聚丙烯装置排放气压缩机曲轴密封改进

龙丹 薛守文 卢笙 曾祥特 王延一 马雯 张姝婉

摘      要：描述了聚丙烯装置排放气压缩机曲轴密封寿命短、频繁泄漏问题，通过充分了解现场使用工况，结合往复式压缩机的结构特点，找出了排放气压缩机曲轴机械密封频繁失效的原因。该旋转轴跳动超过    0.13 mm，并且材质较软，双端面机械密封依靠“O”型环传动，易对旋转轴造成损伤。经过分析，对原曲轴密封结构进行升级改造，增加轴套固定取代“O”型环传动，并喷涂碳化钨，减少“O”型环与轴套的摩擦力，有效地抵消了轴向跳动力，解决了曲轴密封泄漏问题，延长了密封的使用寿命，实现了排放气压缩机的长周期运行。

关  键  词：密封泄漏;结焦;微动腐蚀

中图分类号：TQ050.3       文献标识码： A       文章编号： 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

往复式压缩机主要应用于化工等领域，是石油化工装置中的关键设备，压缩机故障往往导致部分区域或整个装置的停车，严重影响装置的物耗等问题，因此提高压缩机各个组成零件的使用壽命极为必要。在迷宫式往复压缩机中，气阀、填料环等易损件得到了很多的关注，除此之外，曲轴机械密封同样为易损部件（见图1），曲轴密封的使用情况影响着整个压缩机组运行的稳定性，并且可能带来极大的安全隐患。 聚丙烯装置排放气压缩机采用的是进口瑞士布克哈德4D375B型迷宫式压缩机。

1  迷宫式压缩机结构及其特点

聚丙烯装置排放气压缩机采用的瑞士布克哈德4D375B型迷宫式压缩机，该压缩机为立式三段四缸结构，设计紧凑，设计转速为375 r·min-1，机械密封处轴径为278 mm，润滑油压力为  0.48 MPa，正常工作时温度为50 ℃。相比于其他采用机械密封的设备，往复式压缩机具有转速低、轴径大、运转时振动大的特点。本压缩机机械密封结构如图2所示。

该机械密封为面对面结构双端面非集装式密封，两个动环凭借O形圈与轴和推环之间的摩擦力抱紧轴，随轴转动;两个端面之间的弹簧为两个动环提供轴向的补偿;两个静环通过两个防转销与静环安装座之间保持相对静止。考虑到设备振动这一特点，动环采用的是铜合金材质，静环采用的是碳化钨材质。这两种材质的特点都是在振动较大的工况下强度更高，更不容易出现崩边、碎裂的现象。

2  压缩机密封泄漏分析

2.1  密封失效现象描述

该压缩机于2012年9月投入使用，2016年1月开始出现密封泄漏问题，密封使用寿命不到3年半时间。更换新密封，使用1个月后开始出现滴漏，约为每分钟30滴;滴漏一段时间后开始线漏，泄漏逐渐严重，已经失去密封功能。

2.2  密封拆解现象及问题分析

机械密封发生泄漏主要通过3个渠道：①密封动、静环接触面发生了泄漏（见图4）;②二次密封泄漏，动环、静环、端盖等O型环泄漏（见图2-图4）;③辅助结构泄漏（见图5）。

按照如上所述，分析密封的失效原因首先要确定密封失效的主要泄漏点。查找密封泄漏点最佳方法是拆解失效密封，根据失效密封各个主要零件表现出的现象来判断失效原因。

根据压缩机密封拆解的情况，发现内密封静环内径处有轻微结焦（见图5），内密封动环环面完好，磨损痕迹正常（见图6），内密封静环环面完好，磨损痕迹正常（见图7），外密封静环内径处轻微结焦（见图8），轴密封处明显磨痕（见图9）。

通过分析曲轴密封各个零件的现象，可以排除主密封面发生泄漏，那么泄漏点集中在二次密封和辅助结构密封。通过观察曲轴上的两道明显的磨痕，该磨痕正好位于机械密封动环O形圈（图2中零件2）位置，这是机械密封中比较常见的一种失效形  式——微动腐蚀。微动腐蚀是指两个相互接触的表面因为频繁的相对运动使得金属表面的光滑保护膜被磨损。

引起微动腐蚀的主要原因有以下几种：

1）轴跳或者轴的端跳过大。对于常规设计的机械密封而言，超过0.13 mm即被认为端跳过大。

2）轴与机械密封接触面的粗糙度过大，通常而言，对于机械密封动密封点要求的粗糙度一般为0.8。

3）轴材料较软，在设备运转过程中金属表面保护膜短时间被磨损。

根据以上几点微动腐蚀的原因，结合往复式压缩机的特点，不难看出，造成本机机械密封失效的原因涉及了以上提到的第一点和第三点。往复机曲轴密封相比较其他采用机械密封的设备，本身就具有振動大、跳动大的特点。往复机曲轴在旋转过程中不断地受到往复式的交变应力的冲击，这个交变应力反馈到轴端就是轴的端跳和轴跳在周期性的变化，随着轴跳动的周期性变化，机械密封动环下这两个O形圈就与轴之间产生了周期性的相对运动，当轴本身材料到达一定的疲劳极限时，微动腐蚀就产生了。一旦轴被磨损，与O形圈之间的间隙就变大，O形圈的压缩量变小，失去了密封的功能，导致机械密封的泄漏。

3  改进措施

分析了机械密封失效的根本原因，针对前文提到的3点引起微动腐蚀的原因，通常的解决措施如下：

1）提高轴的精度，使其能在机械密封的承受范围之内。

2）提高与机械密封二次密封结构接触面的光洁度，如抛光。

3）提高与机械密封二次密封结构接触面的轴的硬度，通常可以通过喷涂碳化钨或者三氧化二铬实现。

4）改变机械密封的结构，通过特殊设计使其本身能够承受更大的跳动。

因为以上前3条解决措施均需要对压缩机本身做出改造，可行性较低。故只能从机械密封本身结构上入手。改进后的机械密封结构如图10所示。

改进后的机械密封增加了过渡轴套（图10部件1），并将轴套（图10部件1）上与O型圈（图10部件6）接触面做喷涂碳化钨处理; 将原来的分体传动套设计为一体（图10部件2）;传动套、轴套与轴之间通过顶丝固定。相比于原来的机械密封结构，这样改进的优点是：

1）轴套与轴之间是相对静止的，O型圈6在工作过程中与轴没有接触，也就不会使轴发生微动腐蚀，同时，轴套喷涂碳化钨并抛光粗糙度，轴套的硬度显著增强，并且O形圈与轴套之间摩擦力更小，使得动环4具有更好的跟随性;

2）传动套（图10部件2）、轴套（图10部件1） 与轴之间通过顶丝（图10部件10）固定在轴上，而轴套1的顶丝孔为通孔，与顶丝之间是有一定的间隙，这样在运转过程中，当轴存在轴向跳动时，轴套与顶丝之间的间隙会抵消掉一部分轴向跳动，进而一定程度上减少了O形圈（图10部件6）与轴套之间的相对运动;

3）采用了共用传动套（图10部件2）的设计，共用传动套设计的好处同样是在轴向跳动较大时，能够通过共用的弹簧，保证两个动环的跟随性;

4）增加的轴套可以避开原曲轴上被磨损的位置，使得本次改造不需要对原曲轴进行修复，同时，在轴套损坏时可以随时更换，节省了维修曲轴的工作，降低了维修费用。

4  结 论

往复式压缩机与其他常见采用机械密封转动设备相比具有其自身的特点，常规的机械密封设计往往不能够达到很好的使用效果，必须结合设备本身和工艺特点进行针对性的设计。改造后的机械密封装机运行后，取得了良好的使用效果，寿命由原来的3个月提高到了超过1年（截至发稿时间已经累计运行18个月，未泄漏）。极大减少了因机械密封失效带来的维修工作量，降低了设备维修成本和停机成本，具有一定的借鉴意义。

参考文献：

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[2]陈德才，崔德容.机械密封设计制造与使用[M]. 北京：机械工业出版社，1993.

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[4]API 618—2007，石油化工和天然气工业用往复式压缩机（第五版）[S].

[5]孙见君.机械密封泄漏预测理论及其应用[M]. 北京：中国电力出版社，2011.