碳環(huán)密封應(yīng)用在工藝螺桿壓縮機(jī)上的常見問題分析

胡 濤，林艷斐，謝 楷

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海201108）

碳環(huán)密封應(yīng)用在工藝螺桿壓縮機(jī)上的常見問題分析

胡 濤，林艷斐，謝 楷

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海201108）

通過分析碳環(huán)密封的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)型式、系統(tǒng)布置，明確碳環(huán)密封的使用場合；針對(duì)碳環(huán)密封在使用過程中出現(xiàn)的氮?dú)庀牧看?、竄水竄氣、自磨損、磨軸、波紋彈簧斷裂及腐蝕等問題，分析產(chǎn)生問題的原因，提出了解決措施及解決思路。

螺桿壓縮機(jī)；碳環(huán)密封；碳環(huán)

1 引言

目前工藝無油螺桿壓縮機(jī)中常用的主密封有3種形式：機(jī)械密封、干氣密封和碳環(huán)密封。對(duì)于大軸徑的機(jī)型，機(jī)械密封由于受pV值的限制[1]，可靠性較差，少有應(yīng)用。干氣密封雖可實(shí)現(xiàn)介質(zhì)零泄漏、安全性高，但價(jià)格昂貴，特別是干氣密封輔助系統(tǒng)復(fù)雜。碳環(huán)密封屬于徑向非接觸式密封，依靠小間隙節(jié)流降壓實(shí)現(xiàn)密封功能，因其結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性好而在工藝螺桿壓縮機(jī)上廣泛使用，如焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)、PSA尾氣壓縮機(jī)、苯乙烯壓縮機(jī)等。但由于碳環(huán)密封存在間隙較大、密封圈易磨損，在實(shí)際的現(xiàn)場運(yùn)行使用中，也存在一些亟待解決的問題。

2 碳環(huán)密封的工作原理及特點(diǎn)

2.1 碳環(huán)密封工作原理

碳環(huán)密封屬于流阻型非接觸式密封，其密封內(nèi)孔與軸存在一定的間隙，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在壓差和轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)下帶動(dòng)氣體進(jìn)入偏心的楔形間隙內(nèi)，在楔形間隙內(nèi)產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)，使環(huán)浮動(dòng)抬升，環(huán)內(nèi)壁脫離軸表面而變成非接觸狀態(tài)；在此狀態(tài)下，氣體通過間隙的節(jié)流作用產(chǎn)生壓力損失，從而達(dá)到減小泄漏的目的。由于存在間隙，避免了固體摩擦，適用于高轉(zhuǎn)速情況，既可以封堵液體，也可以封堵氣體，但是泄漏量較大，某些情況下還需配置比較復(fù)雜的密封輔助系統(tǒng)。

2.2 碳環(huán)密封的特點(diǎn)

碳環(huán)密封是浮環(huán)密封的一種形式，廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)、風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、透平機(jī)等機(jī)組的軸端密封中。尤其在一些高壓、高轉(zhuǎn)速場合，只有采用碳環(huán)密封來降壓或節(jié)流，才能使泄漏降至允許范圍內(nèi)。如果再與其它密封相組合，可以得到更滿意的效果。相比其它密封裝置，碳環(huán)密封具有如下優(yōu)點(diǎn)[2]：

（1）結(jié)構(gòu)簡單、成本適中，密封性能穩(wěn)定、維護(hù)檢修方便；

（2）能用于10000～20000 r/min的高速旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械，尤其適用于氣體壓縮機(jī)，其許用速度高達(dá)100 m/s以上，這是其他密封所不能比的；

（3）摩擦功率小，使得機(jī)器具有較高的效率；

（4）可以用于強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，由于密封環(huán)材料為石墨碳環(huán)，可以有效抵抗介質(zhì)氣體的腐蝕。

碳環(huán)密封缺點(diǎn)在于：密封件的制造精度要求高，環(huán)的不同心度和端面不垂直度和表面粗糙度對(duì)密封性能有明顯的影響。此外，這種密封對(duì)液體不能做到封嚴(yán)不漏；對(duì)氣體雖然可做到封嚴(yán)，但需要一套復(fù)雜而昂貴的自動(dòng)化供油系統(tǒng)。

2.3 碳環(huán)的結(jié)構(gòu)形式

碳環(huán)相當(dāng)于浮環(huán)密封中的動(dòng)環(huán)，材質(zhì)為碳精。碳環(huán)材料按照J(rèn)B/T9580規(guī)定為特種石墨類。目前各密封生產(chǎn)廠家碳環(huán)大致可以分為2種：整體式和分瓣式，碳環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前通常使用的即是整體式碳環(huán)結(jié)構(gòu)，安裝方式為從軸向安裝。對(duì)于分瓣式結(jié)構(gòu)目前工業(yè)上已經(jīng)開始有應(yīng)用。分瓣式中最為常見的是三瓣式碳環(huán)結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)用彈簧箍在一起，安裝在密封腔體內(nèi)。當(dāng)然分瓣式結(jié)構(gòu)中還有多瓣式結(jié)構(gòu)和自動(dòng)補(bǔ)償能力的無間隙碳環(huán)形式，其作用原理都大致相同，均利用碳環(huán)外圓周槽上的彈性裝置實(shí)現(xiàn)碳環(huán)的自動(dòng)補(bǔ)償[3]。

2.4 碳環(huán)密封系統(tǒng)配置形式

碳環(huán)密封由于其結(jié)構(gòu)比較簡單，所以可采用多種碳環(huán)串級(jí)組合使用的方式，常見系統(tǒng)由以下2種配置型式：

方案1：平衡口（管）+參考?xì)?一級(jí)密封氣（主密封）+放空口+二級(jí)密封氣（隔離氣）+放空口

方案2：平衡口（管）+一級(jí)密封氣（主密封）+放空口+二級(jí)密封氣（隔離氣）+放空口

以上2種配置型式均采用主密封及隔離氣實(shí)現(xiàn)，介質(zhì)無泄漏及封油的作用。不同的是方案1采用了參考?xì)饬硇幸龅姆绞?。在本文后?huì)比較兩種配置的區(qū)別。

3 碳環(huán)密封在應(yīng)用中存在的問題

3.1 設(shè)計(jì)上存在缺陷，碳環(huán)缺少徑向?qū)χ姓{(diào)節(jié)能力

在壓縮機(jī)停止?fàn)顟B(tài)下，由于重力作用碳環(huán)會(huì)和軸接觸。當(dāng)壓縮機(jī)啟動(dòng)后，充入碳環(huán)中的氮?dú)鈺?huì)形成氣膜的壓力使碳環(huán)浮起，使之趨向于與轉(zhuǎn)子軸同心。但如果間隙大，流體動(dòng)壓力就小，自動(dòng)趨向軸心的能力就較差，即自找中心的能力差。所以往往需要在碳環(huán)的外圓增加一個(gè)定位裝置。這個(gè)定位裝置可以是彈簧、橡膠O型圈。而目前碳環(huán)密封的結(jié)構(gòu)雖然有徑向保護(hù)環(huán)，但該保護(hù)環(huán)為2Cr13材質(zhì)，不具備一定的彈性和延展性，碳環(huán)浮動(dòng)能力較差，一旦出現(xiàn)氮?dú)鈮毫Φ偷那闆r，同時(shí)伴隨著高溫狀態(tài)，就很容易產(chǎn)生磨軸的情況。

3.2 碳環(huán)密封在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題

3.2.1 氮?dú)庀牧看螅\(yùn)行費(fèi)用高

在實(shí)際運(yùn)行中，一臺(tái)大型螺桿機(jī)組氮?dú)獾南牧吭?00 Nm3/h左右，按平均工業(yè)氮?dú)?元/Nm3，一年按8000 h計(jì)算，每年的用氮?dú)獬杀具_(dá)到240萬元，且還不包括每年大修更換碳環(huán)密封的費(fèi)用。所以如何有效的降低碳環(huán)密封氮?dú)庀牧渴瞧惹行枰鉀Q的問題。

碳環(huán)密封的泄漏量大小主要取決于碳環(huán)與軸之間的徑向間隙、碳環(huán)的軸向長度、碳環(huán)兩側(cè)氣體壓差、密封介質(zhì)粘度等因素，其經(jīng)驗(yàn)公式如下[4]

式中 M——質(zhì)量泄漏量

ρ——?dú)怏w密度

Δp——密封環(huán)兩側(cè)壓差

d——軸徑

h——碳環(huán)與軸的間隙

ε——碳環(huán)工作時(shí)的偏心值

η——?dú)怏w粘度

N——碳環(huán)個(gè)數(shù)

l——單個(gè)浮環(huán)節(jié)流長度

p2——低壓側(cè)氣體壓力

由上述公式可知，碳環(huán)密封泄漏量與間隙的3次方成正比，與壓差的2次方成正比。由此可見，在保證碳環(huán)加工制造精度和密封功能的前提下，合理控制壓差和密封間隙是控制泄漏量的主要方法。

以焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)為例，目前密封結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)的配置即本文2.4敘述的第1種形式。

（1）合理控制壓差

一級(jí)氮?dú)鉀_入后分為兩路，一路經(jīng)過碳環(huán)進(jìn)入平衡腔，主要起到阻擋含雜質(zhì)的介質(zhì)氣進(jìn)入碳環(huán)的作用，另一路經(jīng)過碳環(huán)進(jìn)入放空管線，用來將少量進(jìn)入碳環(huán)的介質(zhì)氣安全排放出去；二級(jí)氮?dú)鉀_入后一路經(jīng)過碳環(huán)進(jìn)入放空管線，進(jìn)一步阻擋介質(zhì)氣的泄漏，另一路經(jīng)過碳環(huán)進(jìn)入軸承端，阻擋軸承端的潤滑油進(jìn)入碳環(huán)密封。這種布置方案的缺點(diǎn)是一級(jí)氮?dú)獾墓鈮毫σ云胶夤軌毫閰⒖贾?，因此無法判定介質(zhì)氣在經(jīng)過平衡腔口之后的數(shù)道碳環(huán)后的壓力降，往往注入的氮?dú)鈮毫ο鄬?duì)較高，氮?dú)獾南牧枯^大。所以可以參考2.4中第2種系統(tǒng)配置形式，比如在第3道和第4道碳環(huán)間（不同的碳環(huán)本體結(jié)構(gòu)存在差別）引出氣體作為參考?xì)?，一?jí)氮?dú)獾墓鈮毫Ω哂趨⒖細(xì)?.03～ 0.05 MPa，介質(zhì)氣經(jīng)過第3道碳環(huán)進(jìn)一步節(jié)流降壓后，理論上參考?xì)獾膲毫σ陀谄胶夤艿膲毫?，即Δp更接近真實(shí)壓差，這樣注入氮?dú)獾膲毫Ω?，消耗量更小?/p>

（2）有效控制密封間隙

減小密封與軸之間的間隙是減少泄漏量的一個(gè)思路，但這往往受到轉(zhuǎn)子加工精度、密封的加工精度的限制[4]。但是換一種思路而言，設(shè)計(jì)碳環(huán)密封時(shí)在石墨環(huán)的外圈增加預(yù)緊力彈簧，即當(dāng)碳環(huán)密封發(fā)生磨損時(shí)，由于石墨環(huán)彈簧預(yù)緊力的作用，將使碳環(huán)與軸之間始終保持較小的間隙，當(dāng)然這個(gè)結(jié)構(gòu)的前提是在加工轉(zhuǎn)子時(shí)，必須保證軸的HRC硬度不能太低，保證在55～65之間。這樣也可避免在本文后面提到的出現(xiàn)密封磨軸的問題。

3.2.2 潤滑油箱竄水

正常情況下，向壓縮機(jī)腔體內(nèi)噴入的工藝水是不會(huì)竄到潤滑油里，密封系統(tǒng)將腔體和潤滑油系統(tǒng)完全獨(dú)立開來。在不考慮其它原因情況下，當(dāng)碳環(huán)密封與轉(zhuǎn)子軸之間的間隙變大，氮?dú)庀牧窟^大，碳環(huán)密封將失效，無法封住壓縮機(jī)腔體內(nèi)從軸間隙竄過來的水，當(dāng)然在一定的范圍內(nèi)適當(dāng)提高充氮?dú)鈮毫?，是可以減少潤滑油內(nèi)竄水的情況，但是當(dāng)碳環(huán)密封與軸之間的間隙大到一定程度，再通過提高氮?dú)鈮毫Φ姆绞骄鸵呀?jīng)失去其意義了。

3.2.3 放空管路氣體反竄

一般的設(shè)計(jì)是將機(jī)組上的放空合并成一路進(jìn)行放空，但由于不同管路存在放空壓力、介質(zhì)不一致的問題，所以不同介質(zhì)氣、不同壓力等級(jí)的放空應(yīng)該分開布置，避免放空氣體出現(xiàn)反竄。

3.2.4 碳環(huán)密封的使用場合不當(dāng)

（1）存在腐蝕的場合

不同的介質(zhì)氣會(huì)影響碳環(huán)密封的性能。例如，水煤氣壓縮機(jī)在高溫條件下，碳環(huán)密封處的軸徑部分容易發(fā)生腐蝕在發(fā)生腐蝕以后，間隙量變大，會(huì)嚴(yán)重影響碳環(huán)密封的密封效果。因此，這種情況下建議在軸上加一個(gè)軸套，以保護(hù)軸徑免受腐蝕。

（2）高氫氣含量場合

在氫氣壓縮機(jī)中，由于氫氣的聲速大于氮?dú)獾穆曀賉2]，導(dǎo)致氫氣比氮?dú)飧菀壮霈F(xiàn)臨界狀態(tài)，而使得氮?dú)獠荒芡耆庾錃?；而且氮?dú)獗葰錃饷芏却?，所以在氫氣含量比較高的場合會(huì)出現(xiàn)即使氮?dú)鈮毫ψ銐蚋叨紵o法起到密封作用的情況。故對(duì)于高氫氣含量的情況不建議使用碳環(huán)密封，如在循環(huán)氫氣壓縮機(jī)中。

（3）高壓力場合

碳環(huán)密封本身能適用10 MPa以上高壓的場合，只要組成多層碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)，碳環(huán)密封足夠長。但是由于螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，若軸向尺寸較長，增加了軸承跨距，將降低壓縮機(jī)的穩(wěn)定性。另外螺桿壓縮機(jī)是雙螺桿結(jié)構(gòu)，拿510機(jī)型為例，兩根螺桿之間的中心距是400 mm，也就是說螺桿機(jī)中心距是受限制的。

4 檢維修中存在的問題

4.1 碳環(huán)磨損嚴(yán)重，碳環(huán)密封運(yùn)行壽命短

在化工生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中，碳環(huán)密封磨損是比較普遍的一個(gè)問題。運(yùn)行不到一年以后碳環(huán)密封中的石墨環(huán)易產(chǎn)生明顯的磨損痕跡，有些還出現(xiàn)較深的環(huán)以致造成凹槽，甚至出現(xiàn)碳環(huán)斷裂的情況。

出現(xiàn)碳環(huán)磨損主要原因有以下兩種：（1）介質(zhì)氣中含有粉塵或細(xì)小顆粒物，進(jìn)入到碳環(huán)中，所以在焦?fàn)t煤氣等場合如果條件容許，增加前置密封吹掃氣或者提高吹掃氣的壓力，保證密封在一個(gè)干凈的環(huán)境運(yùn)行是有必要的；（2）壓縮機(jī)振動(dòng)大。當(dāng)壓縮機(jī)振動(dòng)較大，如果碳環(huán)密封的“自找中”能力較差，就會(huì)出現(xiàn)碳環(huán)密封碳環(huán)斷裂的情況[5]。

4.2 磨軸的問題

碳環(huán)密封磨軸同樣也是比較普遍的一個(gè)問題。在轉(zhuǎn)子安裝碳環(huán)密封的軸頸處，通過直接的觀察就可發(fā)現(xiàn)有非常明顯的環(huán)形凹槽，如圖3。凹槽的寬度在7～10 mm不等，深度在0.2～1.1 mm不等，而且對(duì)碳環(huán)密封磨軸處進(jìn)行探傷分析，結(jié)果表明磨損是痕跡屬危險(xiǎn)缺陷：磨痕長度長，并且有一定的連貫性（如圖4），會(huì)造成斷軸的可能。造成磨軸的原因有一個(gè)比較突出的是，壓縮介質(zhì)含有粉塵，由于工藝波動(dòng)等因素的影響會(huì)進(jìn)入到碳環(huán)密封與軸之間的間隙，從而引起碳環(huán)密封與軸磨損。更加嚴(yán)重的問題是一旦出現(xiàn)磨軸的問題，想再次修復(fù)轉(zhuǎn)子本磨損的地方是非常困難的一件事情，因?yàn)楸荒コ龅陌疾鄢Ｒ?guī)的做法只有進(jìn)行熱噴涂、化學(xué)鍍層或者激光熔覆，但往往這些加工工藝的加工厚度往往不能超過1 mm，超過1 mm就很容易出脫落的情況，而且維修費(fèi)用較高[6]。所以建議：（1）可在設(shè)計(jì)碳環(huán)密封時(shí)增加一個(gè)軸套；（2）提高軸的硬度。

4.3 波紋彈簧斷裂及腐蝕

對(duì)于不同的場合，波紋彈簧的材質(zhì)要做特殊處理。如在氨氣場合波紋彈簧就不要使用碳鋼材質(zhì)，如圖5所示，所以一般都建議使用不銹鋼材質(zhì)，當(dāng)然的在硬度方面必須要低于軸的硬度是比較合適的。

5 結(jié)論

減小密封與軸之間的間隙，同時(shí)合理控制壓差，是減少碳環(huán)密封氮?dú)庀牧康挠行緩?。同時(shí)對(duì)于螺桿轉(zhuǎn)子軸而言，提高其耐磨性和硬度是避免轉(zhuǎn)子磨軸的一個(gè)有效方法；另外碳環(huán)密封也有其使用范圍，對(duì)于高氫氣含量場合并不使用；對(duì)于有腐蝕性氣體的場合，對(duì)于碳環(huán)密封的材質(zhì)問題，還要格外關(guān)注。所以系統(tǒng)的總結(jié)分析碳環(huán)密封應(yīng)用情況，將為進(jìn)一步提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性提供重要的指導(dǎo)意義。

[1] 蔡仁良，等.過程裝備密封技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2] 呂瑞典.化工設(shè)備密封技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社出版社，2006.

[3] 郝木明.過程裝備密封技術(shù)[M].北京：中國石化出版社出版社，2010.

[4] 趙利娜，周鵬，陳宗華.碳環(huán)密封的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用[J].化工裝備技術(shù)，2013，34（5）：13-15.

[5] API 619，Rotary Type Positive Drive Displace-ment Compressor for Petroleum，Chemical and Gas Industry Services.

[6] 佚名.燃料氣用無油螺桿壓縮機(jī)概述[EB].壓縮機(jī)，2013.

Analysis of Common Problems of Carbon Ring Seal Applied in Process Screw Compressor

HU Tao,LIN Yan-fei,XIE Kai
（The 711 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Shanghai 201108,China）

It is definite that the application situation of carbon ring seal by analyzing its characteristic,structure type,system layout. Besides,measure and approach is put forward aiming at analyzing the problems arising from the carbon ring seal in use process such as high nitrogen consume,slipping of water and gas,wear and tear on self,wear on axle and corrugated spring break and corrosion.

screw compressor;carbon ring seal;carbon ring

TH455

B

1006-2971（2015）06-0035-05

胡濤（1982-），男，工程師，主要從事螺桿壓縮機(jī)技術(shù)與管理工作。E-mail：13917661816@163.com

2015-06-30