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ATLAS離心式壓縮機迷宮密封國產化改造
2013-08-21
劉光清
（巴陵石化大成檢修安裝有限責任公司，湖南岳陽 414000）
（巴陵石化大成檢修安裝有限責任公司，湖南岳陽 414000）
摘 要：通過對中國石化股份公司巴陵分公司己內酰胺生產使用的進口多級離心式壓縮機軸封狀況剖析，結合大修階段備件庫存狀況，通過大膽實踐，采用國產部件對該壓縮機組一、二、三級軸封實施國產化改造，從密封機理、材料選用、工藝狀況以及實際運行參數多方面論證實施國產化改造的可行性與必要性。
關鍵詞：離心式壓縮機；迷宮密封；國產化
關鍵詞：離心式壓縮機；迷宮密封；國產化
2006年3月15日，中國石化股份公司巴陵分公司化工片3年一次的大修開始了，檢修準備應該是比較充分的，檢修前，維修人員對空氣壓縮機K6601機組的狀況進行了詳細地了解，由于檢修前很短的時間內一級渦殼處曾出現一次漏油并導致局部著火，當時大家在事故分析時就指出：壓縮機的迷宮式軸密封可能已經失效，必須進行檢查，必要時要求及時更換。由于時間緊，采購進口備件沒有充足的時間，在庫存又沒有的情況下必須走國產化道路。大修解體發現迷宮密封間隙嚴重超標，果斷實施了原定改造計劃。
1 迷宮密封的工作原理、密封機理與結構
1.1 迷宮密封的工作原理
迷宮密封是在轉軸周圍設若干個依次排列的環行密封齒，齒與齒之間形成一系列截流間隙與膨脹空腔，被密封介質在通過曲折迷宮的間隙時產生節流效應而達到阻漏的目的。
1.2 迷宮密封的應用
由于迷宮密封的轉子和機殼間存在間隙，無固體接觸，毋須潤滑，并允許有熱膨脹，適應高溫、高壓、高轉速頻率的場合，這種密封形式被廣泛用于汽輪機、燃汽輪機、壓縮機、鼓風機的軸端和的級間的密封，其他的動密封的前置密封。
1.3 迷宮密封的密封機理
流體通過迷宮產生阻力并使其流量減少的機能稱為“迷宮效應”。對液體有流體力學效應，其中包括磨阻效應、流束收縮效應；對氣體還有熱力學效應，即氣體在迷宮中因壓縮或者膨脹而產生的熱轉換；此外，還有“透氣效應”等。而迷宮效應則是這些效應的綜合反應，所以說，迷宮密封機理很復雜。
1.4 迷宮密封函的結構
迷宮密封函的結構是該壓縮機采用了直通型迷宮密封。
2 直通型迷宮的特點
由于在軸表面加工溝槽或各種形狀的齒要比孔內加工容易，因此常把孔加工成光滑面，與帶槽或帶齒的軸組成迷宮，這就是直通型迷宮，因制作方便，所以直通型迷宮應用Z廣。但是，直通型迷宮存在著透氣現象，其泄漏量大于理想迷宮的泄漏量。
3 國產化迷宮密封的設計與選型
3.1 理想迷宮的泄漏計算
理想迷宮的泄漏計算給定了下列幾個條件：（1）泄漏氣體是理想氣體，不考慮焦爾- 湯姆遜效應，即氣體的焓只與溫度有關；（2）假設迷宮是連續的多縫口組成的一個系列，兩縫口之間的膨脹室足夠大；（3）通過縫口的流動做絕熱循環膨脹，在這里引用一個流量系數α；（4）通過縫口之后的流動速度能量在膨脹室內因受等壓支配而完全作恒溫恢復，所以在每一個縫口之前的速度漸近為0，即不發生透氣現象。
3.2 迷宮式氣體密封的間隙
除特殊情況外，一般氣輪機、燃氣輪機等葉輪機械都采用迷宮式氣體密封。其徑向間隙應根據以下因素選取：軸承間隙，制造公差與裝配誤差，部件的變形（如鑄件收縮和失圓），轉子的撓度，以及通過臨界旋轉頻率時的振幅，熱膨脹以及由此引起的變形等。在多種情況下，熱膨脹的影響Z突出。因此，對啟動與停車時單個部件尺寸的變化，以及部件的相對位移必須預先估算。可用靜態和動態有限元算法出隨時間變化的熱膨脹規律。該機組壓縮機軸密封間隙要求為0.1～0.13mm。
3.3 迷宮密封設計的注意點
總結迷宮密封設計中積累的經驗，歸納起來有下列要點：
（1）盡量使氣流的動能轉化為熱能，而不使余速進入下一個間隙。齒與齒之間應保持適當的距離，或用高-低齒強制改變氣流方向。齒間距一般為5～9mm。
（2）密封齒要做得盡量薄，并帶銳角。齒尖厚度應小于0.5mm，運行中偶爾與軸相碰時，齒尖先磨損而脫離接觸，不致因摩擦出現軸的局部過熱而造成事故。
（3）由于迷宮密封泄漏量大，因此在密封易燃、易爆或有毒氣體時，要注意防止污染環境。采用充氣式迷宮密封，間隙內引入惰性氣體，其壓力稍大于被密封氣體壓力；如果介質不允許混入空氣，則可采用抽氣式迷宮密封。
3.4 密封材料的性能要求
密封材料的性能是保證有效密封的重要因素，選擇密封材料，主要是根據密封元件的工作環境，如使用溫度、工作壓力、所使用的工作介質以及運動方式等。對密封材料的基本要求如下：（1）具有一定的力學性能，如拉伸強度、伸長率等；（2）彈性和硬度適當，壓縮永久變形小；（3）耐高溫和低溫，高溫下不分解、軟化，低溫下不硬化；（4）與工作介質相適應，不產生溶脹、分解、硬化等；（5）耐氧性和耐老化性好，經久耐用；（6）耐磨損，不腐蝕金屬；（7）易于成形加工，價格低廉。
3.5 密封設計及選用的基本要求
機械設備的泄漏，涉及到密封件的設計、生產、使用以及機械本身結構各個環節，如配偶件的設計結構，產品加工、裝配質量等，因此需要運用系統分析的觀點進行綜合分析，找出影響密封的各種因素。對密封設計或選用的基本要求有：（1）在一定的壓力和溫度范圍內具有良好的密封性能；（2）與密封配合面的摩擦阻力小，摩擦系數穩定；（3）磨損小，磨損后在一定程度上能自動補償，使用壽命長；（4）與環境介質及工作介質相適應；（5）結構簡單，拆裝方便，價格低廉。
3.6 密封設計常用的結構措施
（1）均壓：使密封部位內外側的壓力差均衡，如設置適當的通氣窗，在介質通道中加設小型泵送元件，使密封的接觸壓力分布均勻等。
（2）疏導：在零部件上開設回油槽、孔，開設檔油板等，將泄漏的流體引流回油池。
（3）增加流動阻力：如加長泄漏通道或流動路程以增加油液流動阻力。
（4）封堵：應用密封技術封堵界面泄漏通道，例如使用密封件、涂密封膠、塞繞密封帶進行密封，或將不動接合部位的表面焊合、鉚合、壓合、折邊等封死泄漏通道。
（5）液膜阻隔：用提高設備動密封配合面間的精度及控制間隙等類方法，使其中保持有一層適當的潤滑膜，阻止或減少泄漏并潤滑表面。
（6）回流拋甩：采用回流結構密封，或在零件上增設螺旋槽等回流措施以及使用甩油環、甩油槽等將泄漏的油液拋甩回油池。
（7）消振防腐：消除密封部位的振動、沖擊；防止產生腐蝕。
（8）改用潤滑脂或固體潤滑劑等潤滑。
3.7 正確選擇密封件的材質與品種依據
（1）工作條件：如壓力、速度、溫度、對泄漏率的限制、密封件的工作壽命、與潤滑劑的相容性、環境介質（氣溫、氣壓、有無灰塵等）、摩擦狀況、磨損限制等。
（2）配偶件要求：如軸與配合件的幾何尺寸、表面粗糙度、空間尺寸、間隙、偏心量、運動類型、潤滑膜狀況等。
（3）價格要求和經濟性：同時要進行配偶件的相應設計，如安裝密封件的溝槽尺寸與精度、表面粗糙度、軸偏心量、密封件的壓縮率等。
（4）密封件是通用的基礎元件，大多數類型產品的尺寸系列、公差、材質以及安裝溝槽尺寸與公差及其設計計算準則均已標準化，在選用時可根據相應的國家或行業標準選擇。
在密封國產化階段，我們采用高錫巴氏合金代替密封函內復合層，原復合層材料為德國銀，巴氏合金可簡單地分為3種：高錫合金、高鉛合金和中間合金（合金中錫和鉛均占有重要比例）。在所有這些合金系中，銻和銅均作為重要的合金化元素和硬化元素，而且其結構是由硬的、彌散于軟基質中的金屬間化合物組成。
4 密封國產化前后工況對比
為了充分了解軸封國產化前后狀況，查閱了2005年5月同期運行資料，并對比2010年5月運行工況資料，平均了工況參數如表1所示。
1 迷宮密封的工作原理、密封機理與結構
1.1 迷宮密封的工作原理
迷宮密封是在轉軸周圍設若干個依次排列的環行密封齒，齒與齒之間形成一系列截流間隙與膨脹空腔，被密封介質在通過曲折迷宮的間隙時產生節流效應而達到阻漏的目的。
1.2 迷宮密封的應用
由于迷宮密封的轉子和機殼間存在間隙，無固體接觸，毋須潤滑，并允許有熱膨脹，適應高溫、高壓、高轉速頻率的場合，這種密封形式被廣泛用于汽輪機、燃汽輪機、壓縮機、鼓風機的軸端和的級間的密封，其他的動密封的前置密封。
1.3 迷宮密封的密封機理
流體通過迷宮產生阻力并使其流量減少的機能稱為“迷宮效應”。對液體有流體力學效應，其中包括磨阻效應、流束收縮效應；對氣體還有熱力學效應，即氣體在迷宮中因壓縮或者膨脹而產生的熱轉換；此外，還有“透氣效應”等。而迷宮效應則是這些效應的綜合反應，所以說，迷宮密封機理很復雜。
1.4 迷宮密封函的結構
迷宮密封函的結構是該壓縮機采用了直通型迷宮密封。
2 直通型迷宮的特點
由于在軸表面加工溝槽或各種形狀的齒要比孔內加工容易，因此常把孔加工成光滑面，與帶槽或帶齒的軸組成迷宮，這就是直通型迷宮，因制作方便，所以直通型迷宮應用Z廣。但是，直通型迷宮存在著透氣現象，其泄漏量大于理想迷宮的泄漏量。
3 國產化迷宮密封的設計與選型
3.1 理想迷宮的泄漏計算
理想迷宮的泄漏計算給定了下列幾個條件：（1）泄漏氣體是理想氣體，不考慮焦爾- 湯姆遜效應，即氣體的焓只與溫度有關；（2）假設迷宮是連續的多縫口組成的一個系列，兩縫口之間的膨脹室足夠大；（3）通過縫口的流動做絕熱循環膨脹，在這里引用一個流量系數α；（4）通過縫口之后的流動速度能量在膨脹室內因受等壓支配而完全作恒溫恢復，所以在每一個縫口之前的速度漸近為0，即不發生透氣現象。
3.2 迷宮式氣體密封的間隙
除特殊情況外，一般氣輪機、燃氣輪機等葉輪機械都采用迷宮式氣體密封。其徑向間隙應根據以下因素選取：軸承間隙，制造公差與裝配誤差，部件的變形（如鑄件收縮和失圓），轉子的撓度，以及通過臨界旋轉頻率時的振幅，熱膨脹以及由此引起的變形等。在多種情況下，熱膨脹的影響Z突出。因此，對啟動與停車時單個部件尺寸的變化，以及部件的相對位移必須預先估算。可用靜態和動態有限元算法出隨時間變化的熱膨脹規律。該機組壓縮機軸密封間隙要求為0.1～0.13mm。
3.3 迷宮密封設計的注意點
總結迷宮密封設計中積累的經驗，歸納起來有下列要點：
（1）盡量使氣流的動能轉化為熱能，而不使余速進入下一個間隙。齒與齒之間應保持適當的距離，或用高-低齒強制改變氣流方向。齒間距一般為5～9mm。
（2）密封齒要做得盡量薄，并帶銳角。齒尖厚度應小于0.5mm，運行中偶爾與軸相碰時，齒尖先磨損而脫離接觸，不致因摩擦出現軸的局部過熱而造成事故。
（3）由于迷宮密封泄漏量大，因此在密封易燃、易爆或有毒氣體時，要注意防止污染環境。采用充氣式迷宮密封，間隙內引入惰性氣體，其壓力稍大于被密封氣體壓力；如果介質不允許混入空氣，則可采用抽氣式迷宮密封。
3.4 密封材料的性能要求
密封材料的性能是保證有效密封的重要因素，選擇密封材料，主要是根據密封元件的工作環境，如使用溫度、工作壓力、所使用的工作介質以及運動方式等。對密封材料的基本要求如下：（1）具有一定的力學性能，如拉伸強度、伸長率等；（2）彈性和硬度適當，壓縮永久變形小；（3）耐高溫和低溫，高溫下不分解、軟化，低溫下不硬化；（4）與工作介質相適應，不產生溶脹、分解、硬化等；（5）耐氧性和耐老化性好，經久耐用；（6）耐磨損，不腐蝕金屬；（7）易于成形加工，價格低廉。
3.5 密封設計及選用的基本要求
機械設備的泄漏，涉及到密封件的設計、生產、使用以及機械本身結構各個環節，如配偶件的設計結構，產品加工、裝配質量等，因此需要運用系統分析的觀點進行綜合分析，找出影響密封的各種因素。對密封設計或選用的基本要求有：（1）在一定的壓力和溫度范圍內具有良好的密封性能；（2）與密封配合面的摩擦阻力小，摩擦系數穩定；（3）磨損小，磨損后在一定程度上能自動補償，使用壽命長；（4）與環境介質及工作介質相適應；（5）結構簡單，拆裝方便，價格低廉。
3.6 密封設計常用的結構措施
（1）均壓：使密封部位內外側的壓力差均衡，如設置適當的通氣窗，在介質通道中加設小型泵送元件，使密封的接觸壓力分布均勻等。
（2）疏導：在零部件上開設回油槽、孔，開設檔油板等，將泄漏的流體引流回油池。
（3）增加流動阻力：如加長泄漏通道或流動路程以增加油液流動阻力。
（4）封堵：應用密封技術封堵界面泄漏通道，例如使用密封件、涂密封膠、塞繞密封帶進行密封，或將不動接合部位的表面焊合、鉚合、壓合、折邊等封死泄漏通道。
（5）液膜阻隔：用提高設備動密封配合面間的精度及控制間隙等類方法，使其中保持有一層適當的潤滑膜，阻止或減少泄漏并潤滑表面。
（6）回流拋甩：采用回流結構密封，或在零件上增設螺旋槽等回流措施以及使用甩油環、甩油槽等將泄漏的油液拋甩回油池。
（7）消振防腐：消除密封部位的振動、沖擊；防止產生腐蝕。
（8）改用潤滑脂或固體潤滑劑等潤滑。
3.7 正確選擇密封件的材質與品種依據
（1）工作條件：如壓力、速度、溫度、對泄漏率的限制、密封件的工作壽命、與潤滑劑的相容性、環境介質（氣溫、氣壓、有無灰塵等）、摩擦狀況、磨損限制等。
（2）配偶件要求：如軸與配合件的幾何尺寸、表面粗糙度、空間尺寸、間隙、偏心量、運動類型、潤滑膜狀況等。
（3）價格要求和經濟性：同時要進行配偶件的相應設計，如安裝密封件的溝槽尺寸與精度、表面粗糙度、軸偏心量、密封件的壓縮率等。
（4）密封件是通用的基礎元件，大多數類型產品的尺寸系列、公差、材質以及安裝溝槽尺寸與公差及其設計計算準則均已標準化，在選用時可根據相應的國家或行業標準選擇。
在密封國產化階段，我們采用高錫巴氏合金代替密封函內復合層，原復合層材料為德國銀，巴氏合金可簡單地分為3種：高錫合金、高鉛合金和中間合金（合金中錫和鉛均占有重要比例）。在所有這些合金系中，銻和銅均作為重要的合金化元素和硬化元素，而且其結構是由硬的、彌散于軟基質中的金屬間化合物組成。
4 密封國產化前后工況對比
為了充分了解軸封國產化前后狀況，查閱了2005年5月同期運行資料，并對比2010年5月運行工況資料，平均了工況參數如表1所示。
表1 平均工況參數表
從表中看來，改后的工藝狀況明顯好于2009年同期，特別是軸封后的軸承溫度明顯下降在5℃左右，可以說，改造是非常成功的。
5 結語
通過對巴陵石化己內酰胺生產使用的進口多級離心式壓縮機軸封狀況剖析，結合大修階段備件庫存狀況，通過大膽實踐，采用國產部件對該壓縮機組一、二、三級軸封實施國產化改造，本文從密封機理、密封材料選用、迷宮式氣體密封的間隙、密封設計及選用的基本要求、密封國產化必要性與可行性、工藝狀況對比多方面論證實施國產化改造的可行性與必要性。科學要有實踐試驗來證明，對該密封的國產化改造，我們只是走出了步，要在設備管理與維修技術方面上臺階，還需要嚴肅認真的工作態度和有效的過程控制。
[參考文獻]
[1] K6601離心式空氣壓縮機組說明書
[2] 徐灝.密封.北京：冶金工業出版社，1998
[3] H 休戈布赫特.工業密封技術.北京：化學工業出版社，1988
5 結語
通過對巴陵石化己內酰胺生產使用的進口多級離心式壓縮機軸封狀況剖析，結合大修階段備件庫存狀況，通過大膽實踐，采用國產部件對該壓縮機組一、二、三級軸封實施國產化改造，本文從密封機理、密封材料選用、迷宮式氣體密封的間隙、密封設計及選用的基本要求、密封國產化必要性與可行性、工藝狀況對比多方面論證實施國產化改造的可行性與必要性。科學要有實踐試驗來證明，對該密封的國產化改造，我們只是走出了步，要在設備管理與維修技術方面上臺階，還需要嚴肅認真的工作態度和有效的過程控制。
[參考文獻]
[1] K6601離心式空氣壓縮機組說明書
[2] 徐灝.密封.北京：冶金工業出版社，1998
[3] H 休戈布赫特.工業密封技術.北京：化學工業出版社，1988
來源：《機電信息》2010年18期
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