压缩机密封

上游泵送机械密封在螺杆压缩机上的开发应用

郝木明’孟宪彬，

（Ｉ．石油大学（华东）山东东营市２５７０６１； ２．齐鲁石化公司橡胶厂山东淄博２５５４００

摘要：针对丁二烯螺杆压缩机原用轴封存在密封介质泄漏严重、使用寿命短等问题，开发出油膜润滑上游泵

送机械密封并成功应用在该机上，可有助于解决国内引进的同类机组密封泄漏问题

关键词：螺杆压缩机接触式机械密封上游泵送机械密封泄漏 丁日４ｓ＾

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕｐｓｔｒｅａｍ　Ｐｕｍｐｉｎｇ　Ｓｅａｌ

ｆｏｒ　Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ　Ｓｃｒｅｗ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ

Ｈａｏ　Ｍｕｍｉｎｇ］Ｍｅｎｇ　Ｘｉａｎｂｉｎ　ｒ

（　１．　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，　Ｄｏｎｇｙｉｎｇ　２５７０６１　，　Ｃｈｉｎａ； ２．　Ｒｕｂｂｅｒ　Ｆａｃｔｏｒｙ，　Ｑｉｌｕ　Ｐｅｔｒｏ－Ｃｈｅｍ．　Ｃｏ．，Ｚｉｂｏ

Ａｂｓｔｒａｃｔ；　Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｆａｃｅ　ｓｅａｌ　ｕｓｅｄ

ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，　ｔｈｅ　ｕｐｓｔｒｅａｍ　ｐｕｍｐｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｅａｌ　ｆｏｒ　ｓｃｒｅｗ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ａｎｄ　ｕｓｅｄ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．　Ｉｔ　ｉｓ

ｔｈｅ　ｌｅａｋａｇｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｓｅｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ；　Ｓｃｒｅｗ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ Ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｅａｌ Ｕ脚ｔｒｅｅ口Ｐｏ口ｐｉｎｇ　Ｓｅａｌ Ｌｅａｋａｇｅ２５５４００，　Ｃｈｉｎａ）

ｏｎ　ｂｕｔａｄｉｅｎｅ　ｓｃｒｅｗａｖａｉｌａｂｌｅ　ｔｏ　ｒｅｓｏｌｖｅ

齐鲁石化公司橡胶厂二抽提装置中的丁二烯压缩

机为从英国Ｈｏｗｄｅｎ公司进口的两段四轴双螺杆压缩

机，其工作参数为：输送介质：丁二烯（含ＤＭＦ溶

剂，即二甲基甲酞胺）；介质压力一段为。．３５ＭＰａ，

二段为０．　５ＭＰａ；介质温度ｔ　＜　９０９Ｃ；转速ｎ二３３０ｒ／

ｍｉｎ；润滑油一段压力为０．　１５ＭＰａ，二段压力为

０．　３５ＭＰａ，温度控制在４０℃左右。

该机每段各配有随机进口同规格的接触式机械密

封４套，两段共采用８套接触式机械密封。自２０００

年１０月份投人使用以来，因机械密封泄漏严重而年

停机三次，每次都不得不使工艺装置停止生产超过

７ｄ。一方面，机械密封为进口备件，价格昂贵；更严

重的是因停机更换密封而使装置停产所造成的经济损

失巨大。为此，对现有机械密封进行技术改造，彻底

扭转生产的被动局面，已成为橡胶厂一重大技术攻关

课题。

在对原有密封结构及系统进行全面调研分析的基

础上，研制开发出具有密封性能优良、使用寿命长、

抗干扰能力强、工作状态稳定可靠、经济效益明显的

新型非接触式上游泵送机械密封，通过大量的实验研

究工作加以验证，并成功应用在螺杆压缩机上。

１原轴封泄翻分析

丁二烯螺杆压缩机一、二段轴封如图１所示，为

普通的多弹簧、静止接触式机械密封结构，只是结构

尺寸不同。机械密封产生泄漏的主要原因有：

（１）密封静环０形圈产生裂纹导致泄漏

螺杆压缩机自２００１）年１０月份开始运行，起初并

未发现封油泄漏，但随着时间的持续，轴封开始出现泄漏并不断增加。压缩机运行至２００１年３月份时，

两段轴封的泄漏量已超过ＩＯＯＬｄ，不得不停机检修。

更换机封时发现其零部件基本完好，只有静环０形

圈６靠近工艺气体侧沿周向产生均布的纵向裂纹，分

析原因是由于０形圈材料为氟橡胶，工艺介质中含

有渗透力很强的ＤＭＦ溶剂，在其作用下０形圈发生

溶涨而产生裂纹，断定泄漏由此产生。选取由多种材

料制作的０形圈分别在含有ＤＭＦ溶剂的丁二烯中进

行浸泡，发现只有全氟醚橡胶制作的０形圈不会出

现裂纹。于是，在所有的密封静环上选用全氟醚橡胶

０形圈，并更换上新的机封。

（２）摩擦副端面磨损产生的泄漏

第三次更换轴封以后，密切观察机封泄漏量的变

化，从密封的运行情况来看，其密封效果并没有改

善，使用不到两个月泄漏量便增加至８０Ｕｄ。其间因

意外停电而停机，发现静止状态下机封并没有出现泄

漏，而一运行起来后就出现明显的泄漏，断定密封泄

漏的主要部位应在动静环端面摩擦副，而非其它部

位。

观察更换下来的密封静环，发现磨损主要集中在

靠近内径的局部区域，并且因局部端面过热导致石墨

环端面出现“泡疤”现象，有的“泡疤”已径向贯

穿接触区域，必然造成密封泄漏严重。特别是一段密

封，由于力热变形致使动静环端面仅在靠近内径侧接

触，实际接触压力远大于名义接触压力，摩擦磨损严

重。虽然该压缩机的旋转速度并不高，但因一段轴封

直径大而线速度高（端面的平均线速度已超过３５ｍ／

，），接触区域的温升较大，产生“泡疤”的可能性

２００３年第６期

万方数据大大增加。另外，对压缩机用机械密封的加工质量、

安装维护、辅助控制系统等方面提出了相当高的技术

要求，若不能满足相应的技术要求，压缩机用接触式

机械密封发生磨损失效的概率要大大高于泵用机械密

封。 为了验证密封结构设计的合理性以及密封的工作

性能，又专门设计了如图３所示的动态实验双端面密

封结构，并在石油大学机电学院流体机械与动密封研

究室的高速实验测试装置上进行了反复的性能研究，

以确保其工业应用的可靠性和稳定性。

因为二段密封的工况条件比一段的要苛刻，故在

试验过程中，以二段密封作为研究对象。如图３所

示，密封腔内装有两套机械密封，右侧为普通的接触

式机械密封，左侧为上游泵送机械密封，对两者进行

对比性试验研究。？

｜

｜

｜

｜Ｊ

图３动态实验装置结构示意图

（１）普通接触式机械密封性能

密封摩擦副为Ｓｉｃ对Ｃ石墨，实验压力为

０．　３５ＭＰａ，转速为３３００ｒ／ｍｉｎ，在实验时间的８ｈ内，

其泄漏量由２４ｍｌ／ｈ上升至３６ｍＶｈ，期间共开停Ｉ１次

（图４）　０

￣且．一－．祀（月闷．一翻．赵 ｔ．动环座２动环３动环Ｏ形圈４．静环 ５隔环６静环Ｏ形圈７．０形圈挡圈８推

环９．弹簧 图１压缩机用接触式机械密封结构

２上游泵送密封设计

上游泵送机械密封可以实现密封端面的非接触，

且端面温升明显低于接触式机械密封，出现“泡疤”

的概率大大减少。另外，上游泵送机械密封具有优良

的抗外界干扰能力，即使出现突发性停车事故亦能保

持其密封性能。

根据螺杆压缩机轴封的工况条件，参照保证密封

稳定性的最大流体膜刚度优化结果［３１以及零泄漏上

游泵送机械密封的设计程序『５１，优化设计出压缩机

一、二段用上游泵送机械密封端面结构尺寸。动环端

面结构见图２，为中间开槽的上游泵送密封。有一位

于上游侧狭窄的环形沟槽把各螺旋槽连通，使端面膜

压均匀化并提高密封工作的稳定性。

一段密封：密封面内

径为Ｄ二１８１　ｍｍ，外径为

Ｄ。二１９１　ｍｍ，端面宽度为

５　ｍｍ，平衡直径为Ｄ，＝

１８５ｍｍ，平衡系数为

０．６０６５，弹簧压力为

０．　ｌｏｍｐａ，端面螺旋槽有

关结构参数为：螺旋槽内０ ２ ４‘吕１０ 时间（ｂ）４０， ６０ａｔ　ｒａ　（ｈ）助１此

图４接触式机械密封泄图５ Ｓｉｃ　－Ｃ摩擦副上游

漏量随时间的变化泵送密封泄漏量随

趋势时间的变化趋势

（２）上游泵送机械密封性能

（勇．】－．赵径为Ｄ；　＝　１８３．　１５ｍｍ，外图２上游泵送密封端面

径为Ｄ， ＝１８８．　９ｍｍ，槽数密封结构

为９０，密封的设计压力

为０．　３　ＭＰａ；二段密封：密封面内径为Ｄ． ＝

１１８．　５ｍｍ，外径为Ｄ。二１２６．　５　ｍｍ，端面宽度为４ｍｍ，

平衡直径为从二１２１　ｍｍ，平衡系数为０．６９５，弹簧压

力为０．　１２ＭＰａｏ端面螺旋槽有关结构参数为：螺旋槽

内径为Ｄ‘二１１９．　８５ｍｍ，外径为凡二１２４．　９ｍｍ，槽数

为９０，密封的设计压力为０．　６５ＭＰａａ

３密封性能研究

７４ 对Ｓｉｃ一ｃ摩擦副上

游泵送机械密封进行考核

试验：试验条件为：密封

压力０．　４２ＭＰａ，密封腔温

度在５０一６０℃范围内变

化，测得泄漏量均小于

０．４ｍＶｈ。其间，开停次

数达１８次之多，累积试验

时间为９７ｈ（见图５）。

进而对Ｓｉｃ一ｓｉｃ摩擦

副上游泵送机械密封考核

试验：密封压力０．　５５ＭＰａ，时间伍）

图６　Ｓｉｃ一ｓｉｃ摩擦副上游

泵送密封泄漏量随时

间的变化趋势

密封腔温度在５９－６０℃范

（润滑与密封》

万方数据围内变化，实验时间为３５ｈ，开停次数为５次，测得

泄漏量逐渐由１　ｍｌ／ｈ下降至０．　５ｍｌ／ｈ（见图６）。由此

可见：

１）无论在任何工况条件下，研制开发的新型非

接触式上游泵送机械密封性能在密封性能方面远远优

于普通的接触式机械密封。

２）在变工况条件下，新型非接触式上游泵送机械

密封性能的工作稳定性大大提高，抗干扰能力增强。

３）另外，通过实验装置运行状态下的功率消耗

来看，新型非接触式上游泵送机械密封比普通的接触

式机械密封要小

４工业应用

在丁二烯螺杆压缩机上采用研制开发的上游泵送

机械密封，无需对压缩机原密封部位尺寸作任何变

动，对机组封油调节控制系统也不作任何更改，只需

把原接触式机械密封代以新型的非接触式上游泵送密

封即可。对上游泵送机械密封辅助系统的基本要求：

封油洁净（过滤精度达５Ｋｍ以下）、封油控制系统稳

定可靠，保证其流量特别是压力的基本稳定。

研制的上游泵送机械密封于２００２年４月在检修

期间安装到压缩机上，并一次性试车成功。密封已平

稳运行至今，期间虽经历了数次停车，但８套密封的

总泄漏量不超过３Ｌｄ。研究结果充分证实了上游泵

送机械密封具有大大降低泄漏量、工作状态稳定可靠等优势。在螺杆压缩机上使用性能优良的非接触式上

游泵送密封，不仅可以基本解决存在的密封介质泄漏

严重、使用寿命短、严重影响工艺生产等缺陷，而

且，可以保证机组的长周期安全运行，已产生直接经

济效益数百万元。

５结论

（１）工业应用结果表明，开发的新型上游泵送

机械密封可实现密封介质的低微泄漏，而且，工作状

态非常稳定可靠，完全可以适用于国内引进的同类机

组。

（２）螺杆压缩机轴封的成功改造，从根本上解

决了制约生产装置长周期运行的技术瓶颈，并产生了

相当可观的经济效益和社会效益

参考文献［１〕蜘，毛ｕｂｒｉｃａｔｅｄ　Ｓｅａｌｉｎｇ－ｔｈｅ　Ｎｅｗ　Ｆａｃｅ　ｏｆ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｗｏｒｌｄ　Ｐｕｍｐｓ，　Ｆｅｂ．　１９９８，　４９　－５２．［２了Ｔｏｍ　Ｌａｉ． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ，　Ｎｏｎ－ｌｅａｋｉｎｇ　Ｓｐｉｒａｌ Ｇｒｏｏｖｅ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｆａｃｅ　Ｓｅａｌｓ．　Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　１９９４，　５０ （８）；　６２５－６３１．［３１　Ｍｕｉｊｄｅｒｍａｎ　Ｅ　Ａ．　Ｓｐｉｒａｌ　Ｇｒｏｏｖｅ　Ｂｅａｒｉｎｇｓ．　Ｐｈｉｌｉｐｓ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ

Ｌｉｂｒａｒｙ，　ｔｈｅ　Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，　１９６６．［４１郝木明，胡丹梅等．上游泵送机械密封的研究开发及应用．

流体机械，２００１，　２９　（２）［５１郝木明，胡丹梅等零泄漏上游泵送机械密封的性能分析及 设计．化工机械２００３．门、．

（上接第７２页）

轴承箱内的向心推力轴承和密封箱内的钢背复合