氨压缩机机封泄露原因分析和改进

学术论文采集所得 2007-07-09 14:36:29

尚阳锋  王建辉  张鹏洲

    某大型合成氨装置中,氨压缩机由意大利新比隆公司设计制造,其密封系统中的一轴端密封,采用单端面和双端面组合型机械密封。1994年10月检修后,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。此前机组运行稳定,密封良好。
    一、氮压缩机密封系统的组成(图1)

    1.密封供油部分
    由油泵打出的高压油,经调压器调节后,以高于参考气约0.6MPa的压力进入机械密封,之后分两路,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,使动静环分开(图2)。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。
 

    2.轴端密封部分
    轴端密封采用伯格曼公司生产的H-D1/142-Kb1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。正常运行中,依靠系统供给的密封油,在主机械密封动静环端面形成一层极薄的油膜,将被压缩气体封住。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贴合,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。
    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(图2),同被密封气混合。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,加热脱除污油中的氨气之后,流入主油箱循环使用。
    二、运行情况回顾及分析
    1.运行回顾
    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,主机封冲洗油的回油温度明显低于另一端。泄漏原因为主机封动环不能随轴同步转动,动环内0形圈失效。后解体换下机封发现,主机封动环锁紧套防松螺钉未上紧,松动退出,机封轴套上的动环内O形圈已磨平。更换机封后开车,运行约10天又发现主机封泄漏,压缩机回油有氨味,现场检查没发现异常。分析主动环为双端面工作,冷却油回油温度近80℃,所以推断动环的实际温度较高,其内部使用的O形圈应当耐高温。查机封原产厂家德国伯格曼公司与新比隆公司的备件,同样用于主动环内的O形圈,伯格曼备件橡胶O形圈外带氟化乙丙烯套。
    用带套O形圈换装后开车,运行9个月发现机封泄漏,润滑油回油中有氨味,现场检查辅助机封污油温度较高。运行到1996年3月发现污油回油颜色变深,且量增大,造成部分油内漏至压缩机内。为此,将油气压差由0.63MPa调为0.46MPa,使回油量减少,油不再内漏。后利用全厂停车机会更换机封,发现主动环有约0.5mm的断口;轴套内和静环内O形圈老化,其中主机封内侧静环断裂及静环内的O形圈有约6mm长的断口;辅助机封动环与轴套发生相对运动,使轴套上的台阶磨损;辅助机封动环有裂纹。
    2.分析
    经分析机封泄漏的原因为:由于压紧套压紧力不够或压紧套运行中有松动,造成辅助机封动环与轴套发生相对运动。一方面使轴套过热,加速了O形圈老化,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主机封内侧静环老化断裂。
    引起工艺气体泄漏的主要原因为主机械密封动环断裂。这是由于新机封弹簧压力大,机封配合面产生的摩擦热也较多,使冲洗油回油温度高达90℃(设计85℃报警,90℃停车)。正常运行中发生泄漏工艺气体的可能原因还有:机械密封组件同压缩机壳体端面密封垫漏;主动环内O形环失效;主动环断裂;轴套内O形圈失效。从实际情况看,主动环内O形环失效及主动环断裂是主要原因。
    3.设计条件与使用条件的主要差异
    设计条件为密封气压力0.13MPa(实际0.35~0. 6MPa),冲洗油压0.43MPa(实际0.95~1.1MPa)。密封油气压差0. 3MPa(实际0.6MPa)。这些差异使机械密封的端面比压增加,磨损加剧。加大了静环、轴套和动环内O形圈两侧的压差,使O形圈工作条件变差,使用寿命降低。在现行工艺条件下,要使机封工作条件符合密封气压力的设计条件(0.13MPa)是难以实现的,即使将二段入口(压力0.75MPa)20cc通往补偿气管的阀门全关,从理论上讲,补偿气管内压力也应在0.16MPa以上(一段入口压力0.16MPa)。但补偿气管压力太低,会使下面气体难以保证一定的流量:补偿气腔气体(B腔)一密封油端迷宫密封泄漏一参考气腔气体(A腔)一污油捕集气的油气分离一限流孔板一压缩机一段入口。保证这些气体有一定流量的主要作用是使内漏的少量密封油,通过污油回油管顺利地回到污油捕集器,特别是冬季气温较低时,避免油在污油管道内聚集。所以在目前工艺条件下,不宜将补偿气管线压力调得太低。
    4.主机械密封核算过程从略,其结果如表1。
    计算后可知,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,大气端增加0.061 MPa,工艺气端增加0. 032MPa。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摩擦热,使双端面动环过热产生裂纹。动环过热,其热量又传递给轴套,轴套温升太大时,会将动环胀裂。所以只要解决动环过热问题,机封轴套也不会过热。
    三、机械密封的改进
    1.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。将图2中动环、静环和静环座重新设计制作;将图2中O形圈材料改用耐油硅橡胶,尺寸重新设计制作,以便提高压缩率;经测定将主机封动环与轴套的间隙由0.2mm增大为0.3mm,不影响动环的径向定位和动环内O形圈的正常工作,径向定位靠动环内带套的O形圈。
    2.将冲洗油导流环内径车大3.5mm,使导流环与动环直径间隙增大为6.5mm,减少动环搅拌冲洗油发热。
    3.组装时注意螺旋槽旋向,导流环出油及进油口不得装反。
    4.改进后运行,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20~30℃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)调整至0.3士0. 05MPa;密封油气压差的控制至关重要,高报警值0.35MPa,低报警值以及辅助油泵自启动值0.15MPa,主机停机联锁压力0.1MPa;压缩机的振动、位移应在允许范围之内,尽量避免出现带液氮、喘振等恶劣工况。
    四、运行效果
    改用非接触式螺旋槽端面密封后,运行4年多来,情况良好,基本达到了微磨损、无泄漏,确保机组的稳定运行。目前从机封运行参数来看,现场密封气压力0.4MPa;机封冲洗油压力0.7MPa,油气压差为0.3MPa,机封冲洗进口油温差在20℃左右,机械密封运行十分稳定。

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