索拉C652型天然氣管線壓縮機干氣密封國產(chǎn)化研制

潘彪,任俊偉,陳小平,孫斌,陳春來,郭俊,楊飛

(1.國家管網(wǎng)集團北京管道有限公司,北京 100020;2.成都一通密封股份有限公司,四川 成都 610100)

天然氣管線壓縮機是天然氣長距離管道輸送的心臟設(shè)備,其主要作用是在長距離輸送過程中維持天然氣的壓力,使之輸送到目標市場。

我國長距離管道輸送行業(yè)起步晚、發(fā)展快。起步階段管線壓縮機全部采用國外進口,相關(guān)配套組件(如干氣密封)也都是進口。據(jù)國家管網(wǎng)統(tǒng)計,在已建成的天然氣管網(wǎng)中,國產(chǎn)機組占比不到30%,進口干氣密封國產(chǎn)化具有巨大的市場潛力和經(jīng)濟效益。

目前我國在役的進口天然氣管線壓縮機組配套的干氣密封主要為John Crane、Eagle Burgmann、Flowserve等國外廠家[1]。隨著壓縮機組的長時間運行,干氣密封故障時有發(fā)生,嚴重時可能造成重大經(jīng)濟損失[2]。進口干氣密封備件價格高、維修時間長、售后服務(wù)不及時等問題日益突出,已成為天然氣管線壓縮機安全穩(wěn)定長周期運行的潛在隱患。

針對這一現(xiàn)狀,國內(nèi)幾大天然氣管線運營管理公司聯(lián)合國內(nèi)密封廠家,陸續(xù)開展了部分進口干氣密封的國產(chǎn)化修復工作,取得了一定成效,但在索拉C652型壓縮機用干氣密封的整體國產(chǎn)化上還是空白。針對索拉C652型天然氣管線壓縮機,對其干氣密封國產(chǎn)化設(shè)計及試驗驗證過程進行詳細介紹和分析總結(jié),為天然氣管線壓縮機干氣密封的全面國產(chǎn)化提供一定的技術(shù)支持和參考。

1 天然氣管線壓縮機干氣密封特點及工作原理

1.1 天然氣管線壓縮機干氣密封特點

天然氣管線壓縮機干氣密封的工作氣體為天然氣,氣體成分復雜,氣體中所含雜質(zhì)成分較多,顆粒較大,且氣體的組成和壓力隨氣源不同以及季節(jié)變化而變化。這就要求干氣密封的氣源處理裝置要具備過濾、除液、調(diào)壓、加熱等功能[2]。

天然氣管線壓縮機干氣密封的工作壓力范圍需要與壓縮機不同工況下的工作壓力適配。包括正常運行工況、試車工況、停車檢修工況、循環(huán)工況等[3],其壓力范圍變化較大,這就要求干氣密封具備在較大壓力范圍內(nèi)均能正常工作的能力。

由于現(xiàn)場沒有獨立氮氣氣源,所以干氣密封是沒有二級密封氣的注入的,二級密封直接工作在經(jīng)一級密封泄漏而來的天然氣環(huán)境下,因此也會有微量的天然氣經(jīng)二級密封氣的泄放口排出。由于天然氣是易燃易爆氣體,所以需嚴格控制其泄漏量,使其避開爆炸極限[4]。

此外,天然氣管線壓縮機干氣密封的工作地點一般較為偏僻,檢修困難,一旦密封失效,可能造成的損失會更大,這就對干氣密封工作的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。

1.2 天然氣管線壓縮機干氣密封工作原理

1.2.1 安裝位置

離心式天然氣管線壓縮機干氣密封包括驅(qū)動端和非驅(qū)動端干氣密封,兩者分別安裝在壓縮機主軸兩端,靠近進氣道和排氣道的位置,起到防止壓縮機內(nèi)介質(zhì)外漏的作用。

1.2.2 密封組成

通常,天然氣管線壓縮機干氣密封由兩套結(jié)構(gòu)相同的單密封串聯(lián)組成。第一級干氣密封為主密封,承受工藝全部壓差,其密封氣氣源為壓縮機組出口端引出的經(jīng)過過濾、調(diào)壓的工藝氣。第二級密封為輔助密封,通常工作在很低的壓差下,一旦一級密封失效,二級密封可以迅速做出反應,起到安全備用密封的作用,可以避免工藝氣大量泄漏的事故發(fā)生。

干氣密封的組成主要包括動環(huán)、靜環(huán)、密封圈、推環(huán)、彈簧、軸套、彈簧座、壓緊套等。

1.2.3 密封原理

當壓縮機工作時,軸套隨軸轉(zhuǎn)動,在軸套與動環(huán)之間有傳動銷,因此動環(huán)也隨軸轉(zhuǎn)動。

靜環(huán)通過防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與彈簧座配合,彈簧座通過連接螺釘或卡盤與腔體連接。當壓縮機工作時,靜環(huán)和彈簧座都不隨軸轉(zhuǎn)動。

如此,動環(huán)和靜環(huán)就組成了一對摩擦副,兩者的配合表面的光潔度和平面度都很高,且在動環(huán)的配合面的外側(cè)加工有一組螺旋槽,如圖1所示。

圖1 動環(huán)表面螺旋槽結(jié)構(gòu)

當動環(huán)隨軸旋轉(zhuǎn)時,其上的流體動壓槽驅(qū)動外徑側(cè)的高壓氣體(密封氣)進入密封面的間隙中,導致間隙中氣體壓力升高。間隙氣體壓力作用于形成間隙的兩個端面,使靜環(huán)和動環(huán)端面分開。間隙中氣體的壓力隨著動靜環(huán)端面間距的增大而迅速減小,動靜環(huán)在彈簧力和密封氣壓力的作用下又趨于閉合,最終在動環(huán)和靜環(huán)端面間形成一層1～3 μm厚的穩(wěn)定氣膜。這樣就在密封端面不接觸的情況下,密封端面間的氣膜阻塞了高壓側(cè)氣體向低壓側(cè)泄漏的通道,實現(xiàn)了對工藝介質(zhì)的密封。

2 干氣密封設(shè)計條件

2.1 干氣密封操作參數(shù)

干氣密封操作參數(shù)如表1所示。

表1 干氣密封操作參數(shù)

2.2 干氣密封設(shè)計性能指標

干氣密封設(shè)計性能指標如表2所示。

表2 干氣密封設(shè)計性能指標

3 密封設(shè)計

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對索拉C652型機組干氣密封原有的腔體尺寸、原有控制系統(tǒng)、原有工藝操作條件等情況,該國產(chǎn)化干氣密封采用不帶中間迷宮的串聯(lián)式干氣密封結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)及組成如圖2所示。

1—軸套;2—彈簧蓄能密封圈;3—級密封動環(huán);4—銷釘;5一級密封靜環(huán);6—O型圈;7—彈簧;8—級密封推環(huán);9一級密封彈簧座;10—二級密封動環(huán)座;11—二級密封動環(huán);12—二級密封靜環(huán)。圖2 干氣密封結(jié)構(gòu)及組成

3.2 流體動壓槽選擇及設(shè)計優(yōu)化

干氣密封流體動壓槽有單向槽和雙向槽之分,單向槽的干氣密封只允許沿一個方向旋轉(zhuǎn),這類槽型包括:弧形槽、螺旋槽、人字槽等;雙向槽的干氣密封在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)過程中都能起到密封作用,這類槽型包括:T型槽、燕尾形槽、矩形槽等[5]。

與雙向槽干氣密封相比,單向槽干氣密封的優(yōu)點是氣膜剛度更大,開啟轉(zhuǎn)速更低且抗干擾能力更強,更適用于需要頻繁啟停的工況。缺點是泄漏量稍大,且不能反轉(zhuǎn)。若發(fā)生反轉(zhuǎn),會導致密封端面無法脫開,進而導致密封失效。

天然氣管線壓縮機由于出口止回閥距離壓縮機較近,返回線距離短,系統(tǒng)易平衡,基本不會發(fā)生反轉(zhuǎn)的情況[6],再結(jié)合壓縮機組頻繁啟停的實際工況,本項目流體動壓槽的槽型選擇單向螺旋槽。

干氣密封螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示,其中,靜環(huán)內(nèi)半徑ri=87.05 mm;靜環(huán)外半徑ro=108.9 mm;螺旋槽半徑rg=94 mm;槽數(shù)Ng=12;螺旋角θ=19°;槽深hg=5 μm;非槽區(qū)平衡膜厚hb=3 μm;槽深比η=0.625。

圖3 螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)

干氣密封氣膜區(qū)流場壓力分布如圖4所示。

圖4 干氣密封流場壓力分布

從圖4中可以看出,氣體進入密封槽后,由于受到密封堰的阻擋,壓力逐漸升高,在槽根附近達到最大值,螺旋槽動壓效應十分明顯。

3.3 密封材料選擇

3.3.1 動、靜環(huán)材料選擇

干氣密封動、靜環(huán)的材料選擇對密封性能及可靠性有著極大的影響。干氣密封動環(huán)常用的材料主要有碳化硅和硬質(zhì)合金,靜環(huán)常用的材料主要有碳化硅(涂覆DLC涂層)和重載石墨。

考慮前文提出的適用于同軌雙車運行模式的貨位優(yōu)先級和貨位分配模型，在算法初始階段根據(jù)貨物數(shù)量確定待選貨位，生成初始種群(棲息地)，再將3種MBBO算法集成一體進行并行計算，構(gòu)建EMBBO算法進行優(yōu)化求解。

對硬質(zhì)合金、碳化硅和重載石墨的性能進行對比,對比結(jié)果見表3。

表3 不同材料性能對比

從表3可以看出,硬質(zhì)合金的彈性模量和抗折強度都最高,在抵抗變形和碎裂方面都最有優(yōu)勢。但因硬質(zhì)合金密度為碳化硅的4.5倍以上,其轉(zhuǎn)動慣量較大,旋轉(zhuǎn)時所受離心力也較大,高速旋轉(zhuǎn)時可能會對轉(zhuǎn)子的動力學性能產(chǎn)生較大影響。

碳化硅的抗折強度雖僅為硬質(zhì)合金的1/4.5,但亦是重載石墨的4.5倍,因此韌性介于硬質(zhì)合金和石墨之間。碳化硅密度不到硬質(zhì)合金的1/4.5,但彈性模量接近硬質(zhì)合金,硬度比硬質(zhì)合金高。

經(jīng)過綜合比較,該國產(chǎn)化選用碳化硅作為動、靜環(huán)材料,并在靜環(huán)表面涂覆DLC(類金剛石石墨)涂層,降低其表面摩擦系數(shù),提高耐磨性能[7]。

3.3.2 金屬零部件材料選擇

天然氣管線壓縮機干氣密封的工作壓力較高,轉(zhuǎn)速也高,金屬零部件所受壓力及離心力也會較大。因此對金屬零部件的強度和硬度有較高的要求,本項目選擇在離心壓縮機干氣密封中應用十分成熟的410不銹鋼作為密封金屬結(jié)構(gòu)件的材料。

3.4 動、靜環(huán)應力應變分析

干氣密封的核心零部件(動、靜環(huán))需要承受較大的介質(zhì)壓力,動環(huán)還受到高速旋轉(zhuǎn)引起的離心力,核心零部件可能會產(chǎn)生較大的應力應變,需要對其受力及應變情況進行科學計算,再根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)化相應的設(shè)計尺寸。

圖5～8為動、靜環(huán)變形及應力的計算結(jié)果。

圖5 靜環(huán)變形計算結(jié)果

圖6 靜環(huán)應力計算結(jié)果

從圖7和圖8可以看出,動環(huán)最大位移和最大應力均發(fā)生在動環(huán)內(nèi)圓端面處,最大變形約為8.05×10-3mm,最大應力約為49.5 MPa,應變和應力遠小于碳化硅材料的許用值,滿足設(shè)計要求。

圖7 動環(huán)變形計算結(jié)果

圖8 動環(huán)應力計算結(jié)果

3.5 高壓密封圈防爆設(shè)計

在高于10 MPa的壓力下,常規(guī)密封圈不能滿足長時間使用的抗爆要求,本項目采用改性PTFE+金屬組合密封圈(亦稱作彈簧蓄能密封圈),其結(jié)構(gòu)組成和工作原理如圖9所示。

圖9 彈簧蓄能密封圈組成工作原理

彈簧蓄能密封圈由一個聚四氟乙烯夾套和一個耐腐蝕的金屬蓄能彈簧組成。彈簧安裝在聚四氟乙烯夾套內(nèi),始終受到壓縮,使夾套唇邊緊貼密封溝槽,由此形成初始密封,并彌補材料磨損及配合零件的偏移或偏心。

當系統(tǒng)加壓時,系統(tǒng)壓力也給夾套提供壓緊力,因此壓力越大,夾套與密封溝槽貼合越緊,密封效果越好,有效地避免了爆裂情形的發(fā)生。

3.6 DLC涂層工藝

為了降低靜環(huán)表面摩擦系數(shù)并提高其耐磨性,在靜環(huán)表面涂覆了DLC涂層。涂層形貌照片如圖10所示。

圖10 DLC涂層形貌

從圖10中可以看出涂層整體呈現(xiàn)一種疏松的絮狀結(jié)構(gòu),涂層與基體有明顯的界面。有涂層樣品和無涂層樣品的磨損體積三維形貌如圖11所示,涂層摩擦系數(shù)檢測結(jié)果如圖12所示。

有涂層樣品磨損體積形貌圖11 磨損體積三維形貌

圖12 涂層摩擦系數(shù)檢測

通過磨損體積檢測和摩擦系數(shù)檢測,表明與涂覆前相比,涂覆后的靜環(huán)表面耐磨性明顯提高,摩擦系數(shù)明顯降低,DLC涂層有效地提高了靜環(huán)的密封性能。

3.7 低扭矩控制

針對天然氣管線壓縮機在服役過程中頻繁啟停的工況,需要降低干氣密封的盤車扭矩以滿足300次啟停的設(shè)計要求。通過密封流體動力學參數(shù)優(yōu)化、關(guān)鍵零部件變形控制優(yōu)化以及精密加工工藝優(yōu)化等措施,有效降低了密封靜態(tài)盤車扭矩。密封靜態(tài)盤車扭矩與壓力變化曲線如圖13所示。

圖13 盤車扭矩與壓力關(guān)系曲線

從圖13可以看出,成套密封4.0 GMP后盤車扭矩可保證小于5 N·m。

4 試驗情況

4.1 試驗臺布置

干氣密封試驗工裝如圖14所示。試驗模擬干氣密封在壓縮機中運轉(zhuǎn)時的壓力和轉(zhuǎn)速,精準調(diào)控各種試驗參數(shù)(包括轉(zhuǎn)速、一級密封氣壓力、二級密封氣壓力等),并精確測量各種工況條件下密封的泄漏量。

圖14 干氣密封試驗臺布置圖

4.2 試驗程序

4.2.1 靜態(tài)試驗程序

靜態(tài)試驗的目的是測量干氣密封在各種壓力工況下,密封的靜態(tài)泄漏量。試驗過程是分多次將模擬密封氣壓力由常壓加壓到密封最大靜態(tài)壓力(12.5 MPa),并測量每個階段穩(wěn)定后的泄漏量;達到最大壓力后再分多個階段降壓,并測量每個階段穩(wěn)定后的泄漏量。

4.2.2 動態(tài)試驗程序

動態(tài)試驗時將模擬密封氣壓力設(shè)置為密封正常工作壓力(12 MPa),模擬壓縮機各種工況下的轉(zhuǎn)速,測量密封的一級、二級泄漏量。模擬工況及其轉(zhuǎn)速如表4所示。

表4 工況及轉(zhuǎn)速對應表

4.2.3 300次啟停試驗程序

單次啟停過程為:保持模擬密封氣壓力為正常工作壓力,將轉(zhuǎn)速由0快速提升至跳車轉(zhuǎn)速(最大連續(xù)轉(zhuǎn)速的110%,13 202 r/min),然后快速將至0。如此重復300次。

4.2.4 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如圖15～17所示。

圖15 密封靜態(tài)泄露量與壓力關(guān)系曲線

圖16 一級密封泄漏量與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖17 二級密封泄漏量與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

從圖15～17可以看出,密封的靜態(tài)泄漏量約為7.0 m3//h,小于指標要求的12.2 m3/h;一級、二級密封的靜態(tài)、動態(tài)泄漏量指標均滿足設(shè)計要求;在設(shè)計轉(zhuǎn)速和壓力條件下,密封一級泄漏量約為12.0 m3/h,小于指標要求的12.2 m3/h;密封二級泄漏量約為0.11 m3/h,小于指標要求的0.12 m3/h。綜上所述,一級、二級密封的靜態(tài)、動態(tài)泄漏量指標均滿足設(shè)計要求。

試驗后將密封拆卸下來,檢查動、靜環(huán)表面狀態(tài)。試驗后靜環(huán)、動環(huán)實物照片如圖18～19所示。

圖18 試驗后靜環(huán)實物照片

圖19 試驗后動環(huán)實物照片

經(jīng)仔細檢查,試驗后密封環(huán)的表面未出現(xiàn)明顯劃痕,無磨損跡象,表面質(zhì)量與試驗前基本一致,試驗過程中未發(fā)生接觸摩擦現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

介紹了索拉C652型壓縮機干氣密封的國產(chǎn)化研制過程,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真計算以及試驗驗證,最終成功研制了該型進口密封的國產(chǎn)化替代產(chǎn)品,對后續(xù)其他管道天然氣壓縮機干氣密封的國產(chǎn)化研制工作的開展具有一定參考和指導意義。