水蒸氣羅茨壓縮機軸封優(yōu)化設(shè)計

摘 要：面對介質(zhì)高溫特性（195 ℃）、高壓特性（1.4 MPa）、堿性腐蝕特性（pH值9～10）、低可靠性（使用壽命低于300 h，一個月）等特點，傳統(tǒng)的多脹圈結(jié)構(gòu)和常規(guī)機械密封已無法適應(yīng)羅茨壓縮機輸送水蒸氣的軸封系統(tǒng)使用要求?；诖?，以可靠性兼顧經(jīng)濟性為準則，通過合理優(yōu)化設(shè)計方案，選用合適材料，計算設(shè)計各個重要機械密封參數(shù)，最終滿足實際需求，并為類似工況的軸封設(shè)計提供了一個可參考、可借鑒的可行性密封方案。

關(guān)鍵詞：高溫高壓堿性水蒸氣;羅茨壓縮機;機械密封

0? ? 引言

近年來，二次蒸汽再利用項目受到廣泛關(guān)注。在管樁、建材、加氣磚等實際生產(chǎn)中，均采用蒸壓釜余熱回收梯級利用工藝實現(xiàn)節(jié)能減排，但工藝的核心設(shè)備羅茨壓縮機的多脹圈軸封系統(tǒng)，存在故障率高、可靠性低、維護周期短等問題;并且具有實際運行工況苛刻，啟停沖擊大，運行壓差大，高溫堿性腐蝕，輸送介質(zhì)雜質(zhì)多等不利特點。因此，羅茨壓縮機軸封系統(tǒng)的優(yōu)化，關(guān)系著整個工藝的正常運行。

另外，二次蒸汽再利用項目屬于節(jié)能項目，不僅需要從密封性、耐久性、可靠性等方面優(yōu)化設(shè)計軸封系統(tǒng)，而且需要兼顧經(jīng)濟性，均衡考慮材料成本和制造難度，制訂合理、適合的軸封系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案。

1? ? 工況參數(shù)

羅茨壓縮機需輸送的介質(zhì)為過熱堿性水蒸氣，其冷凝液含有Ca（OH）2，約0.35 g/L（平均值），pH值9～10，另有少量硅酸鹽固態(tài)礦物雜質(zhì)。輸送水蒸氣最高壓力1.4 MPa，最高溫度195 ℃，其中，壓力為0.2～0.7 MPa時，每天運行6 h;壓力為0.7～1.4 MPa時，每天運行6 h。另外，實際工況介質(zhì)中含有固體顆粒雜質(zhì)（0～5 mm以內(nèi)）。

此外，設(shè)備輸送流量為32 m3/min，壓差為0.1 MPa，軸轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，軸直徑為65 mm。

2? ? 軸封系統(tǒng)方案

2.1? ? 密封方案

鑒于輸送介質(zhì)的高溫、高壓、堿性腐蝕的特點，再加上軸封系統(tǒng)緊鄰油箱，以往故障多表現(xiàn)為介質(zhì)蒸汽竄入油箱，導(dǎo)致油品乳化，失去潤滑特性，進而發(fā)生故障。因此，需要保證軸封系統(tǒng)泄漏量低于5 mL/h，連續(xù)使用壽命約8 000 h（JB/T 4127—2013）。從經(jīng)濟性方面考量，軸封系統(tǒng)不宜復(fù)雜，維護需簡便，因此，采用單級集裝式機械密封結(jié)構(gòu)，并且輔助沖洗方案。其密封方案如圖1所示。

其中，密封旋轉(zhuǎn)部分主要結(jié)構(gòu)形式呈單邊截面橫向“L”形環(huán)，通過緊定螺釘固定在軸套上。橫向“L”形外與腔體內(nèi)壁有間隙，間隙有輸送介質(zhì)竄入，最終由密封副密封。橫向“L”形環(huán)內(nèi)有循環(huán)冷卻水帶走熱量。

密封基本結(jié)構(gòu)部件選用0Cr18Ni9（304L），雖然在150 ℃以上堿溶液中此材料腐蝕會加劇，但有數(shù)據(jù)表明，即便在此惡劣工況下工作，也可保證3年壽命，超過了所需使用壽命?？紤]到整體經(jīng)濟性及材料易獲取程度，選定以0Cr18Ni9（304L）為基本結(jié)構(gòu)部件材料。其中，因為0Cr18Ni9材料熱膨脹系數(shù)比羅茨風(fēng)機腔體大50%，所以需要留有富余間隙。然而此處腔體間隙不宜過大，應(yīng)控制在1.5 mm以內(nèi)。

2.2? ? 密封面設(shè)計及PV值

2.2.1? ? 密封受力分析

密封環(huán)閉合力等于密封介質(zhì)壓力所形成力F1、彈簧力Fs、密封圈摩擦力T、密封面內(nèi)介質(zhì)液膜壓力形成的推力F2等諸力之和。其中，密封圈摩擦力T與彈簧預(yù)緊力、介質(zhì)壓力、溫度、密封圈材質(zhì)、形狀、尺寸、磨損等因素有關(guān)，因其數(shù)值本身不大，工程計算中常常忽略。因此，密封面閉合力Fb=Fs+F1-F2。密封面受力分析如圖2所示。

式中：Pb為閉合端面比壓;Fb為密封面閉合力;P1、F1分別為介質(zhì)推力比壓和介質(zhì)推力;A為密封面面積;Ps為彈簧推力比壓;K為載荷系數(shù)，即有效受力面積與密封面面積之比;Km為膜壓系數(shù)。

2.2.2? ? 各參數(shù)計算

（1）載荷系數(shù)K：

密封面寬度是一個重要幾何參數(shù)，密封面產(chǎn)生的摩擦熱與其成正比，密封面太寬，則產(chǎn)生熱量大，密封面溫升高;密封面太窄，會使密封面接觸比壓增大，磨損加劇，泄漏量增大，導(dǎo)致密封面凸臺強度降低以及變形增大。因此，綜合考慮，此處密封面寬度取b=4 mm。

載荷系數(shù)K又稱“平衡比”，反映密封介質(zhì)壓力作用在密封面上壓力增加的程度，對于內(nèi)裝式平衡型，其為：

式中：d2為密封面外徑，d2=108 mm;d1為密封面內(nèi)徑，d1=

98 mm;d0為密封面平衡直徑，d0=100 mm，為介質(zhì)推力實際施加給密封面的有效位置尺寸。

（2）彈簧推力比壓Ps：

根據(jù)工況，選擇多彈簧均布設(shè)置，其受離心力影響較小，彈簧力可通過彈簧個數(shù)調(diào)節(jié)，密封面受力均勻，但更易受腐蝕和堵塞影響，因此，需保證彈簧安裝孔的密封性。為提升彈簧力，一個彈簧安裝孔重疊并裝兩個同型彈簧，圓周方向共有12個彈簧安裝位，總計24個彈簧。其中，彈簧材質(zhì)選擇1Cr18Ni9Ti，其不僅耐腐蝕特性好，而且耐高溫，使用溫度可達250 ℃。

彈簧力：

式中：ns為彈簧有效圈數(shù)，ns=8圈;Ds為彈簧中徑，Ds=5 mm;Gs為材料剪切模量，Gs=78.4 GPa，換算為78 400 N/mm2;ds為彈簧絲絲徑，ds=0.9 mm;fs為彈簧變形量，fs=2 mm;Ms為彈簧個數(shù)，Ms=24個。

彈簧推力比壓：

Ps=Fs/Ss≈0.191 MPa? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：Ss為摩擦端面面積。

Ss=（π/4）×（d22-d12）≈1 617.92 mm2? ? ? ? ? ? ?（5）

（3）平均軸轉(zhuǎn)速V：

V=πDmn/60≈7.766 m/s? ? ? ? ? ?（6）

式中：Dm為密封面平均直徑;n為軸轉(zhuǎn)速，n=1 440 r/min。

Dm=（d1+d2）/2=103 mm? ? ? ? ? ? ? ? （7）

（4）膜壓系數(shù)Km：

對于平行面密封面，靜壓膜壓系數(shù)為：

式中：R1為密封面半徑之比，R1=r1/r2，r1=d1/2，r2=d2/2。

（5）閉合端面比壓Pb：

閉合端面比壓為閉合力與密封面面積的比值：

Pb=Fb/A=Ps+ΔP×（K-Km）

=0.191+1.2×（0.808-0.516）

≈0.541 MPa? ?（9）

式中：Fb為密封面閉合力;Ps為彈簧推力比壓;ΔP為密封介質(zhì)壓力（1.4 MPa）與冷卻水壓力（0.2 MPa）差;K為載荷系數(shù);Km為密封面膜壓系數(shù)。

（6）計算PV值：

密封面PV值是反映密封面工況的參數(shù)，計算如下：

PV=Pb×V=0.541×7.766≈4.2 MPa·m/s? ? ? ?（10）

2.3? ? 密封副選擇

密封副采用“窄軟寬硬”常規(guī)方式，即保證密封、泄漏量少的同時，可實現(xiàn)動環(huán)均勻磨損而不嵌入寬環(huán)，避免造成密封故障的情況。從腐蝕和高溫工況考慮，選定動環(huán)為浸樹脂炭-石墨，靜環(huán)為碳化硅，其性能指標如表1、表2所示。

2.4? ? 校核PV值

經(jīng)手冊查得，浸樹脂炭-石墨與碳化硅密封副許用[PV]=17.515 MPa·m/s，而實際使用時，應(yīng)保證計算PV小于0.25×許用[PV]。

計算出PV=4.2 MPa·m/s<0.25×許用[PV]，即PV=

4.2 MPa·m/s<4.38 MPa·m/s。因此，此密封副可用。

2.5? ? 泄漏量

密封的泄漏與眾多因素相關(guān)，包括滑動面粗糙度、平面度、間隙、相對滑動速度，受壓和受熱后的變形、介質(zhì)特性、輔助系統(tǒng)和彈性元件的狀態(tài)、振動、安裝精度等。而密封的潤滑減少磨損和泄漏是對立統(tǒng)一關(guān)系，常采用邊界摩擦（邊界潤滑）狀態(tài)。

泄漏量：

Q=πDmΔPh02S/Pb2≈3.821 mL/h? ? ? ? ? ?（11）

式中：Q為密封端面泄漏量（cm3/s）;Dm為密封面平均直徑（cm）;ΔP為密封介質(zhì)壓力與冷卻水壓力差（N/cm2），ΔP=

1.2 MPa，換算為ΔP=120 N/cm2;h0為段折合縫隙（μm），在密封清潔介質(zhì)和摩擦副選配下，平均折合縫隙高度h0=0.5 μm;S為縫隙系數(shù)，是滑動速度和由離心力造成壓力以及泄漏流斷面的函數(shù)，此處內(nèi)裝式機械密封的縫隙系數(shù)S是滑動速度V的函數(shù)，根據(jù)手冊圖表查到，V為7.766 m/s時，S=3.2×105 N/（cm2·s）。

2.6? ? 磨損量

磨損量指密封面動環(huán)的磨損量（因動環(huán)硬度比靜環(huán)小很多，因此密封面磨損量以動環(huán)磨損為主），實際磨損量與閉合面壓力、平均轉(zhuǎn)動速度、摩擦面密封副滑動工況有關(guān)。

磨損量：

式中：K？覣為無因次磨損系數(shù)，經(jīng)磨損試驗測算，根據(jù)手冊查詢，K？覣=1×10-6;H為密封副硬度，取屈服極限值，H=200 MPa。

按照JB/T 4127—2013規(guī)定，磨損量應(yīng)小于0.2 μm/h，使用壽命可達8 000 h，連續(xù)使用時間為兩年。計算所得磨損量符合要求。

2.7? ? 冷卻方案

2.7.1? ? 熱源構(gòu)成

經(jīng)分析，所需冷卻熱量主要由兩部分構(gòu)成，一部分是高溫輸送介質(zhì)熱源經(jīng)由密封結(jié)構(gòu)所傳導(dǎo)，另一部分是摩擦副摩擦熱（攪拌熱忽略）。而冷卻的重點為摩擦副及各個密封點，以保護密封材料及減小熱變形。

因本文密封結(jié)構(gòu)中，主要結(jié)構(gòu)呈橫向“L”形，其介質(zhì)熱源傳遞需要保證整體密封結(jié)構(gòu)的有效冷卻（不僅需要保證密封面冷卻，也需要保證其他密封件及彈性元件得到有效冷卻），因此，需要對密封結(jié)構(gòu)截面進行簡化，按照最大傳遞熱量處溫度最高點計算其熱量，從而求得循環(huán)冷卻量。傳遞熱量Qc：

式中：λ為304L材料在200 ℃下導(dǎo)熱系數(shù)，λ=18 W/（m·K）;ΔT為密封件熱源端與循環(huán)冷卻水溫度差，ΔT=195-50=

145 ℃;t為熱傳遞時間，t=1 s;A為熱傳遞截面積，A=0.009 7 m2，簡化結(jié)構(gòu)為寬30 mm、直徑dm=103 mm的圓環(huán);δ為厚度，δ=28 mm。

摩擦副摩擦熱量：

式中：dm為密封件中徑，dm=103 mm;b為端面寬度，b=4 mm;f為浸樹脂炭-石墨與碳化硅摩擦系數(shù)，經(jīng)查詢數(shù)據(jù)，f=

0.02;Pb為閉合端面比壓，Pb=0.541 MPa;V為平均軸轉(zhuǎn)速，V=7.766 m/s。

2.7.2? ? 循環(huán)水量計算

式中：Qc為傳遞熱量（W）;N為摩擦熱量（W）;ρ為循環(huán)水密度，ρ=1 000 kg/m3;C為水的比熱，C=4 200 J/（kg·℃）;ΔT′為循環(huán)水最大溫升，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，ΔT′=25 K（宜控制在50 ℃內(nèi)）。

2.7.3? ? 冷卻方案

綜上所述，采用循環(huán)冷卻水下進上出方式，水壓保證0.2 MPa，流量140 L/副（一臺設(shè)備需流量560 kg/h），其中，進水位置設(shè)置濾網(wǎng)過濾器，過濾精度80目。

2.8? ? 安裝和維護重點

正確的安裝程序、嚴格的操作規(guī)范、合理的維護保養(yǎng)制度是保證密封性能和正常運行的有力措施。

（1）軸的安裝前檢查。軸向竄動量過大會導(dǎo)致密封比壓不穩(wěn)定，引起過量磨損，一般控制在0.025～0.1 mm。徑向跳動量過大會引起軸抖動和偏移，對密封性和使用壽命不利，一般控制在0.05～0.1 mm。軸同心度要求在軸徑65 mm時小于0.15 mm。

（2）冷卻沖洗裝置定期檢查。冷卻沖洗裝置是保證系統(tǒng)正常冷卻的重點，需要對冷卻水過濾器進行定期清理，并檢查冷卻水壓力和流量是否正常。

（3）摩擦副定期檢查。摩擦副需要定期檢查磨損劃痕，磨損量是否按正常量磨損。

（4）輔助密封件和彈簧件定期檢查。本文中輔助密封件和彈簧件要定期檢查，主要是因長期使用后，其會發(fā)生O形圈變形失效，彈簧衰減彈力不足等情況，需定期檢查。

3? ? 結(jié)語

本文所述水蒸氣羅茨壓縮機軸封優(yōu)化設(shè)計，面對高溫、高壓、堿性腐蝕以及苛刻的運行工況，以可靠性兼顧經(jīng)濟性為準則，從實際出發(fā)，最終保證了機械密封運行的良好狀況，滿足了性能要求，符合優(yōu)化設(shè)計預(yù)期。

[參考文獻]

[1] 顧永泉.機械密封實用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2] 顧永泉.流體動密封[M].東營：石油大學(xué)出版社，1990.

[3] R.溫斯頓·里維.尤利格腐蝕手冊[M].2版.楊武，譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4] 左景伊，左禹.腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.

[5] 亓新華，張玉泉，荊瑞俊.高硬度耐腐蝕納米復(fù)合鍍層的研究現(xiàn)狀[J].腐蝕與防護，2007，28（7）：329-332.

[6] 陳德才，崔德容.機械密封設(shè)計制造與使用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.

[7] 顧永泉.平行面機械密封結(jié)構(gòu)和性能的研究[J].化工機械，1997（1）：23-30.

[8] 李香，吳兆山，楊博峰，等.高壓水泵用機械密封變形的影響因素及控制方法研究[J].液壓氣動與密封，2012，32（6）：72-75.

收稿日期：2021-02-22

作者簡介：江遠峰（1986—），男，貴州貴陽人，工程師，研究方向：節(jié)能設(shè)備、新能源。