包磊磊，陈 明，孙 星

(兖矿鲁南化工有限公司，山东 滕州 277527)

兖矿鲁南化工有限公司一氧化碳离心压缩机(GT040-T5D1)由德国阿特拉斯·科普柯进口压缩机生产制造。PSA装置生产出来的98%CO气体要经过压缩机加压后送入醋酸工序。压缩机计划检修中，干气密封拆检中发现内部有少量水渍，严重影响了干气密封件的使用寿命。

1 存在的问题

一氧化碳离心压缩机(GT 040-T5D1)的主机由五段缸组成。压缩机与电机由膜片联轴器联接，压缩机各段缸在变速箱内通过各分齿轮与主轴主齿轮啮合进行提速，整台机组采用联合油站供油润滑，且主油泵是通过主轴上的齿轮带动运行，压缩机的轴端密封采用干气密封，原动机采用西门子三相异步电动机。

根据近几年干气密封检修更换情况，其使用寿命约2 a，达不到长周期运行要求，更换频繁，尤其维修更换费用昂贵，增加停机检修次数。针对这些问题，设备服务商对压缩机干气密封件进行了检修和改造升级，并对密封气进行净化，延长了干气密封件的使用寿命。

2 技术改造方法

2.1 优化干气密封部件结构

干气密封是一种先进的非接触式机械密封，是现阶段较为常见且优秀的密封形式[1]。干气密封是一种流体动压型非接触式机械密封，具有无磨损、功耗小、结构简单、泄漏小等特点。由于干气密封属于机械密封表面开浅槽技术，因此密封端面开槽的槽形选择一直是干气密封研究的对象，以提升干气密封使用寿命[2]。

原厂干气密封采用Burgmann压缩机干气密封，其摩擦副一贯采用硬对硬设计，即动环采用无压烧结碳化硅SSiC，静环采用表面喷涂DLC特殊涂层的无压烧结碳化硅。采用硬对硬设计优点为：材料的弹性模量大，密封环在高压下的变形小，尺寸稳定。但存在的问题为：密封对密封气体的品质要求非常高，不能含有任何固体颗粒和液体微团。若密封气体品质变差或有固体颗粒和液体微团浸入，则容易引起静环副密封卡滞导致密封失效，甚至密封环破裂，加剧密封环的磨损。此时由于局部过热、高温，可能会引起密封环破裂。

从压缩机出口来的气体，经主密封气过滤器过滤，如果过滤质量不高，就可能会造成上述情况，或者进入密封腔的气体流量偏小，这样即使机内迷宫的间隙没发生变化，通过机内迷宫的气体流速就偏小，不足以防止机内未经过滤的脏的气体扩散到一级密封腔，污染一级密封[3]。此外，随着时间的增长，机内迷宫由于磨损与轴的径向间隙变大，这样即使进入密封腔的气体流量不变，其通过机内迷宫的流速也要变小，导致其防止机内脏气体的扩散能力减小，也可能引起密封的失效。

John Crane压缩机干气密封设计的指导思想与Burgmann不同。在20 MPa以下，即其产品28AT、28XP密封摩擦副都是采用一硬一软配对设计的方案，即动环采用碳化物或碳化硅，静环采用经特殊工艺处理的高性能浸金属碳石墨[4]。这样设计的好处在于，既能满足高压(20 MPa以内)下密封环变形控制的要求，又具有良好的自润滑性，大大提高了密封在异常工况下出现失效甚至密封环破碎的可能性。

综合考虑工况等因素，改造采用的高压干气密封设计(密封压力小于20 MPa)就是根据John Crane的思想，静环采用进口高性能浸锑碳石墨，经特殊工艺处理，以提高密封在启动和停车阶段的自润滑性能，提高其稳定性[5]。本公司自行设计、加工的高压干气密封SC01X，试验室最大动态压力达到18 MPa、静态20 MPa，多次试验的重复性很好。

根据现有压缩机的工况(150 kPa(G)、CO：98.5%、CO2：0.16%、H2：0.5%、N2：0.14%)，原压缩机硬环端面槽形选择为单向槽，使用寿命约1 a，寿命短，消耗过快。分析压缩机干气密封不同槽型的优缺点，提升干气密封的使用寿命，如图1所示。

图1 单向槽结构

表1所示为单向槽与双向槽的特征对比，从表中可以看出，双向槽端面结构具有抗反压功能，即使密封气压力下降或中断供气，内侧密封不会造成密封大量泄漏，反压时，工艺介质压力作用在补偿环上，使补偿环和非补偿环保持紧密贴合，不会打开[6]。因此公司决定更换密封端面槽型，改为双向槽。密封摩擦副经过专用有限元分析软件优化设计，理论计算结果与试验台试验结果非常接近[7]。

图2 双向槽结构

运行参数单向槽双向槽反向运转仅能短期反向运转适合所有操作速度间隙/μm3～102～8无压启离速度/(m·s-1)0.61.2静止时的启离压力/MPa≥0.6≥0.6

石墨环采用国外进口的高级抗起泡石墨，密封环力变形、热变形小[8]。干气密封经过严格的动、静态性能台架测试，完全符合现场的转速、压力等工况参数，质量可靠[9]。

2.2 干气密封入口增加旋风气水分离器

在C1201干气密封气入口处增加一个旋风分离器，以分离干气密封气中的液态水。焊接时用氩弧焊打底，安装时保证管道内部清洁。实施情况如图3和图4所示。

图3 旋风气水分离器配管示意

图4 旋风气水分离器现场安装实景

3 改造实施效果

干气密封改造由国产厂家实施，投入运行后，运行3 a至今一直未更换，延长了使用寿命，使用情况良好，达到了改造效果。保证了设备的长周期运行，达到了化工生产系统连续运行的要求。

公司原备件为进口，费用昂贵，改造后备件实现国产化，费用降低70%(见表2)，大幅降低费用。重要的是，供货周期由48周大幅降低到3个月内，保证了备件的时效性，为设备的长期稳定运行做好了保障。

表2 备件国产化改造前后费用对照

干气密封入口增加旋风气水分离器后，压缩机运行情况良好，有效解决了干气密封中带水的问题。定期排出气水分离器中的水，防止带入干气密封系统中，避免了对干气密封的损坏，保证达到了干气密封的正常使用要求，为设备的长周期运行提供了有效保障。

4 结 语

离心式压缩机干气密封系统技术改造，经过严谨的计算，多次的实验验证。对干气密封的结构优化改造，将密封槽结构由单向槽改为双向槽，更符合工况要求。进一步对干气密封系统的除水净化改造，经过国产备件的试用、调试，逐步实施改造，现运行指标优良，完全满足了长周期运行要求。更重要的是，进行备件国产化，在延长使用寿命的同时，大幅降低维修费用，经济效益可观。

离心式压缩机干气密封系统综合技术改造使设备运行周期大幅延长，经过实践验证，效果好，杜绝了非计划停机，效益非常明显。成功的改造经验，可以推广应用到阿特拉斯等离心式压缩机长周期运行维护方面以及整个化工行业，推广价值大。通过不断探究，相信我国的干气密封技术日益成熟，在各个领域、各个行业也必将发挥重要的作用。