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1、312004年第2期 氨压缩机机封泄漏原因分析和改造 尚阳锋管泽培王建辉 (河南省中原大化集团公司,濮阳457004) 摘要分析原机械密封磨损、 泄漏、 使用寿命短的原因。 改用流体动压非接触式螺旋槽端面密封后,基本达到了微磨损、 无泄漏、 可靠性 高及寿命长的良好状态,确保了机组的正常运行,经济效益显著。 关键词氨压缩机机械密封弹簧比压泄漏螺旋槽 在某大型合成氨装置中,氨压缩机其密封系统 中关键部分 轴端密封,采用单端面和双端面组合 型机械密封。 从1990年投产到1994年大修,氨压缩 机机械密封运行一直非常稳定,从未发生因机械密 封泄漏影响油品性能导致机组停车的事故。 期间,于 1991
2、年和1993年2次检查机械密封,各零部件均无 严重缺陷,每次都是按常规更换了动静环和辅助密 封件(备件为伯格曼公司生产)。但1994年10月份 检修后,由于操作指标、 设计装配间隙、 备件、 检修质 量等原因,引起机械密封多次泄漏。 1氨压缩机密封系统的组成 主要由密封供油、 轴端密封、 污油分离脱气三部 分组成,如图1所示。 图1密封系统布置示意图 1. 1密封供油部分 由润滑/密封油泵打出的高压油,经密封油调压 器调节后,以高于参考气约0. 6MPa的压力进入机械 密封。 之后分2路,一路通到灯笼环与壳体形成的环 形槽中,将灯笼环连同辅助机械密封静环一起推到 左面位置,使动静环工作面分开。
3、 另一路进入主机械 密封腔室,这路油绝大部分直接从腔室顶部流出,作 为主机械密封润滑、 冲洗、 冷却用油。 1. 2轴端密封部分 氨压缩机轴端密封采用伯格曼公司生产的H- D1/ 142 - K bl型机械密封,主密封为双端面机械密 封,辅助密封为单端面机械密封,其结构如图2所 示。在正常运行中,依靠密封供油系统供给的密封 油,在主机械密封动静环端面形成一层极薄的油膜, 将工艺气体封住。 在停车并停密封油时,灯笼环在左 面气体压力和静环弹簧推力作用下,被推到右面位 置,辅助机械密封动静环紧密帖合,起密封作用,有 效保证了轴端机械密封各种工况下均能可靠工作。 1灯笼环2键3“O” 形环4动环5“
4、O” 形环6定位套 7轴套8锁紧套9防松螺丝10锁紧套11石墨垫 图2机械密封示意图 1. 3污油分离脱气部分 进入主机械密封腔室的油中,有极少部分穿过 主机械密封内侧静环和动环密封端面进入参考气侧 的B腔,同工艺气混合。这部分油又流入A腔,从A 腔底部排出,经油气分离后,进入脱气槽,被加热脱 除污油中的氨气,之后流入主油箱,循环使用。 2机械密封运行情况 机械密封从1994年大检修后开车至改造前,共 更换4次,每次更换前后及机封运行情况如下。 1994年10月检修后正常开车,几天就发现机械 密封泄漏,润滑油回油中有氨味。经检查,北端(外 1995-2004 Tsinghua Tongfang
5、 Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 32化 工 设 备 与 管 道第41卷 侧)机械密封冲洗油回油温度明显低于南端(近B腔 侧 ) , 泄漏原因为北端主机封动环不能随轴同步转 动,动环内柱面上的 “O” 形环失效(图2件号 5) 。1995 年1月14日利用停车机会更换提前装好的机封。 解 体换下的北端机封发现主机封动环锁紧套松动退 出,锁紧套的防松螺钉未上紧,装在机封轴套上的动 环 “O” 形环已被磨平。 1995年1月14日更换机封开车,运行约10天 又发现机封泄漏,压缩机回油有氨味,现场检查未发 现异常。 分析主动环为双端面工作,冷却
6、油回油温度 近80,所以动环的实际温度应更高,其 “O” 形环应 当耐高温。查机封原生产厂家德国伯格曼公司为新 比隆公司订的备件,同样用于主动环的 “O” 形环前后 二次材质不一样,伯格曼备件的橡胶 “O” 形环外套氟 化乙丙烯套。1995年2月26日利用停车机会检修机 封,拆卸机封发现主动环 “O” 形环老化失效,其余零 部件均无明显缺陷。主动环用带套“O” 形环重新组 装两套机封回装。 1995年2月26日更换机封开车,运行至12月 初又发现机封泄漏,润滑油回油中有氨味,南端氨味 大于北端。 现场检查南侧污油温度较高。 运行到1996 年3月发现南端机封污油回油量增大,油颜色变深, 污油回
7、油管回油不及,造成部分油内漏至压缩机 内。为解决此问题,将油气压差由0. 63MPa调为 0. 46MPa ,污油回油量减少,油不再内漏至压缩机内。 1996年4月11日利用全厂停车机会更换机封, 拆下南端机封检查问题如下:主动环有约0. 5mm的 断口;机封轴套 “O” 形环老化,无弹性;静环 “O” 形环 老化,其中主机封内侧静环“O” 形环有一约6mm长 的断口;辅助机封动环同机封轴套发生相对运动,将 机封轴套上的压紧台阶磨损;辅助机封动环有裂纹。 经分析,认为机封泄漏的原因为:机封轴套压紧 套压紧力不够或机封轴套压紧套运行中有松动,造 成辅助机封动环压紧力减少,使之同机封轴套发生 相对
8、运动,一方面使机封轴套过热,加速其下部 “O” 形环老化,另一方面使机封腔室温度升高,动环过热 产生裂缝,再者机封腔室温度升高也加速了主机封 内侧静环的老化和断裂。 根据检查情况,认为引起工 艺气体泄漏的主要原因为主机械密封动环断裂。由 于新机封弹簧压力大、机封配合面产生的磨擦热也 较多,使冲洗油回油温度最高超过90(设计85 报 警,90 停车)。 根据机封结构特点,正常运行中发生机封泄漏 工艺气体的可能原因有: 机械密封组件同压缩机 壳体端面密封垫漏; 主动环 “O” 形环失效; 主动 环断裂; 机械密封轴套 “O” 形环失效。 根据运行的实际情况看,引起泄漏的原因 、 项 可能性大,、
9、的可能性小,并且近几次检修没 发现组件上零部件松动的现象。 3机械密封核算 3. 1设计条件与使用条件的主要差异 设计操作条件:密封气体压力0. 13MPa ,密封冲 洗油压力0. 43MPa ,密封油气压差为0. 3MPa。 实际操作条件:密封气体压力0. 350. 6MPa ,机封 冲洗油压力0. 951. 1MPa ,密封油气压差为0. 6 MPa。 3. 2以上差异对机械密封的影响 密封气体压力和密封油气压差的升高,一方面 使机封端面比压增加,密封端面磨损加剧,另一方面 也加大了静环、 轴套和动环 “O” 形环两侧的压差,使 “O” 形环工作条件变差,影响其使用寿命。 在现行工艺条件下
10、,要使机封工作条件符合密 封气体压力为0. 13 MPa的设计条件是难以实现的, 即使将二段入口(压力0. 75 MPa)通往补偿气管上阀 门全关,也难以降到此压力。从理论上讲,补偿气管 内的压力也应在0. 16 MPa以上(一段入口压力0. 16 MPa) 。 补偿气管压力太低,难以保证下述气体流程达 到一定的流量:补偿气腔气体 (B 腔) 油端迷宫密 封泄漏 参考气腔气体 (A 腔) 污油捕集气的油气 分离 限流孔板 压缩机一段入口。保证气体有一 定流量的一个主要作用是带动内漏的少量密封油, 通过污油回油管顺利地回到污油捕集器,使污油管 线畅通,特别是冬天气温较低时,避免油在污油管道 内聚
11、集。 所以在目前工艺条件下,也不宜将补偿气管 线压力调得太低。 3. 3主机械密封核算 (1)主要工作尺寸 静环工作端面外经D2= 158. 7mm,内径D1= 152. 56mm,平衡直径D0= 155. 0mm。 (2)弹簧比压计算 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 332004年第2期 弹簧自由长度30. 4mm,工作长度19. 2mm,压缩 长度11. 2mm,弹簧系数5. 058N/ mm。 弹簧总的弹力FS= 793. 1N。 弹簧比压PS= FS/ 1/ 4 (D2 2
12、-D1 2) = 0. 528MPa。 对高速机封,弹簧比压许用值一般取0. 05 0. 20MPa ,因此实际弹簧比压超标。 (3)机封载荷系数 K= ( D2 2 -D0 2) / (D 2 2 -D1 2) = 0. 607 (4)校核 设计工况下介质压力P1= 0. 13MPa ,封液压力 P2= 0. 43MPa ,液膜压力系数= 0. 5。 大气端端面比压: P大= PS+ P2K-P2= 0. 574MPa 工艺端端面比压: P工= PS+ P2K+ P1(1- K ) - (P 1+ P2) =0. 56MPa 实际工况下介质压力P1= 0. 40MPa ,封液压力 P2= 1
13、. 00MPa ,液膜压力系数= 0. 5。同设计工况下 计算方法一样,求得大气端端面比压P大=0. 635MPa ,工艺 端端面比压P工= 0. 592 MPa。 机封端面比压许用值一般取0. 300. 60MPa ,但 对高速机封(转速为9300r/ min) ,机封端面比压许用 值一般取0. 20. 3MPa ,因此机封端面比压均超标。 PV值计算: 端面平均线速度按机组转速为9300r/ min ,计算 V= (D 1+ D2)n/ (260) = 75. 78m/ s。 大气端PV= P大V= 43. 5MPam/ s。 工艺端PV= P工V= 42. 44MPam/ s。 实际工况
14、下计算得大气端PV值48. 12MPa m/ s ,工艺气端PV值44. 86MPam/ s。 在非平衡型机封中, Sic - Sic(碳化硅)磨擦副许 用PV值为14. 5MPam/ s ,因此实际PV值大大超过 许用值。 3. 4分析意见 在设计条件和实际操作条件下,机封端面比压变 化(增加)为:大气端0. 061MPa ,工艺端0. 032MPa。 由以上计算可知,由于该机封的平衡程度较高, 密封气体及密封油压力虽比设计值升高,使机封端 面比压有所升高,但量不大,所以对机封安全运行的 影响也不应太大,主要问题是机封的弹簧比压太大, 造成机封的端面比压过大,运行中密封端面产生大 量的磨擦热
15、,使双端面动环过热产生裂纹。动环过 热,动环的热量又传递给机封轴套,也使机封轴套温 度升高。 轴套温升太大时,由于钢制轴套热膨胀系数 大大高于碳化硅材料制动环热膨胀系数,会将动环 胀开形成裂缝。 所以只要解决动环过热问题,机封轴 套也不会过热。 从1996年4月11日检修更换机封时 发现,组装后的机封同原先不一样,压缩量偏小,反 复组装都一样,直观上感觉弹簧比原来弹性大。 4机械密封的改造和组装要求 (1)经上面核算知道,该机封弹簧比压较大,是 运行中机封过热、 动环断裂的重要原因之一。 针对上 述问题,采用天津鼎名密封有限公司专利技术,将接 触式机械密封改为流体动压非接触式螺旋槽端面密 封。
16、将图2中动环、 静环、 静环座重新设计制作。 (2)将图2中 “O” 形环件5 ,材质采用耐油硅橡 胶,尺寸 155. 1mm5. 3mm;图2中 “O” 形环件3 ,材 质采用耐油硅橡胶,尺寸较原件略有变动,重新设计 制作,以便提高压缩率。 (3)在运行中机封动静环过热,热量同时传递给 轴套,当轴套温升太大时,由于钢制轴套热膨胀系数 大大高于碳化硅材料热膨胀系数,所以会将动环胀 开形成裂缝。经测定将轴套装主机封动环处直径减 小 约0. 10mm,使 预 留 间 隙 由0. 20mm增 大 为 0. 30mm。间隙适当变大后,不影响动环的径向定位 (径向定位靠动环下面带套 “O” 形环)和动环
17、 “O” 形环 的正常工作。 (4)冲洗油导流环与动环直径间隙仅约3mm,动 环搅拌冲洗油发热,也是机封过热的一个重要原 因。 所以将导流环内径车大3. 5mm,使导流环与动环 直径间隙增大为6. 5mm。 机械密封组装基本要求:导流环内径车大 3. 5mm,轴套装主机封动环处光刀去0. 10mm; 检查 全部零部件的完好程度; 检查主轴定位轴肩是否完 好; 检查全部 “O” 形环的压缩率,并涂上润滑脂; 检查静环座上弹簧力的匹配性,选定弹簧(由14个减 少为8个 ) ; 检查石墨环的平面度,必要时现场研磨; 检查上下壳体配合情况,检查上下壳体与“O” 形环 配合处是否有缺陷,安装倒角是否合格
18、; 组装机封、 锁母及锁紧套(包括轴上圆螺母)涂上防松胶。 注意螺 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 34化 工 设 备 与 管 道第41卷 旋槽旋向,导流环出油及进油口不得装反。 氨压缩机机械密封改造后运行维护要求: 将 平衡管上与二段入口相连的阀门尽量关小,以降低 被密封气体的压力; 调节密封冲洗油回油副线阀 门开度,控制进回油温度差在2030 之间,保证冲 洗良好; 密封回油管装直读式压力表和温度计,以 便随时对密封状态进行监测; 密封进油压力与被 密封气体的压力之差(油气压差)
19、调整至P = 0. 300. 05MPa ; 密封油气压差的控制至关重要, 高报警值PH= 0. 35MPa ,低报警值以及辅助油泵自 启动值PL= 0. 15MPa , 主机停机联锁PLL= 0. 1MPa ; 压缩机的振动、 位移应在允许范围之内, 尽量避免出现带液氨、 喘振等恶劣工况。 5结论 1998年4月采用天津鼎名密封有限公司专利技 术,将原接触式机械密封改为非接触式螺旋槽端面 密封后,机械密封运行4年来,运行情况良好,基本 达到了微磨损、 无泄漏,确保机组的稳定运行。目前 从机械密封运行参数来看,现场密封气压力0. 4 MPa ,机封冲洗油压力0. 7 MPa ,油气压差为0.
20、3 MPa ,机封冲洗进回油温差在20 左右,机械密封运 行十分稳定。 (上接第26页) 图4屋面分水线 (3)走道板 a.走道板如采用予制槽形板时,用200号细石砼灌 缝,面层抹1:2水泥砂浆厚1520mm。 b.走道板防滑措施和踏步见表4。 (4)防腐蚀处理 凡用于运输有腐蚀物料时,如各类化肥、 盐等, 栈桥内部的防腐蚀处理,均应按 工业建筑防腐设计 规范 进行处理。 3地震区栈桥结构选型的原则 (1)栈桥结构优先采用结构自重轻、 整体性能好 的结构体系。 (2)不宜采用砖柱作为栈桥的承重结构和围护结 构。 (3)栈桥的围护结构、 屋面结构宜采用石棉瓦或 玻璃钢瓦等轻质材料。 (4)采用钢
21、桁架时,桁架上下弦平面应加强支撑 系统,确保栈桥的空间整体稳定性。 (5)当栈桥采用预制钢筋砼走道板时、 则屋面板 应加强板和大梁或桁架的焊接,确保栈桥的整体 性。 当地震设计烈度为8和9度时,一般在预制板上 面整浇一层4050mm的细石砼,以增强其整体 性。 (6)当栈桥长度大于50m时,在栈桥适当位置布 置一个四柱式框架结构式的支架柱,以确保栈桥纵 向的整体稳定性。 (7)栈桥端部和毗邻建(构)筑物之间应设抗震 缝。 4设备机运专业向土建专业提供设计栈桥 的条件 (1)栈桥平、 立、 剖面图、 皮带支架位置图、 预埋 件、 栈桥起止标高、 座标、 栈桥倾角。 (2)皮带输送机型号、 输送速
22、度、 输送物料名称、 物料堆密度、 支架荷重、 走道板活荷载。 (3)栈桥使用的工艺要求:如隔热、 通风、 采暖、 照明、 防腐、 清洗等。 (4)沿栈桥两端建(构)筑物控制尺寸,交通运输 线、 沟渠、 地下管网、 外管架等的相对座标及位置。 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 4PROCESS EQUPMEN T & PIPIN GVol. 41 No. 2 APRIL 2004 (Total No. 221) 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.