超高压压缩机填料密封失效分析及措施 |
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添加时间：2015-4-28 14:13:53 摘抄： |
超高压压缩机填料密封失效分析及措施 1. 概述 某厂高压装置引进荷兰无脉冲管式反应工艺，年生产能力14万t低密度聚乙烯（LDPE），其中超高压压缩机（以下简称K103）是高压装置的核心关键设备，其作用是经两段压缩向反应器提供工作压力220～260MPa的超高压乙烯。为保证对如此高的压力气体进行有效密封，气缸柱塞的密封采用了有多单元密封元件组成的复合密封形式，由油润滑，对柱塞和气缸夹套采用强制循环油冷却。该设备是引进苏尔寿公司制造F8类型2段8缸，即4个一段缸和4个二段缸，采用对置式结构，功率13000KW，吸气压力24.0MPa，排气压力260MPa，设计压力最高可达300MPa。 该压缩机在使用初期气缸填料使用寿命较长，但近几年以来，多次发生柱塞填料损坏故障，气缸柱塞密封填料使用周期比设计寿命显著缩短，严重影响了该装置的安稳长周期运行。通过分析运行跟踪记录发现密封失效主要有：（1）部分填料函颜色发蓝，表面变毛，出现过度磨损，甚至产生裂纹；（2）填料组件的密封环出现磨损严重，偏磨现象，甚至密封环和弹性元件发生断裂、碎裂等情况。因此非常有必要对气缸柱塞填料密封进行较系统的研究和分析，找出密封失效的主要原因，解决这个制约高压装置长周期生产的瓶颈问题。 2. 密封结构与密封原理 2.1 密封结构 K103压缩机柱塞填料（以二段为例）是密封高达260 MPa压力的乙烯气体，其由多级密封元件组成，主要由密封元件、导向环、气体节流环、填料函、热装缸套、注油冷却系统和低压填料等部分。如图1所示，其中 1～5填料函中装填料起密封作用，6中装导向环，7中装节流环，8为缸套。气缸与填料函之间、填料函与填料函之间采用金属与金属的直接接触密封，其密封表面为平面，采用特殊研磨处理，由螺栓提供紧固力。每组密封单元均为耐热、耐压、耐磨的铜锌合金制成的平面填料环密封元件，低压侧三瓣斜口填料环，高压侧为三瓣直口填料环，而两环之间通过定位销确定相互位置，为有效密封，使各切口相互错开一定角度。填料环按一定要求装填在填料函的腔内（见图2所示）。高压气体经过节流降压后将压力减小到0.5MPa，泄漏量在0-50kg/h范围内，从而保证超高压缩机的稳定运行。 压缩机在工作时，气缸内气体压力在100-260 MPa之间频繁波动，但与低压侧始终保持很大的压差，这样在气缸和填料函内由于存在压差就会产生气流，如图2所示。从图中结构可知，气流由高压处向低压处流动有两个通道。第一是沿柱塞表面，第二是填料环与填料函之间的间隙。 2.2 密封原理 在每个密封单元中两填料环都是由弹簧提供径向压力而对柱塞表面产生预紧，填料环与填料函室间充满密封气体，形成第一密封面。在此条件下被密封的气体因不能通过柱塞与填料环的间隙，便进入填料环与环槽即填料函之间的侧隙，并充满背隙空间。侧隙内气体压力使填料环与下一道填料函的密封端面（如图3示）压紧，形成第二密封面。同时背隙中的气体压力作用于填料环的背面，又加强了第一密封面密封效果。第一密封面是填料环起密封作用的关键。如果第一密封面被破坏，填料环与柱塞之间出现间隙，气体就会直接从间隙处流出，那么环背压力就建立不起来，此时，填料环虽然仍然与填料函的端面接触，但此密封面不能起到密封作用。第一密封面是以填料环的弹性元件提供的弹簧力为基础建立的，该力与环背气体压力相比很小，后者是帮助前者加强密封的。如果弹簧的紧力消失，那么填料环与柱塞间就会出现间隙，气体可直接从该处短路泄出，环背压不能建立，此时密封失效。 填料环在理想的工作状态下，即第一密封面与第二密封面均密封良好，这时漏气的通道就只能是环的开口间隙处。气体首先从气缸流经柱塞和填料环的间隙，通过填料环侧隙空间，流入填料环的背隙空间，这时积聚在整个空间内的气体将通过各个开口间隙，沿下一道密封函与柱塞的间隙流出。 由于填料环存在开口泄漏，以及柱塞和气缸、密封环间的间隙，都会造成泄漏，因此利用一道密封环阻止泄漏是不可能的。[1]该设备采用了多道密封单元，组成一个串联节流系统，使气体每通过一道密封环就产生一次节流，先节流后膨胀，当气体从填料函与柱塞间的间隙进入函室过程中，气体先在窄缝中动能增加，压力减小，在进入下级填料函时流束截面突然扩大后，气体在腔内形成强烈的漩涡，大部分动能再转变成热能，总压头下降，泄漏量也随之减少，在超高压力的气体经气体节流环减压后，再经5道填料环密封减压，最终压力由250 MPa降到0.5 MPa左右，泄漏量在0-50kg/h之间，从而达到阻止泄漏的目的。 3. 影响填料使用寿命的主要因素及预防措施 3.1 柱塞密封填料函的密封面 3.1.1 密封面破坏形式 该设备开车以来，在填料函密封面出现的主要问题是密封面表面颜色变深发蓝，密封面表面发生不同程度的破坏，较严重的如因疲劳问题引起的疲劳破坏和疲劳裂纹，如图4所示，密封面发生微振磨损及气体渗透现象（如图5所示）等破环形式。 （1）疲劳损坏现象 高压装置K103压缩机气缸柱塞填料函在工作状态下，要承受着高达260 MPa以上的压力。另外在操作中每完成吸气和排气的一个工作循环，气体压力都将在100-260 MPa之间频繁的波动，而使密封面直接承受一个非常大的脉动压力。这样在每个循环过程中就使填料函密封面产生非常大的交变应力作用，使密封函和气缸产生很大的疲劳应力。 两填料函密封面的配合及受力分析如图6所示，如果在操作过程中两填料函密封面之间的密封力太高，就会使每个密封面上的承压与非承压区域之间不连续的部分承受过高的压力，在轴向上的载荷太大，产生疲劳破坏的危险要大的多。尤其是接触不连续的起点A点附近的接触应力峰值就会很高，该处甚至会变成应力源，容易发生疲劳破坏现象，由此开始产生疲劳裂纹。从图4中所示出现密封失效的填料函破坏点就集中在此处附近。 （2）密封面的微动磨损和气体渗透 磨损区域表面有小凹坑，凹坑有浅有深，还有少量的细小微粒，甚至裂纹，常发生在填料函内径附近或在通油孔近处。其产生的原因是由于当相邻的两填料函的密封面的接触区所承受的密封力太高时，过大的压力将作用在每个填料函的密封面的承压和非承压区域之间的不连续部分，如图6所示部位A附近，由于两结合表面上对应的位置的变形程度一般不一样，以及密封环的降压作用，相邻的填料函所受到的内压力不同，会造成上游填料结合处承受着较大的应力，应力和变形两方面的差异导致密封面的相对运动，随压缩机的吸气与排气，气缸内压力的周期性变化造成相邻的密封面之间就产生滑动和摩擦，由于该处的变形及相对滑动是微米级的[2]，根据文献[3]中对微动磨损的定义及描述条件，可以确定是微动磨损。如图6所示，在锥面区域是易发生微动磨损的区域，在此处局部不易散热，温度容易升高，如果冷却不及时或密封表面有划痕等缺陷，就会造成密封表面在长时间滑动和摩擦后产生微动磨损，表面颜色发生变化，进而发生粘着和磨料磨损，使磨损加剧，最后造成填料函密封面出现点蚀、凹坑甚至裂纹。由于此处是密封面的高压力气体集聚的地方，随着磨损的加剧，密封表面油膜变薄甚至被破坏，随即会发生气体渗透。因此图6中所示的该区域还是气体渗透的重点危险区域，在该区域发生微动磨损和气体渗透时是相互促进的，气体渗透加剧了微动磨损，使填料函密封面上的凹坑、裂纹加大，发展到一定程度就会导致填料函密封失效。 3.1.2 预防措施 为一定程度上消除大的脉动压力及影响，填料函和气缸都采用了热压套的双层结构，该结构可以对承受应力最高的区域施加一个压缩应力，从而消除此处的部分脉动压力，减少相应的疲劳应力。为进一步减缓微动磨损和气体渗透，对于结构不连续处等易产生应力集中的区域，填料函结构上要采用圆角过渡形式。但由于填料函磨损严重，每次检修都要重新研磨，该圆角易被忽视或难以保证。因此，每次检修应采用着色探伤或磁粉探伤等方法对密封表面进行定期检查，发现疲劳破坏或裂痕时应及时修复。在对密封面进行修复和研磨时，经检查在确认无裂纹，按相应标准将棱角倒圆，消除局部应力集中，并保证在安装时密封面与柱塞轴线垂直。 在填料函的维修与修复时，对密封面研磨后应将其剖面形状恢复，保证在安装填料环的一侧配合面上的1。角形状，保证1。角区域的宽度，密封面与1。的角之间的棱一定要进行倒圆，从而有效减小填料函结合面上不连续区域的应力。填料函厚度应保证在允许范围内，有效防止弯曲变形和弯曲应力的破坏。填料函的密封面表面在保证尺寸和形状精度前提下，平面度不大于0.001mm,平行度不大于0.02 mm。 3.2 填料环损坏失效 3.2.1填料环损坏原因 对压缩机填料环损坏原因进行分析后发现,其主要原因有内部润滑、填料环的腐蚀以及低聚物影响等方面。 （1） 油润滑的影响 从填料密封和润滑原理分析，由注油器向填料函输送的高粘度内部润滑油，在正常操作时填料函内各元件和柱塞形成的间隙空间应充满油（如图3所示），在柱塞和填料表面形成油膜，还应很好的附着在滑动表面并且有较高粘度，以便于维持两填料函密封面独立的油膜，并确保油膜的粘附力大于青铜与TC合金的混合摩擦力。有数据表明温度在80℃,压力在150Mpa时油在乙烯中溶解度上升14％（重量百分比）[4]，因此在较高温度和超高压力下，油品质量和油量是影响填料使用寿命的重要因素。 （2） 填料环的腐蚀性问题 对失效的填料环进行检查发现，填料环表面有大小不一的浅坑，越接近内径越明显，还带有细小的裂纹，有明显的应力腐蚀和疲劳腐蚀现象，在高温下的腐蚀现象更严重。 （3） 低聚物的影响 经过查阅更换填料检修现场记录，发现填料函内积聚大量低聚物，填料润滑不良，填料过度磨损，严重时磨断。 经研究和查阅相关资料[4]后发现低聚物在正常运行中对填料和柱塞起到润滑作用，但在停车过程后，没有摩擦热和气体压缩产生热量，填料函中的高压乙烯急剧泄漏发生节流膨胀，在填料函中产生制冷效果，冷冻后的低聚物非常坚硬，在下次开车过程中，坚硬的低聚物粉末颗粒就象研磨剂一样加剧了填料的磨损，从而缩短了填料的使用寿命。 积聚在填料函中的低聚物占据填料函间隙空间，使填料函内部润滑油存量显著减少，润滑效果显著下降；另外还堵塞密封环与密封函的气流通道，使气体只能从柱塞表面高速冲过，将柱塞表面的油带走，形不成所需要的油膜，再一次使柱塞表面和填料的润滑效果变差，从而产生严重的润滑不良，加速密封填料组件的磨损 [5]。 综上多种因素的影响，当填料磨损到一定程度，填料的密封条件被破坏，其密封作用就完全丧失，原来由填料函内气体压力维持密封环抱紧柱塞的作用力消失，径向接触比压和轴向接触比压达不到密封要求，密封环的跟随性效果变差，致使填料环仅完全依靠填料弹簧预紧力维持填料环随柱塞作周期性的往复振动，使弹簧受到周期性的扭力，同时随着气缸的吸、排气过程，造成了失效填料环疲劳断裂，导致填料组件在与柱塞接触时压力增大，磨损加快，最终将填料组件磨断，这就是填料环折断，弹簧断裂的原因。 3.2.2采取的措施 预防填料损坏的措施：为保证柱塞和填料的良好润滑,选择满足要求的润滑油，为尽量降低柱塞与填料的温度，还要保证内部润滑油流量，一般设定油泵满程的 70%以上。检修过程要严格控制有关间隙尺寸，保证装配精度，尤其是填料修复后，一定消除尖角和尖棱，保证过渡圆滑。在工艺生产过程中要求压缩机上游过滤器良好在线运行，合适的操作温度，保证低聚物流动性，增加排低聚物的频次，减少积聚。 4．结论 通过对超高压压缩机气缸柱塞填料的密封结构与密封原理的研究，分析了影响柱塞填料使用寿命的主要因素，并制定了相应的措施和预防办法。上述措施实施后，经过近三年多的生产实践检验，填料函的损坏明显减缓，填料使用寿命已从以前的3个月增加到现在的12个月，最长的一组时间为20个月，压缩机柱塞密封填料使用周期明显延长。 |
