聚丙烯裝置排放氣壓縮機(jī)曲軸密封改進(jìn)

龍丹 薛守文 盧笙 曾祥特 王延一 馬雯 張姝婉

摘? ? ? 要：描述了聚丙烯裝置排放氣壓縮機(jī)曲軸密封壽命短、頻繁泄漏問(wèn)題，通過(guò)充分了解現(xiàn)場(chǎng)使用工況，結(jié)合往復(fù)式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，找出了排放氣壓縮機(jī)曲軸機(jī)械密封頻繁失效的原因。該旋轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)超過(guò)? ? 0.13 mm，并且材質(zhì)較軟，雙端面機(jī)械密封依靠“O”型環(huán)傳動(dòng)，易對(duì)旋轉(zhuǎn)軸造成損傷。經(jīng)過(guò)分析，對(duì)原曲軸密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)改造，增加軸套固定取代“O”型環(huán)傳動(dòng)，并噴涂碳化鎢，減少“O”型環(huán)與軸套的摩擦力，有效地抵消了軸向跳動(dòng)力，解決了曲軸密封泄漏問(wèn)題，延長(zhǎng)了密封的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了排放氣壓縮機(jī)的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

關(guān)? 鍵? 詞：密封泄漏;結(jié)焦;微動(dòng)腐蝕

中圖分類號(hào)：TQ050.3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2020）09-2067-04

Abstract： Some problems of the crankshaft seal for the exhaust gas compressor in polypropylene plant were described， such as short service life， frequent leakage and so on. Combined with the structural characteristics of reciprocating compressor， through investigating the field operation conditions， the root causes of frequent failure of the crankshaft mechanical seal for the exhaust gas compressor were found out， including soft materials of rotating shaft，more than 0.13 mm shaft runout and the damage of rotating shaft. After analysis， the structure of the original crankshaft seal was also updated to solve the leakage problem and extend the service life of the seal， such as adding fixed shaft sleeve to replace O ring drive and using sand blast with tungsten carbide in order to decrease the friction between O ring and sleeve to offset the axial movement effectively. Now the long-period operation of the exhaust gas compressor has been approached.

Key words： Seal leakage; Coking; Fretting corrosion

往復(fù)式壓縮機(jī)主要應(yīng)用于化工等領(lǐng)域，是石油化工裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，壓縮機(jī)故障往往導(dǎo)致部分區(qū)域或整個(gè)裝置的停車(chē)，嚴(yán)重影響裝置的物耗等問(wèn)題，因此提高壓縮機(jī)各個(gè)組成零件的使用壽命極為必要。在迷宮式往復(fù)壓縮機(jī)中，氣閥、填料環(huán)等易損件得到了很多的關(guān)注，除此之外，曲軸機(jī)械密封同樣為易損部件（見(jiàn)圖1），曲軸密封的使用情況影響著整個(gè)壓縮機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，并且可能帶來(lái)極大的安全隱患。 聚丙烯裝置排放氣壓縮機(jī)采用的是進(jìn)口瑞士布克哈德4D375B型迷宮式壓縮機(jī)。

1? 迷宮式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

聚丙烯裝置排放氣壓縮機(jī)采用的瑞士布克哈德4D375B型迷宮式壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)為立式三段四缸結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)緊湊，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為375 r·min-1，機(jī)械密封處軸徑為278 mm，潤(rùn)滑油壓力為? 0.48 MPa，正常工作時(shí)溫度為50 ℃。相比于其他采用機(jī)械密封的設(shè)備，往復(fù)式壓縮機(jī)具有轉(zhuǎn)速低、軸徑大、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)大的特點(diǎn)。本壓縮機(jī)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該機(jī)械密封為面對(duì)面結(jié)構(gòu)雙端面非集裝式密封，兩個(gè)動(dòng)環(huán)憑借O形圈與軸和推環(huán)之間的摩擦力抱緊軸，隨軸轉(zhuǎn)動(dòng);兩個(gè)端面之間的彈簧為兩個(gè)動(dòng)環(huán)提供軸向的補(bǔ)償;兩個(gè)靜環(huán)通過(guò)兩個(gè)防轉(zhuǎn)銷(xiāo)與靜環(huán)安裝座之間保持相對(duì)靜止?？紤]到設(shè)備振動(dòng)這一特點(diǎn)，動(dòng)環(huán)采用的是銅合金材質(zhì)，靜環(huán)采用的是碳化鎢材質(zhì)。這兩種材質(zhì)的特點(diǎn)都是在振動(dòng)較大的工況下強(qiáng)度更高，更不容易出現(xiàn)崩邊、碎裂的現(xiàn)象。

2? 壓縮機(jī)密封泄漏分析

2.1? 密封失效現(xiàn)象描述

該壓縮機(jī)于2012年9月投入使用，2016年1月開(kāi)始出現(xiàn)密封泄漏問(wèn)題，密封使用壽命不到3年半時(shí)間。更換新密封，使用1個(gè)月后開(kāi)始出現(xiàn)滴漏，約為每分鐘30滴;滴漏一段時(shí)間后開(kāi)始線漏，泄漏逐漸嚴(yán)重，已經(jīng)失去密封功能。

2.2? 密封拆解現(xiàn)象及問(wèn)題分析

機(jī)械密封發(fā)生泄漏主要通過(guò)3個(gè)渠道：①密封動(dòng)、靜環(huán)接觸面發(fā)生了泄漏（見(jiàn)圖4）;②二次密封泄漏，動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、端蓋等O型環(huán)泄漏（見(jiàn)圖2-圖4）;③輔助結(jié)構(gòu)泄漏（見(jiàn)圖5）。

按照如上所述，分析密封的失效原因首先要確定密封失效的主要泄漏點(diǎn)。查找密封泄漏點(diǎn)最佳方法是拆解失效密封，根據(jù)失效密封各個(gè)主要零件表現(xiàn)出的現(xiàn)象來(lái)判斷失效原因。

根據(jù)壓縮機(jī)密封拆解的情況，發(fā)現(xiàn)內(nèi)密封靜環(huán)內(nèi)徑處有輕微結(jié)焦（見(jiàn)圖5），內(nèi)密封動(dòng)環(huán)環(huán)面完好，磨損痕跡正常（見(jiàn)圖6），內(nèi)密封靜環(huán)環(huán)面完好，磨損痕跡正常（見(jiàn)圖7），外密封靜環(huán)內(nèi)徑處輕微結(jié)焦（見(jiàn)圖8），軸密封處明顯磨痕（見(jiàn)圖9）。

通過(guò)分析曲軸密封各個(gè)零件的現(xiàn)象，可以排除主密封面發(fā)生泄漏，那么泄漏點(diǎn)集中在二次密封和輔助結(jié)構(gòu)密封。通過(guò)觀察曲軸上的兩道明顯的磨痕，該磨痕正好位于機(jī)械密封動(dòng)環(huán)O形圈（圖2中零件2）位置，這是機(jī)械密封中比較常見(jiàn)的一種失效形? 式——微動(dòng)腐蝕。微動(dòng)腐蝕是指兩個(gè)相互接觸的表面因?yàn)轭l繁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得金屬表面的光滑保護(hù)膜被磨損。

引起微動(dòng)腐蝕的主要原因有以下幾種：

1）軸跳或者軸的端跳過(guò)大。對(duì)于常規(guī)設(shè)計(jì)的機(jī)械密封而言，超過(guò)0.13 mm即被認(rèn)為端跳過(guò)大。

2）軸與機(jī)械密封接觸面的粗糙度過(guò)大，通常而言，對(duì)于機(jī)械密封動(dòng)密封點(diǎn)要求的粗糙度一般為0.8。

3）軸材料較軟，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中金屬表面保護(hù)膜短時(shí)間被磨損。

根據(jù)以上幾點(diǎn)微動(dòng)腐蝕的原因，結(jié)合往復(fù)式壓縮機(jī)的特點(diǎn)，不難看出，造成本機(jī)機(jī)械密封失效的原因涉及了以上提到的第一點(diǎn)和第三點(diǎn)。往復(fù)機(jī)曲軸密封相比較其他采用機(jī)械密封的設(shè)備，本身就具有振動(dòng)大、跳動(dòng)大的特點(diǎn)。往復(fù)機(jī)曲軸在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不斷地受到往復(fù)式的交變應(yīng)力的沖擊，這個(gè)交變應(yīng)力反饋到軸端就是軸的端跳和軸跳在周期性的變化，隨著軸跳動(dòng)的周期性變化，機(jī)械密封動(dòng)環(huán)下這兩個(gè)O形圈就與軸之間產(chǎn)生了周期性的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)軸本身材料到達(dá)一定的疲勞極限時(shí)，微動(dòng)腐蝕就產(chǎn)生了。一旦軸被磨損，與O形圈之間的間隙就變大，O形圈的壓縮量變小，失去了密封的功能，導(dǎo)致機(jī)械密封的泄漏。

3? 改進(jìn)措施

分析了機(jī)械密封失效的根本原因，針對(duì)前文提到的3點(diǎn)引起微動(dòng)腐蝕的原因，通常的解決措施如下：

1）提高軸的精度，使其能在機(jī)械密封的承受范圍之內(nèi)。

2）提高與機(jī)械密封二次密封結(jié)構(gòu)接觸面的光潔度，如拋光。

3）提高與機(jī)械密封二次密封結(jié)構(gòu)接觸面的軸的硬度，通常可以通過(guò)噴涂碳化鎢或者三氧化二鉻實(shí)現(xiàn)。

4）改變機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)使其本身能夠承受更大的跳動(dòng)。

因?yàn)橐陨锨?條解決措施均需要對(duì)壓縮機(jī)本身做出改造，可行性較低。故只能從機(jī)械密封本身結(jié)構(gòu)上入手。改進(jìn)后的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖10所示。

改進(jìn)后的機(jī)械密封增加了過(guò)渡軸套（圖10部件1），并將軸套（圖10部件1）上與O型圈（圖10部件6）接觸面做噴涂碳化鎢處理; 將原來(lái)的分體傳動(dòng)套設(shè)計(jì)為一體（圖10部件2）;傳動(dòng)套、軸套與軸之間通過(guò)頂絲固定。相比于原來(lái)的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，這樣改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)是：

1）軸套與軸之間是相對(duì)靜止的，O型圈6在工作過(guò)程中與軸沒(méi)有接觸，也就不會(huì)使軸發(fā)生微動(dòng)腐蝕，同時(shí)，軸套噴涂碳化鎢并拋光粗糙度，軸套的硬度顯著增強(qiáng)，并且O形圈與軸套之間摩擦力更小，使得動(dòng)環(huán)4具有更好的跟隨性;

2）傳動(dòng)套（圖10部件2）、軸套（圖10部件1） 與軸之間通過(guò)頂絲（圖10部件10）固定在軸上，而軸套1的頂絲孔為通孔，與頂絲之間是有一定的間隙，這樣在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)軸存在軸向跳動(dòng)時(shí)，軸套與頂絲之間的間隙會(huì)抵消掉一部分軸向跳動(dòng)，進(jìn)而一定程度上減少了O形圈（圖10部件6）與軸套之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng);

3）采用了共用傳動(dòng)套（圖10部件2）的設(shè)計(jì)，共用傳動(dòng)套設(shè)計(jì)的好處同樣是在軸向跳動(dòng)較大時(shí)，能夠通過(guò)共用的彈簧，保證兩個(gè)動(dòng)環(huán)的跟隨性;

4）增加的軸套可以避開(kāi)原曲軸上被磨損的位置，使得本次改造不需要對(duì)原曲軸進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)，在軸套損壞時(shí)可以隨時(shí)更換，節(jié)省了維修曲軸的工作，降低了維修費(fèi)用。

4? 結(jié) 論

往復(fù)式壓縮機(jī)與其他常見(jiàn)采用機(jī)械密封轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備相比具有其自身的特點(diǎn)，常規(guī)的機(jī)械密封設(shè)計(jì)往往不能夠達(dá)到很好的使用效果，必須結(jié)合設(shè)備本身和工藝特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。改造后的機(jī)械密封裝機(jī)運(yùn)行后，取得了良好的使用效果，壽命由原來(lái)的3個(gè)月提高到了超過(guò)1年（截至發(fā)稿時(shí)間已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行18個(gè)月，未泄漏）。極大減少了因機(jī)械密封失效帶來(lái)的維修工作量，降低了設(shè)備維修成本和停機(jī)成本，具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧永泉，機(jī)械密封實(shí)用技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2004.

[2]陳德才，崔德容.機(jī)械密封設(shè)計(jì)制造與使用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[3]API 682—2014，離心泵和轉(zhuǎn)子泵用軸封系統(tǒng)（第四版）[S].

[4]API 618—2007，石油化工和天然氣工業(yè)用往復(fù)式壓縮機(jī)（第五版）[S].

[5]孫見(jiàn)君.機(jī)械密封泄漏預(yù)測(cè)理論及其應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2011.