架測試，完全符合現場的轉速、壓力等工況參數，質量可靠[9]。

2.2 干氣密封入口增加旋風氣水分離器

在C1201干氣密封氣入口處增加一個旋風分離器，以分離干氣密封氣中的液態水。焊接時用氬弧焊打底，安裝時保證管道內部清潔。實施情況如圖3和圖4所示。

圖3 旋風氣水分離器配管示意

圖4 旋風氣水分離器現場安裝實景

3 改造實施效果

干氣密封改造由國產廠家實施，投入運行后，運行3 a至今一直未更換，延長了使用壽命，使用情況良好，達到了改造效果。保證了設備的長周期運行，達到了化工生產系統連續運行的要求。

公司原備件為進口，費用昂貴，改造后備件實現國產化，費用降低70%(見表2)，大幅降低費用。重要的是，供貨周期由48周大幅降低到3個月內，保證了備件的時效性，為設備的長期穩定運行做好了保障。

表2 備件國產化改造前后費用對照

干氣密封入口增加旋風氣水分離器后，壓縮機運行情況良好，有效解決了干氣密封中帶水的問題。定期排出氣水分離器中的水，防止帶入干氣密封系統中，避免了對干氣密封的損壞，保證達到了干氣密封的正常使用要求，為設備的長周期運行提供了有效保障。

4 結 語

離心式壓縮機干氣密封系統技術改造，經過嚴謹的計算，多次的實驗驗證。對干氣密封的結構優化改造，將密封槽結構由單向槽改為雙向槽，更符合工況要求。進一步對干氣密封系統的除水凈化改造，經過國產備件的試用、調試，逐步實施改造，現運行指標優良，完全滿足了長周期運行要求。更重要的是，進行備件國產化，在延長使用壽命的同時，大幅降低維修費用，經濟效益可觀。

離心式壓縮機干氣密封系統綜合技術改造使設備運行周期大幅延長，經過實踐驗證，效果好，杜絕了非計劃停機，效益非常明顯。成功的改造經驗，可以推廣應用到阿特拉斯等離心式壓縮機長周期運行維護方面以及整個化工行業，推廣價值大。通過不斷探究，相信我國的干氣密封技術日益成熟，在各個領域、各個行業也必將發揮重要的作用。