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某公司新建10萬(wàn)t/a苯乙烯裝置排放氣壓縮機(jī)為日本進(jìn)口的噴液無(wú)油潤(rùn)滑螺桿壓縮機(jī)，螺桿直徑542.6mm。該壓縮機(jī)的主要作用是將脫氫反應(yīng)單元中生成的氫氣、二氧化碳、甲烷等不凝氣抽吸出去，以保證整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)始終處于負(fù)壓操作。

 

噴液無(wú)油螺桿空壓機(jī)軸端密封根據(jù)輸送介質(zhì)的不同通常多采用機(jī)械密封、干式浮環(huán)密封或迷宮式密封，隨著技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的進(jìn)口壓縮機(jī)采用了干氣密封等新技術(shù)。但經(jīng)過大量的實(shí)際應(yīng)用和后續(xù)理論分析發(fā)現(xiàn)，動(dòng)壓干氣密封使用效果并不理想，其中機(jī)組的轉(zhuǎn)速對(duì)流體動(dòng)壓型干氣密封的穩(wěn)定性影響更大。因?yàn)闊o(wú)論何種形式的干氣密封均要求其動(dòng)靜環(huán)密封面之間形成滿足密封要求，并具有一定剛度的氣膜，從而確保密封面之間小間隙無(wú)接觸運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于流體動(dòng)壓式密封而言，氣膜是在機(jī)組啟動(dòng)后高速旋轉(zhuǎn)而形成的，因此對(duì)于低轉(zhuǎn)速機(jī)組其啟動(dòng)期間密封性能下降很大，有些甚至無(wú)法正常工作。近年來(lái)動(dòng)壓式干氣密封在高轉(zhuǎn)速的大型離心機(jī)組上得到了非常廣泛的成功應(yīng)用，但在低轉(zhuǎn)速機(jī)組上，過低的轉(zhuǎn)速無(wú)法形成足夠的氣膜開啟力和剛度，因而難以保證干氣密封的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在螺桿壓縮機(jī)上使用要求更為苛刻，因此并未廣泛推廣。

該螺桿空壓機(jī)創(chuàng)新地使用了靜壓式干氣密封與浮環(huán)密封組合應(yīng)用技術(shù)，綜合了干氣密封零泄漏與浮環(huán)密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因此研究其運(yùn)行機(jī)理并對(duì)其進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化，有著重要意義。

2、螺桿空壓機(jī)機(jī)組工藝條件

螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)如下：

密封軸徑：φ220mm

正常轉(zhuǎn)速：3849r/min

更大轉(zhuǎn)速：4721r/min

更小轉(zhuǎn)速：2249r/min

設(shè)計(jì)入口溫度：常溫

設(shè)計(jì)出口溫度：100～145℃

設(shè)計(jì)入口壓力：0.02MPa(A)

設(shè)計(jì)出口壓力：0.2MPa(A)

密封氣介質(zhì)：氮?dú)?/p>

尾氣介質(zhì)及含量：H2：96%;CO：0.01%;CO2：2%另外含有少量的N2和O2

3、靜壓式干氣密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該螺桿空壓機(jī)密封由靜壓式干氣密封+前后浮環(huán)密封組成。

從工藝側(cè)由內(nèi)而外，第一部分為由兩道浮環(huán)密封組成的前置密封，該道密封不通入密封氣，主要用于減小主密封氣串入介質(zhì)側(cè)氣量。中間主密封為靜壓式干氣密封，密封氣為系統(tǒng)管網(wǎng)供給的潔凈氮?dú)?，氮?dú)饨?jīng)過該密封后，一部分通過前置浮環(huán)密封，經(jīng)減壓后只有很少量的會(huì)進(jìn)入工藝介質(zhì)中。另外一部分氮?dú)怆S同絕大部分二級(jí)密封泄漏氣經(jīng)一級(jí)泄漏出口排向大氣。后部為二級(jí)密封，其作用為阻止密封氣沿軸向竄入軸承箱，該密封也由兩道浮環(huán)密封組成，隔離密封氣為小壓力大流量的氮?dú)?，此隔離氮?dú)馔ㄟ^浮環(huán)密封后其中一部分經(jīng)外部碳環(huán)進(jìn)入油箱后放空到大氣，另一部分經(jīng)過內(nèi)部碳環(huán)進(jìn)入一級(jí)密封排氣口。

4、靜壓式干氣密封的分類及工作原理

干氣密封通常可以分為兩個(gè)大類，分別為動(dòng)壓式干氣密封和靜壓式干氣密封。其中依靠被密封機(jī)組的旋轉(zhuǎn)使壓力上升的叫做動(dòng)壓式干氣密封，依靠壓力差或外部供給的中間氣體的壓力使壓力上升，機(jī)組本身的轉(zhuǎn)速對(duì)氣膜形成幾乎沒有影響的干氣密封叫做靜壓式干氣密封。

另外，靜壓干氣密封又可細(xì)分成外加壓式干氣密封和自加壓式干氣密封。顧名思義自加壓式干氣密封不需要外部氣源，由被密封機(jī)組本身輸送的介質(zhì)作為靜壓氣體，其缺點(diǎn)是密封效果容易受到機(jī)組介質(zhì)壓力波動(dòng)的影響。外加壓式靜壓干氣密封，其所需的靜壓氣體由外部氣源提供，因而性能比較穩(wěn)定，可靠性高，缺點(diǎn)是增加了額外的氣源設(shè)備，造價(jià)高，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

靜壓式干氣密封的主要工作原理是利用氣體靜壓作用，在主機(jī)起動(dòng)以前就在密封的動(dòng)、靜環(huán)端面間形成具有一定剛度的氣膜，如圖1所示。密封端面的環(huán)形內(nèi)開有8個(gè)淺的補(bǔ)償槽，如圖2所示，其作用是為了實(shí)現(xiàn)密封動(dòng)、靜環(huán)之間能夠形成一個(gè)穩(wěn)定的靜壓力，從而提高密封效果和穩(wěn)定性;在每個(gè)補(bǔ)償槽中間開設(shè)置一個(gè)節(jié)流孔，密封氣體通過密封環(huán)后部的氣體通道后穿過節(jié)流孔進(jìn)入密封端面之間，形成穩(wěn)定的氣體靜壓力。

5、靜壓式干氣密封的特點(diǎn)

5.1 靜壓式干氣密封主要優(yōu)點(diǎn)

(1)靜壓式干氣密封無(wú)論機(jī)組轉(zhuǎn)速的高、低，均能穩(wěn)定正常地運(yùn)轉(zhuǎn)，其密封端面的泄漏率、開啟力、氣膜剛度及厚度與被密封機(jī)組的轉(zhuǎn)速關(guān)系不大;

(2)可以形成具有較好剛度的氣膜，通過供氣和節(jié)流裝置后理論上氣膜剛度可以無(wú)限大;

(3)密封端面摩擦系數(shù)很低，設(shè)備起動(dòng)前已經(jīng)形成氣膜，完全消除了動(dòng)靜環(huán)之間的靜摩擦力;

(4)密封氣由外部氣源提供，密封性能基本不受設(shè)備本身輸送的介質(zhì)壓力的影響，即使工藝操作波動(dòng)大，密封仍能保持較好的密封性。

6、靜壓式干氣密封國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化

對(duì)于該壓縮機(jī)國(guó)產(chǎn)化靜壓干氣密封的設(shè)計(jì)，其整體結(jié)構(gòu)布置、內(nèi)部裝配尺寸、外形尺寸均可以參考原密封設(shè)計(jì)，并進(jìn)行重新核算后確定。密封國(guó)產(chǎn)化能夠成功的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于密封件材質(zhì)的選擇及靜密封環(huán)節(jié)流孔氣體流量的計(jì)算。

6.1 靜密封環(huán)節(jié)流孔氣體流量的計(jì)算

靜壓式干氣密封靜環(huán)節(jié)流孔的尺寸是影響密封氣體流量的直接因素，而密封氣體流量及壓力的大小又直接影響氣膜剛度、密封端面開啟力和氣體泄漏率等重要密封性能，因而平衡好密封氣體流量與靜環(huán)端面節(jié)流孔大小之間的關(guān)系非常重要，也是該密封國(guó)產(chǎn)化的難點(diǎn)所在。

靜壓氣體潤(rùn)滑軸承理論是靜壓式干氣密封理論基礎(chǔ)的主要來(lái)源。近年來(lái)，靜壓氣體潤(rùn)滑軸承理論和技術(shù)不斷的深入以及大量研究氣體靜壓軸承的文獻(xiàn)不斷涌現(xiàn)，其中氣體靜壓止推軸承理論可以應(yīng)用在靜壓干氣密封技術(shù)的研究中。根據(jù)靜壓氣體潤(rùn)滑中節(jié)流孔控制方程的推導(dǎo)，可計(jì)算出靜壓式干氣密封的節(jié)流孔流量。

6.2 密封主要零件的材質(zhì)選擇

靜壓式干氣密封動(dòng)靜環(huán)、O環(huán)等零部件的材質(zhì)直接影響密封的整體使用性能及更終壽命，因密封零部件的材質(zhì)是密封設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。

針對(duì)本次國(guó)產(chǎn)化改造，在對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行工況、輸送介質(zhì)特性等作了詳細(xì)分析后，更終確定了靜壓干氣密封重要零部件的材質(zhì)。

干氣密封的動(dòng)環(huán)采用0Cr18Ni9噴涂Cr203，該材料具有表面硬度高(HRC50-70)耐磨性好、熱傳導(dǎo)系數(shù)大、比重小等優(yōu)點(diǎn)，是目前更好的一種摩擦副材料。密封靜環(huán)采用浸銻碳石墨材料，該材料具有強(qiáng)度高、自潤(rùn)滑性好、耐高溫(300～500℃)等特點(diǎn)。對(duì)于密封圈的材質(zhì)選用，與工藝氣體接觸部分采用進(jìn)口FFKM，其他采用進(jìn)口FKM密封圈?；w材料及緊固件選用SUS304材質(zhì)。

7、結(jié)論

經(jīng)過研究人員的不懈努力，國(guó)產(chǎn)化靜壓式干氣密封成功研制，并順利通過了在線使用考核。該螺桿壓縮機(jī)靜壓式干氣密封國(guó)產(chǎn)化的成功，既滿足了裝置的使用需求，又節(jié)省了備件費(fèi)用，更為國(guó)產(chǎn)靜壓式干氣密封在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，進(jìn)行了有意義的探索。另外靜壓式干氣密封也可應(yīng)用在高危介質(zhì)泵、攪拌器等低轉(zhuǎn)速的設(shè)備上，應(yīng)用前景十分廣闊。

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