串联式干气密封（共5篇）
串联式干气密封 篇1
中国石油广西石化公司20万t·a-1聚丙烯装置中的循环气压缩机组采用美国GE公司生产的DH7型离心式压缩机和RLHA24型透平机组成。该压缩机的轴端密封采用的是约翰克兰公司的28XP BD型串联式干气密封。该机组为低转速连续运转设备,工艺介质为易燃易爆的丙烯气,危险性大。这就要求压缩机轴端密封系统可靠性好,密封泄漏小,寿命长。该机组于2010年7月1号一次试车成功,运转至今,密封性能良好,保证了设备的长周期运行。
机组参数如下:流量9100~19000m3·h-1,转速1491r·min-1,电机功率:900k W,入口压力2.639~3.379MPa,出口压力2.669~3.489MPa,工艺介质:丙烯气。
1 密封的结构特点
目前国内大型离心压缩机轴端密封型式主要包括迷宫密封﹑浮环密封﹑机械密封以及目前最为先进的干气密封。干气密封是20世纪60年代末期以气体润滑轴承的概念为基础发展起来的,其中以螺旋槽密封最为典型。经过数年的研究,美国约翰克兰公司率先推出干气密封产品投入工业使用。它是一种新型的非接触式轴封。其结构与普通机械密封类似。但重要区别在于,干气密封其中的一个密封环上面加工有均匀分布的浅槽。运转时进入浅槽中的气体受到压缩,在密封环之间形成局部的高压区,使密封面开启,从而能在非接触状态下运行,实现密封。将干气密封技术和阻塞密封原理有机结合,用“气封液或气封气”的新观念替代传统的“液封气或液封液”观念,可保证任何密封介质实现零逸出,故更适合作为高速高压下的大型离心压缩机的轴封。由于它不需要密封润滑油,省去了封油系统及用于驱动封油系统运转的附加功率负荷。其所需要的气体控制系统比封油系统要简单得多。而且泄漏量小,寿命长,维护费用低,密封驱动功率消耗小。
2 干气密封的工作原理
干气密封是一种非接触式端面密封[1],密封单元由2个环组成。第1个环称为旋转环或动环,其密封端面上刻有许多槽,槽下的光滑区域称为密封坝,它是真正起密封作用的部分并形成密封压力到大气压力之间的压力梯度。第2个环其端面为光滑面,称为主环或静环,并安装于弹簧调节负载的腔内,如图1所示。在转子静止且机内已泄压状态下,主环后的弹簧将使其与旋转环(动环)贴合。当机内常压时,气压产生了流体静压,该力使得动环与静环分开,在两环间产生非常薄的间隙。
一旦机组转动,由于动环端面上槽的泵效应,气体朝里被吸至凹槽的根部,形成密封坝。密封坝对流动产生阻力,从而增加了压力。这样产生的压力对静环产生顶升作用,使其以一个精确的量(通常为3μm)脱离与动环的接触。当闭合力、流体静压力和弹簧负载力等于流体膜中产生的张开力时,在径向面之间的间隙是固定的。如果发生了使密封间隙变窄的扰动,螺旋形凹槽产生的压力就会明显地增加,如图2所示。
类似的,如果某个扰动引起间隙增大,则产生的压力会有一个减小,这样密封又很快重新获得平衡,如图3所示。
这一机理的结果使得在静态面和旋转面之间存在着一个高度稳定但是很薄的流体界面。这样就使得这两个面在正常的动态操作条件下保持分开且不会相互接触。从另一方面来说,这将使密封件在界面上没有磨损,使其获得较长的寿命,且性能相当可靠。串联式干气密封则由上述两对密封环或二级组成。它既可以作为整体也可以作为两部分使用。分级使用时,第一级密封起主导作用,承担密封全部过程压力,而第二级密封作为第一级密封的备用安全措施。作为整体密封时,允许第一级密封的泄漏引入到第二级,作为二级密封的工作气源。
3 该串联式干气密封的流程
干气密封系统主要由一级密封、二级密封、隔离气系统、轴承氮封,以及密封气泄漏监测系统组成。
(1)一级密封气系统。生产中采用丙烯气作为密封气,从精制系统过来的丙烯经过丙烯蒸发器后形成丙烯气,丙烯气的压力要比工艺气高0.2~0.3MPa,丙烯气经过过滤器过滤,目的是防止密封气中的粉尘油雾等对密封有伤害的杂质进入密封端面,通过压差表监测过滤器的运行状况,当压差出现高报时及时切换。过滤后的丙烯气经过流量调节阀进入一级密封,管线必须带有电伴热,温度保持在120℃左右,目的是防止丙烯气冷凝产生的凝液进入密封室损坏密封环。高压氮作为丙烯气的备用气源,在机组开车前和特殊情况下切换作为密封气。
(2)二级密封气和隔离气系统。二级缓冲气采用0.7MPa氮气作为密封气源。二级密封的目的是防止工艺气进一步泄漏。公用工程过来的过滤氮经过减压阀保证注入氮气压力在0.5MPa,经过进一步过滤后通过流量调节阀控制二级密封的流量。
隔离气也是采用0.7MPa氮气作为气源,通过减压阀减压到0.5MPa后进入隔离腔。其目的是避免压缩机轴承的润滑油窜入干气密封,损坏密封环。注入压力由自立式调节阀控制,注入到压缩机密封腔两侧,通过一个压差计监测隔离腔的压力,这是润滑油泵的启动条件,润滑油泵在启动之前压差必须保证在低报之上才允许启动润滑油泵,否则润滑油泵无法启动。
轴承氮封的作用是防止外界空气进入轴承箱,污染润滑油,通入的氮气通过轴承箱顶部的呼吸阀排向大气。
(3)密封气泄漏监测系统。主密封气除部分进入机体外,一小部分仍将经过一级密封环泄漏出,和二级缓冲气混合排放至火炬系统。在排放线上通过3块在线仪表同时检测密封气的排放量,减少由于1块仪表的不准确和偶然性带来的误差,根据3选2逻辑发出停车信号,从而产生伴随压缩机停车动作。二级密封泄漏和隔离氮气一起排向火炬,同样在排放线上安装有流量计,检测二级密封的泄漏量。
4 该套密封系统的优点
该套串联式干气密封适合于中高压型气体密封。动环槽采用了单向旋转的对数螺旋形槽。单向螺旋槽具有动压效应强,气膜刚度大,抗外界抗扰能力强等特点。为了更好地满足较高压力的工况条件,在易损件上采用了更高级的材料,如O形圈采用了聚合物密封材料(四氟和金属弹簧),可以更有效地避免在减压时出现的爆裂现象。
工艺流程上,主密封气采用与工艺气相同的丙烯气,在全程进行电伴热保温,在进入密封室前经过过滤保证了密封气的清洁,电伴热保证了密封气温度的恒定,防止随压力下降造成的液体冷凝,更好地降低了因降压降温导致凝液生成的可能性。在隔离气系统中,隔离气有效地防止了润滑油进入干气密封系统,避免了因润滑油进入密封端面而使密封损坏的现象。
仪表控制上,对密封泄漏量进行3取2设置,避免因仪表故障导致压缩机联锁动作,有效地避免了单一仪表故障引起的不必要麻烦,从而有效避免了因循环气压缩机停机造成装置停工的严重局面。
5 注意事项
(1)投用前必须彻底吹扫,保证密封气管线清洁无杂质。在设备安装完成后,断开密封气与压缩机连接的管线,在压缩机一端用白布包好,防止外界杂质进入,密封气一端对大气,在密封气主管线上通入0.7MPa的氮气,持续吹扫管线,吹扫一定时间后,用白布在排放口检测,看白布上是否有异物,如发现有黑点继续吹扫,直到白布上无任何污迹为止。进入密封腔的每条管线都必须保证吹扫干净,否则将严重影响密封系统的性能和寿命。
(2)在投用密封气系统之前,所用的仪表调试都已完成,逻辑调试完成,具备投用条件。投用密封系统遵循由内而外的原则,将污染物往外吹,投用前反应器不能用压力。首先投用一级密封,在投用一级密封前,确认高压氮系统已经运转正常,按照流程逐渐引入压缩机,一级密封流量正常后,投用二级密封气,二级密封流量稳定后,投用隔离氮气,确认隔离腔压力在低报之上,压力正常,投用完成后密切监视密封的排放量,投用轴承氮封系统。
(3)在密封气系统稳定10min以上后,启动润滑油系统,待压力流量稳定后,反应器开始升压。压缩机运转中,如果一级密封排放量大,那证明一级密封泄漏,如果二级密封排放量大,有2种可能,一是二级密封泄漏,二是隔离氮气流量太大,可以通过稍微调小隔离氮气的量来确认是否是二级密封泄漏,如果调小隔离氮气的量,排放量明显减少,那就是隔离氮气流量设定不合适,需要重新设定。平时的巡检中要重点检查伴热系统是否正常,是否有泄漏,密切关注密封排放量。
(4)密封系统在安装时,必须保证管线清洁。机组进行油循环前,必须先投隔离气;开机前必须投用干气密封,停机时先停润滑油,后停干气密封,防止润滑油进入干气密封系统。
6 结语
该套密封的成功应用,证明了干气密封技术是目前最先进的密封技术,具有密封系统操作简单、运行和维护费用较低、可靠性高、密封消耗低的特点,避免了密封油系统所特有的缺点,保证了压缩机组安全、稳定、长周期的运行。
参考文献
[1]顾永泉.流体动密封[M].北京:中国石化出版社,1992.
[2]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京:机械工业出版社,2004.
干气密封的历史及发展趋势 篇2
到了二十世纪五十年代末期, 机械密封出现在回转设备上已经六十年了, 日益严重的泄漏问题成为困扰着设备发展的瓶颈问题。早在1925年, 德国人Gumbel提出了一种全新的带有螺旋槽的新型止推轴承的概念, 可是受制于当时的技术水平和理论水平, 这个设想就此尘封起来。到了四十年代, Whipple通过研究螺旋槽止推轴承的概念, 发展出窄槽理论, 来分析等距平板槽间流体流动的方程, 研究并试制了螺旋槽止推轴承[1]。之后先后有Vohr、Pan、Muijderman从事此方面的研究并拓展了这一理论。到1968年英国的约翰克兰公司Gardner研制了一种螺旋槽非接触式机械密封, 成功申请了美国专利。次年在第四届国际流体密封会议上发表了论文, 阐述了动压原理、静压原理应用于解决螺旋槽密封面问题的解析解。同期的John zuk等在1969年应用有限差分法研究了螺旋槽机械密封流动情况, 分析槽深与槽宽对流场和压力场的影响关系。1970年开始, 随着计算机技术的进步和应用, 利用计算机模拟计算密封面上气流的流动, 压力的分布, 气膜的出现形成和变化等一系列的流动问题成为可能, 使得人们可以更精确了解密封面的情况, 这对干气密封的设计开发工作起了强有力的助推作用。1974年螺旋槽干气密封在炼油厂的透平膨胀机上首次使用取得成功, 这意味着干气密封工业应用的成功, 标志着一种新的技术大规模装备的开始[1]。1979年Gabriel研制成功螺旋槽气体密封, 发表文章总结了关于螺旋槽气体密封的基本原理, 本文介绍了有典型结构、密封工作的原理、现场运行条件对密封性能的影响。
进入八十年代干气密封的理论基本成熟, 大规模应用开始进入压缩机等产品。1970~1989年约翰克兰公司作为干气密封方面的先驱, 先后研制出T28系类干运转气体密封, 在现场用于第一台柱式压缩机、蒸汽涡轮机、射流压缩机、北海石油平台、循环氢压缩机、循环氢压缩机、乙烯深冷和过饱和二氧化碳高压密封等。1995年, Kowalski用有限差分法计算并设计了能反转的螺双向气密封, 动压槽的槽形从单向螺旋形改进成具有可进行双向的深浅槽的组合燕尾槽[1]。除了约翰克兰公司外, 干气密封产品供应商有美国的Flowserve公司、德国的Burgmane公司以及日本的EKK公司。
随着干气密封急速的发展, 从八十年代开始国内随着进口设备的引进干气密封技术也进入国内。干气密封技术表现出的零泄漏、气膜润滑、低功耗、长寿命、高可靠性、长周期运行等明显的优势。伴随着设备和技术的引进国内开始对干气密封技术进行研究。中国石油大学 (华东) 王建荣、顾永泉研制和试制成功了泵入式圆弧槽气体端面密技术, 并且封获国家实用型专利[2]。北京化工大学的蔡纪宁、张秋翔等人利用一种高阶形函数有限元法求解微扰雷诺方程分析干气密封动态稳定性, 发表了《高速螺旋槽气体密封轴向微扰的有限元分析》的论文, 得到了轴向微扰的动态参数[2]。1991年开始国内一些机械密封生产厂家开始试制干气密封产品, 通过一系列上机试验验证成功后投放市场并获得认可。经过努力拓宽了干气密封的应用途径从单一的压缩机扩展至中低速的回转设备, 使干气密封市场得到了进一步的发展, 随着市场的扩大干气密封技术也稳步提高。到今天, 国内的龙头企业已经开发出一系列在国际、国内拥有发明专利的多项干气密封技术, 具有自主知识产权的一系列干气密封产品。也涌现出四川日机、成都一通、大连华阳等一批具备了多种干气密封设备设计制造能力的企业, 生产的干气密封产品得到了用户单位的广泛认可。
干气密封的出现, 无疑是密封技术的一次革命。目前, 干气密封技术在离心压缩机等高速流体机械上获得了广泛的应用。干气密封技术正逐渐在离心泵、搅拌机、和反应釜上得到大量应用。从压缩机转速每分钟万转以上到应用在反应釜每分钟几十转。从输送的密封介质300℃到-100℃。干气密封工作压力为10MPa。密封的介质从氢气、乙烯、丙烯到液化气、液氨等。可以看出来干气密封技术已经广泛的应用于工业生产中, 占有重要的地位。
数十年来, 干气密封的理论研究在提高密封本身的稳定性和降低泄漏量方面取得了瞩目的成就。以下几个方向将代表今后干气密封技术的主要发展趋势。
(1) 材料提升
目前国内外公司所生产的干气密封所使用的材料以不锈钢、硬质合金、石墨、碳化硅、钨化硅为主。在生产过程中部分情况下会产生腐蚀、颗粒磨损。对新材料的开发, 也会促使性能的进一步提升, 高性能自润滑性的新型合金混入纳米颗粒的碳化硅等新的探索, 来提高材料的性能满足产品整体的稳定性要求。
(2) 密封面设计
经过了长期的研究发展和实际的应用, 干气密封的槽型基本确定为两种类型, 单方向旋转的螺旋槽和可双旋转向的槽型。借助高性能计算机模拟, 和先进的实验手段会对槽型密封理论和优化设计产生积极的作用。但是有限元网格的划分, 计算公式的化简, 经验公式的选取还不统一, 有待于进一步的完善。密封面及槽型的参数对密封设备整体高效运行及稳定可靠性有很大影响, 密封面槽型的优化的研究将会继续发展。
(3) 加工手段
干气密封端面上的开槽是干气密封产品合格与否的关键。端面上的动压槽非常浅 (2.5~10μm) , 所以精确的加工出动压槽是一项关键技术。较为常用的开槽技术有电加工法、化学腐蚀法、电化学腐蚀法、光刻法, 随着激光技术应用的成熟和成本降低, 高质量的密封槽将越来越多地采用激光加工。降低加工成本, 提高加工精度仍将会是提升干气密封性能的努力方向。
(4) 实时监控开发
对干气密封实时监控软件的开发和升级, 通过实时地了解干气密封甚至是机组的运行状态, 不但结合安全保运开展预维修, 而且可以更好提升使用能效、提高使用寿命。
石化工业的飞速发展对密封技术提出了更高的要求。干气密封作为一种非接触式密封是目前密封技术研究的热点。加大对干气密封技术的研究和推广应用, 有利于提高炼油、化工等行业旋转设备长周期平稳运行, 确保行业安全可靠。
摘要：干气密封作为一种非接触式机械密封, 具有以气封气、非接触、零泄漏、气膜润滑、低功耗、长寿命、高可靠性、长周期运行、低运行维护费用等特点。本文将介绍干气密封的发展历史、现状, 最后阐述了干气密封未来的几个发展趋势。
关键词：干气密封,发展史,发展趋势
参考文献
[1]王和顺, 陈次昌, 黄泽沛, 王新霖.干气密封启动过程研究[J].润滑与密封, 2006, Vol.31 (1) , 14-6.
干气密封在丙烯压缩机上的应用 篇3
干气密封是由20世纪60年代从气体动压轴承的基础上发展起来的一种新型非接触式密封,随着干气密封技术的日益成熟,逐渐被乙烯装置所接受,近几年新建乙烯装置压缩机基本采用干气密封。广州石化根据丙烯制冷压缩机的设计数据以及运行过程中存在的跑油问题,决定对其密封进行技术改造。
1 干气密封的原理及型式
1.1 干气密封的原理
干气密封的典型结构由内旋转环、静环、弹簧、密封圈以及弹簧座和轴套组成。干气密封旋转环旋转时,密封气体被吸入动压槽内,由外径朝向中心,径向分量朝着密封堰流动。由于密封堰的节流作用,进入密封堰的气体被压缩,气体压力升高,在该压力作用下,密封面被推开,流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜,该膜厚度一般在3 μm左右。而且在不同的工作状况下,只要在设计范围内靠密封面上的闭合力(弹簧气和介质力)和开启力(气膜反力)的共同作用,密封面都能合拢到正常值。
1.2 干气密封型式的选择
通过对各厂家干气密封型式的分析和比较,广州乙烯丙烯压缩机采用了串联式单端面干气密封型式。
2 干气密封的改造
2.1 压缩机工艺条件处理介质:丙烯;
吸入压力:0.128 MPa(A);
排出压力:1.814 MPa(A);
吸入温度:-41.5 ℃;
排出温度:77.8 ℃;
正常转速:4510 r/min。
2.2 结构介绍
干气密封结构采用带中间缓冲气的串联干气密封+隔离密封(迷宫密封)。它是压缩机轴密封中采用得最多的一种密封形式。在两级密封中,第一级承担全部压力,第二级是安全备用密封;当第一级密封失效时第二级密封承担全部压力,保证机组安全停车;一级密封与二级密封中间设有梳齿密封。中间缓冲气采用氮气,第一级密封泄漏的丙烯气体全部排到火炬;二级泄漏出气体为氮气,则可通过高点排放。第三级密封是迷宫密封,防止润滑油进入干气密封,保护干气密封的安全。其流程示意图如图1。
2.3 控制系统
控制系统是干气密封的重要组成部分。控制系统的主要作用是为干气密封提供干净的气体和监视干气密封的运转状况,确保干气密封长周期运行,丙烯压缩机干气密封控制系统由五部分组成:
2.3.1 过滤单元
由于干气密封工作时形成的气膜厚度在3微米左右,气体中如果含有颗粒杂质会损坏密封面,对干气密封的正常运转产生巨大的威胁。因此,供给干气密封的气体需要非常干净,通常采用高精度过滤器来达到这一目的。
2.3.2 密封气调节单元
干气密封的密封气控制采用压差控制。密封气控制的目的是始终保证密封气的压力高于密封腔中工艺介质的压力从而防止缸体内介质反窜进入干气密封。
2.3.3 密封气泄漏监控单元
控制系统通过孔板对干气密封的泄漏量进行监控,当干气密封的气体泄漏量超过一定值时,表明干气密封损坏,监控单元发出报警信号。该干气密封控制系统是通过对干气密封一次泄漏气体流量进行监视而实现,采用三取二的报警连锁方案。
2.3.4 缓冲气单元
缓冲气(氮气)从两级干气密封之间注入,保证串联式干气密封泄漏出的工艺气全部通过一次泄漏高点排空,后密封泄漏出的气体仅仅是氮气。
2.3.5 隔离气单元
隔离气的作用是防止润滑油窜入干气密封部位对密封性能造成影响,对干气密封起保护作用。该干气密封隔离气采用氮气。
另外,为防止密封气丙烯经控制系统后,在进入密封腔时液化,在控制系统与密封腔之间连接管线加伴热管线,为干气密封提供理想的工作环境。
3 气源的选择及改进
首先,供给的密封气体质量必须是干燥清洁的,防止其夹带的颗粒(颗粒直径<3 μm)杂质损坏密封面;其次,密封气必须是连续不中断的供给,保证干气密封的正常气膜厚度;最后,通过对密封气的组分和特性详细了解,准确分析,进入密封系统的密封气的温度需保持在露点温度20 ℃以上,且不能带液在设计时干气密封的主密封气时,一般选用压缩机出口的工艺气体。但是,压缩机在启动和停车时常常因为出口压力的不稳定,难以形成有效的密封气膜,无法起到密封的作用。所以通常选用压力稳定的丙烯球罐的气相丙烯作为备用气源,并在中间设气液分离罐,同时增加工艺管线加伴热,以保证进入密封腔的气体温度。其备用密封气流程示意图如图2。
在本次改造中,通过与厂家交流决定采用以下方法:开车时用来自丙烯球罐的备用气源,运行正常后改用压缩机四段出口的丙烯气相,系统中隔离气和缓冲气选用0.6 MPa氮气。
4 对原机组的改动
丙烯压缩机原有浮环密封,其每端进油孔和回油排放孔总数是两个,不能满足此型密封的孔数要求,因此改造时对原浮环密封外壳和轴承箱进行钻改加工。改造后干气密封保留原平衡管线不动,平衡管介质与流量均与原浮环密封一致,原油排放口改为主密封气入口;原密封进油孔改为一级密封泄漏出口;缓冲气入口,二级密封泄漏出口、隔离气入口均通过金属软管从轴承箱上所加工的孔中引出。由于改造前该密封使用了浮环密封,为保护转子不被浮环磨损,在安装密封部分垫套了一金属轴套,改造时将该轴套去掉,保证其正常运行。
密封改造前后对比图如图3。
5 试运过程干气密封出现的问题
5.1 故障现象
本装置于2011年3月对P1650干气密封改造调试完成。2011年3月27日丙烯机实气开车,机组(ITCC)为自动升速,当机组转数升至第一临界转数区间时,因高压端泄漏孔板压差高高联锁机组停车,机组试车两次均出现同类问题。
5.2 原因分析
2011年3月,通过对故障现象的分析,在对可能出现的问题逐一排查后,最后确定发生此问题的主要原因在于:由于丙烯压缩机正常运转时参考气压力为0.3 MPa,干气密封的设计最高介质压力为0.6 MPa,而实际开车初始时丙烯压缩机介质压力为1.0 MPa,造成实际开车时介质压力远高于设计的最高介质压力。所以,在丙烯机升速时出现在密封面上的气膜反力增加,造成密封间隙过大,从而导致干气密封的高压端泄漏孔板压差高高联锁停车。
5.3 对策及措施
在PY1650开车提速过程中,打开高压端泄漏孔板的旁路,并将高压端泄漏孔板压差高高联锁旁路;把PY1650丙烯压缩机升速方式改为半自动,降低压缩机通过临界的升速速度,从50 r/s降低到25 r/s,延长升速时间,减少对干气密封的冲击;升到正常转速后,当高压端泄漏孔板压差回到正常值时关闭高压端泄漏孔板旁路,联锁恢复。
5.4 改进的结果
根据制定的改进措施及订购的PY1650备件情况, 2011年4月至7月,厂家对动压槽及相关附件进行了重新设计调整,经台试,备件能满足在0.3～1.0 MPa工况下的机组开车要求。运行参数见表2。
6 干气密封改造后的经济效益
6.1 密封节约费用
干气密封功率消耗:396 W/套×2套=792 W
一年功率消耗为:0.792×24×365×0.5=3469元
浮环密封功率消耗:9.8 kW/套×2套=19.6 kW
浮环密封一年功率消耗:19.6×24×365×0.5=85848元
6.2 控制系统消耗费用
干气密封控制系统无功率消耗;
浮环密封油系统靠齿轮泵供油,齿轮泵功率约15 kW。
齿轮泵一年功率消耗:15×24×365×0.5= 65700 元
6.3 密封气消耗费用
干气密封消耗丙烯气:1.6标准m3/h
一年密封气消耗:1.6×24×365×1=14016元
干气密封消耗氮气:24标准m3/h
一年氮气消耗:24×24×365×0.15=31536元
干气密封总节约费用:
85848+65700-3469-14016-31536=10.2527万元
6.4 节油效益
普通浮环每天泄漏量约为180 L,一年节油效益为:
365天×180 L×0.85 kg/L×5元/kg=27.9万元
即采用干气密封后每年可为企业带来直接经济效益38.1万元。
7 结 语
2011年6月,通过对丙烯压缩机干气密封运行状态进行技术性能标定,各性能指标达到设计要求,干气密封系统改造后一次性成功;丙烯压缩机干气密封自2011年3月投用至今,已平稳运行12个月,对丙烯机系统低点及冷箱进行检查,无跑油现象,较好地解决了浮环密封跑油问题。
参考文献
[1]王松汉.乙烯装置技术与运行[M].北京:中国石化出版社,2009:454-567.
[2]张宇辉.干气密封在裂解气压缩机上的应用[C].裂解气压缩机“安稳长”运行专题研讨会论文集[A].全国乙烯工业协会,2009:181-184.
干气密封碰摩引起振动的分析 篇4
对于大型离心压缩机组而言, 只要按照技术要求安装, 发生碰摩的概率很低, 除非是发生叶片断裂、吸入异物、转子失稳等严重的振动问题, 才会衍生出碰摩故障。碰摩形式多种多样, 反应出的故障特征常常和理论有出入, 不容易识别[1]。
1 概况
某化工厂氨气离心压缩机组, 压缩机型号为3MCL458, 机组布置如图1所示, 该机组由电机拖动, 利用液力偶合器调速, 变速机增速。工作转速12 665 r/min, 一阶临界转速4303 r/min。
机组运行一段时间后再次启机, 发现压缩机联轴器侧一个测点振动达到80μm, 居高不下, 而另一侧点振动只有35μm。在排除测量系统问题后怀疑主要是瓦的支撑存在异常, 引起两个测振方向的油膜刚度相差很大, 表现为振动的偏差很大, 加之自由侧的振动17μm/24μm, 此振动问题更像是联轴器侧支撑瓦的个体问题, 不像是转子本身的问题, 但是考虑到检修时间充裕, 此次检修也对转子返厂做了动平衡处理, 在检修过程中发现联轴器侧支撑瓦下瓦块轻微有些发亮, 除此之外瓦块厚度、接触、间隙、过盈均在设计范围之内, 无明显异常, 尽管如此, 也对其更换了新的备件瓦块, 安装完毕, 复核了压缩机与变速机的对中, 然后开车, 联轴器侧振动75μm/35μm, 并没有明显好转。
2 振动监测与分析
根据现场反映, 振动有随转速增加的趋势, 尝试进行现场动平衡的方案, 经过现场平衡后, 振动降到55μm, 可勉强维持机组运转, 很明显通过现场动平衡只是进一步降低了不平衡力的影响, 实际上并没有在本质上解决问题。但是通过振动监测也发现了一些问题。
(1) 如图2所示, 是机组由运行至停机时的振动趋势。低转速 (300~3000 r/min) 时, 联轴器侧振动22μm/22μm, 自由侧<10μm, 且在7000 r/min以下振动都<35μm。正常情况下低转速时压缩机的振动应当如同自由侧一样<10μm, 而现在该压缩机在低转速下就接近了一般压缩机正常运转时的振动水平, 这说明振动在低转速下问题就出现了, 在高转速下变得更加剧烈。
(2) 1Y联轴器侧和2Y自由侧频谱图见图3a和图3b, 联轴器侧存在明显的2倍频成分, 从频谱上看其峰峰值分别为11.4μm/15.2μm, 自由侧2倍频成分峰峰值只有1.4μm/2μm, 联轴器侧的2倍频成分在低转速时就很大, 是引起低转速时振动大的主要原因。
(3) 联轴器侧振动波形图见图4, 仔细观察波形图, 两个测点波形下半峰值存在非常严重的削波现象。
(4) 联轴器侧轴心轨迹见图5, 轴心轨迹不是规整的椭圆形, 整个轴心轨迹比较靠上, 并且在轨迹的下半段出现了平直且内凹的形状, 这说明当轴运行到下半段时, 并没有沿着平滑的椭圆轨迹运行, 而是受到某种力的作用斜向上向内行进了。
综上, 考虑到低转速下振动较大, 加之波形和轨迹的特征, 都与碰摩故障的特征吻合, 而频谱上出现的二倍频可以这样理解, 由于轴心运行的轨迹是靠上的, 因此在压缩机的运转过程中, 轴系是不对中的, 因此出现了2倍频, 那么是什么因素导致轴心轨迹靠上的呢, 在已经排除可倾瓦问题的前提下, 问题聚焦到了干气密封上。
为了验证是否干气密封存在问题, 采用试车密封开车, 运行至工作转速, 联轴器侧振动27μm/22μm, 符合运行标准, 由此也确定了问题出在干气密封上, 鉴于此, 干气密封返厂进行拆检, 根据干气密封厂家反馈, 干气密封动环存在严重磨损痕迹。干气密封修复后, 机组运行振动正常。
3 碰摩故障特征
(1) 通常情况下, 碰摩会引起不规则的振动是非线性的, 其频率成分除不平衡引起的工作频率外, 还包含其1/n (n=2, 3) 阶次谐波及2, 3次等高次谐波, 当碰摩严重时以1/2阶次谐波为主, 而较轻时则会出现1/2, 1/3…等次谐波[2,3,4]。在本案例中, 并没有出现低次谐波, 而且在以前遇到的几起碰摩故障中只有一例出现了1/2倍频, 所以频谱分析时, 出现了低次或高次谐波要考虑碰摩, 没出现低高次谐波也不能忽视碰摩故障, 实际上低次谐波的出现取决于转子的不平衡状态、阻尼、外载荷大小、摩擦副的几何形状及材料特性等因素, 在阻尼很高的转子系统中, 可能根本不会出现次谐波振动[5]。
(2) 削波是碰摩的一个典型特征, 碰摩越严重, 削波越严重[6], 在本案例中也发生了比较严重的削波现象。
(3) 轴心轨迹也会发生变化, 要根据其形状特征分析转子是如何运转的, 当碰摩严重时, 将导致转子几乎处于完全失稳的状态, 此时转子的正向涡动将可能转变成为连续的反向涡动[7]。
(4) 从振动趋势看, 如果低转速下表现振动较大, 则碰摩的可能性就很大, 因为在诸多引起振动大的因素中, 只要存在相对运动, 碰摩就会存在, 引起振动增加。曾遇到过一起类似的案例, 当联锁停机转速开始下降时振动增加, 因此考虑是否存在碰摩, 实际确实发生了。趋势的特征往往容易被忽视, 通过对运行趋势的分析, 常常能够把握住总体, 发现一些端倪。
4 总结
机组的振动问题总会通过频谱、波形、轨迹、趋势等反应出来, 但机组故障往往存在交叉与耦合, 因此所表现出来的特征有时也不完全一致, 只要诊断工程师仔细观察, 认真思考总会发现一些端倪, 本案例所描述的干气密封碰摩故障在离心压缩机组上很少见, 往往容易被忽视, 因此在问题的处理过程中走了一些弯路, 但是他对甄别机组的碰摩类故障有一定的借鉴意义。
参考文献
[1]马辉, 杨健, 宋溶泽, 等.转子系统碰摩故障实验研究进展与展望[J].振动与冲击, 2014, 33 (6) :1-12.
[2]徐朝蓉, 徐自力, 邱恒斌, 等.离心压缩机转子密封故障的振动特征及诊断[J].噪声与振动控制, 2015, 35 (3) :177-180.
[3]刘长利, 姚红良, 罗跃纲, 等.松动碰摩转子轴承系统周期运动稳定性研究[J].振动工程学报, 2004, 17 (3) :336-340.
[4]陈巍, 杜发荣, 李云清.转子叶片连续碰摩状态识别[J].中国机械工程, 2009, (15) :1830-1833.
[5]花纯利, 塔娜, 饶柱石.阻尼对摩擦力作用下转子系统弯扭耦合振动特性的影响[J].振动与冲击, 2015, (35) :19-25.
[6]徐建兵.125 MW汽轮机振动故障处理[J].设备管理与维修, 2015, (3) :70-71.
干气密封在离心泵上的应用 篇5
干气密封采用“以气封气”或“以气封液”来实现工艺介质的零逸出和零泄漏;与传统的接触式机械密封相比, 具有摩擦功耗低、使用寿命长、工作可靠性高、辅助系统简单、没有环境污染、运行维护费用低等一系列优点。
1 工作原理
泵用干气密封在结构上与普通机械密封显著不同的是动、静环密封端面较宽;在动环或静环端面上加工出特殊形状的流体动压槽, 如螺旋槽, 槽深一般在3~10μm之间。当动环高速旋转时, 动环或静环端面上的螺旋槽将外径处的高压气体向下泵入密封端面间, 气体由外径向中心流动, 而密封坝节制气体流向中心, 于是气体被压缩引起压力升高, 在槽根处形成高压区。端面气膜压力形成开启力, 在密封稳定运转时, 该开启力与由作用在补偿环背面的气体压力和弹簧力形成的闭合力平衡, 密封保持非接触、无磨损运转, 其气膜厚度一般维持在2~3μm。如果出现某些扰动因素使密封间隙减小, 此时由螺旋槽产生的气膜压力将增大, 引起开启力增大, 而闭合力不变, 密封间隙将增大, 直到恢复平衡为止;反过来, 如果出现某些扰动因素使密封间隙增大, 此时由螺旋槽产生的气膜压力将减小, 引起开启力减小, 而闭合力不变, 密封间隙将减小, 密封将很快再次恢复平衡。干气密封的这种抵抗气膜间隙变化的能力称之为气膜刚度。虽然泵用干气密封的气膜间隙很小, 但气膜刚度很大, 比液膜润滑机械密封的膜刚度要大得多。
2 主要特点
(1) 摩擦功耗低。由于干气密封的两密封端面被一薄层稳定的气膜所隔离而且密封腔内为低粘度的气体介质, 因此干气密封的端面摩擦功耗和动环组件的搅拌摩擦损失要比液体润滑的密封装置的摩擦功耗小很多, 一般两者消耗的功率之比约为:1∶10~20。
(2) 无磨损运转, 使用寿命长。对干气密封, 由于两个相对旋转的端面是非接触的, 在正常使用条件下, 一般都可达到3年以上。
(3) 无封液系统, 能实现泵送介质的零泄漏或零逸出。封液系统不仅较为复杂、昂贵, 而且存在着不可避免的故障危险。利用干燥洁净的氮气源作为密封气来实现泵送介质的零泄漏或零逸出, 不仅可以避免这些复杂因素, 而且对泵送介质无污染;系统也较简单, 可靠性较高。
3 主要难点
(1) 结构尺寸受限制。离心泵填料箱径向空间相对较小, 特别是对一些老泵轴封的改造时难度加大。所以一般泵用干气密封的密封面相对较窄。由于密封面必须包括起向下泵送作用的槽区和起密封作用的坝区两部分, 因此泵用干气密封的端面结构参数 (包括流槽的几何参数) 的设计与透平压缩机用干气密封并不一样, 其难度更大。
(2) 转速低, 动压效应小。由于离心泵主轴转速不高, 为了尽可能提高密封在工作膜厚下的气膜刚度以增强密封工作的可靠性, 在端面槽型的选择及其结构参数的优化上必须作特殊的考虑。
(3) 性价比高。由于离心泵机器本身的价值比透平压缩机而言要小很多, 因此泵用干气密封的预算资金相对于透平压缩机用干气密封低很多, 这就要求其有较高的性价比。因此在设计泵用干气密封及其控制系统时, 应在保证密封和系统性能的前提下, 必须充分考虑其经济性。
4 密封布置方式
4.1 外压式双端面干气密封
外压式双端面干气密封由两套干气密封背靠背布置形成, 两套密封间充入洁净的隔离气 (一般为氮气) , 其压力高于密封腔被密封介质压力为0.2MPa左右。这样进入密封腔中的隔离气一小部分通过内侧密封的密封面进入泵腔阻止被密封液体的泄漏, 绝大部分隔离气通过外侧密封的面封面进入环境中, 进入环境的隔离气与被密封的液体介质不接触, 为洁净的隔离气, 完全符合环保要求。为了防止因外供隔离气意外中断而使内侧密封打开, 内侧密封采用双平衡结构设计, 这样不管内侧密封承受正压差 (隔离气压力高于被密封液体压力) 或负压差 (隔离气压力低于被密封液体压力) 作用, 都能实现密封。内侧密封和外侧密封静环 (或动环) 密封面上的流体动压槽刻在密封面的外径处。该种布置方式主要适用于各类不含固体颗粒的介质, 保证被密封的工艺液体介质实现“零泄漏”或“零逸出”。
4.2 内压式双端面干气密封
采用两套干气密封顺序布置, 中间充入洁净的隔离气, 隔离气一般采用工业氮气, 其压力高于密封腔介质压力0.3M P a左右, 过滤精度为1μm。由于内侧密封承受内压作用, 依靠“气体阻塞”作用和离心力作用, 能有效地防止液体介质中的固体颗粒进入密封面。内侧密封动环 (或静环) 密封面上的流体动压槽刻在密封面的内径处, 而外侧密封静环 (或动环) 密封面上的流体动压槽刻在密封面的外径处。这种布置方式主要适用于各类含固体颗粒的液体介质。机械密封为主密封, 外侧干气密封为备用密封。在机械密封与干气密封间充入一定压力的洁净缓冲气 (一般为氮气) , 该压力低于被密封的液体介质压力。干气密封非接触运行, 保证主密封具有一定的背压, 能有效地降低甚至避免因主密封端面间液膜的气化 (或汽化) 而引起的主密封工作不稳定, 极大地延长了主密封的使用寿命。主密封泄漏的工艺介质随密封气排入火炬, 保证工艺介质不向大气泄漏。一旦主密封失效, 干气密封能在短时间内起到主密封作用, 防止工艺介质向大气大量泄漏。这种布置方式适用于轻烃、低温类易挥发性介质, 特别是泵送介质压力较高的场合。
总之, 采用干气密封具有传统方式所不可比拟的优势, 可以保证离心泵长周期安全运行的要求, 能够有效提升企业的经济效益。
参考文献
[1]顾永泉, 机械密封实用技术, 北京:机械工业出版社, 2001[1]顾永泉, 机械密封实用技术, 北京:机械工业出版社, 2001