超高压压缩机填料密封失效分析及改进措施
概述：
茂名石化公司化工分部1＃高压聚乙烯装置C－4202二次压缩机是1＃高压装置的核心关键设备，是由意大利新比隆公司（NUOVO PIGNONE）设计制造。机组型号：8PK/2，设计压力269Mpa，属于超高压压缩机。机组由四个一段缸和四个二段缸组成，共八个气缸。分两段压缩，采用对置式结构。主要参数表1：
表1 机组主要参数
参数 设计值
介质 乙烯 排气量 kg/n 57659 电机功率 KW 10200 转速 r/min 214 一段入口温度 ℃ 40.6 一段出口温度 ℃ 99 二段入口温度 ℃ 38.9 二段出口温度 ℃ 78 一段吸气压力 MPa 24.24 一段排气压力 MPa 120 二段吸气压力 MPa 110 二段排气压力 MPa 250 该机组1996年8月投产，投产初期，二级气缸填料盘经常出现环向开裂，导致填料密封失效，后经专家系统和全面的分析研究并在实际中实践,填料盘开裂现象得到扼制.但由于填料盘磨损快,密封失效也经常发生,据统计2000到2004年因机组密封失效停车抢修次数就达到50次,平均每年达10次之多,给装置安、稳、长、满、优生产带来很大的影响。
1机组气缸的基本结构和填料密封结构及密封原理
1.1机组气缸的基本结构
如图－1所示(以二段为例)，由气缸座、气缸外套、气缸、填料函、气缸头、组合阀、气阀压盖等到组成.填料盘与气缸，气缸与吸排气组合阀之间的密封全
0 部采用金属与金属直接接触密封，其密封面为平面，表面采用特殊研磨处理，确保密封可靠，其压紧力由六条螺栓经液压拉伸紧固。
图1 机组气缸的基本结构
1.2 密封结构
如图2所示，从低压侧到高压侧中由0－8号盘共9个填料盘组成，其中8号盘内装节流环，7号盘内装导向环，6号—1号盘内装为三瓣直口密封环和三瓣斜口密封环。节流环、导向环、三瓣直口密封环、三瓣斜口密封环，均为耐热、耐压、耐磨的铜合金制成。1—6号盘中低压则为三瓣斜口填料环，高压侧为三瓣直口填料环。为使各切口相互错开一定的角度，两环之间通过定位销确定各自的位置。同时由于填料环是铜合金与柱塞之间有往复运动，需加注润滑油进行润滑，所以填料盘开有润滑油孔,注入润滑油润滑。为带走填料环和柱塞往复运动而产生的摩擦热，在填料盘的外部还设置了冷却系统进行冷却，避免填料环柱塞的温度升高。
图2 密封结构
1 1.3 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压紧，形成第二密封面，如图3所示。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。
图3 密封原理
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。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， 2 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。 2 密封失效的主要因素
2.1填料盘密封面失效的主要因素
我们知道平面填料的密封有五处：(1)填料盘与填料盘接触面；(2)填料盘与气缸的接触面； (3)主副密封圈的内圆面与柱塞的外表面的接触面 ； (4) 主密封圈切口之间的接触面；(5)副密封圈与主密封圈与填料盘之间的接触面。从失效密封拆卸发现，五个接触面都有不同程度的损伤。主要是气缸密封面及填料盘密封面，特别是高压端的
4、
5、6号填料盘，表面出现气蚀斑点、结焦，表面颜色发蓝，有很明显介质冲刷痕迹，甚至有的产生裂纹，碎裂。经认真分析研究认为填料盘气缸面的损伤主要是疲劳损坏、微动磨损和气体渗透所产生。
1）压缩机气缸、填料盘在柱塞往返工作状态下，要承受着高达250MPa以上的压力，每完成吸气和排气的一个过程，气体压力都将在110MPa－250MPa之间频繁波动，从而使密封面承受一个非常大的脉动压力。这样在每个循环过程中就使气缸、填料盘密封面产生非常大的交变压力作用下；填料盘密封面可能产生细微的裂纹，随着时间的延长裂纹逐步扩展、长大，形成宏观裂纹，最终贯穿填料盘，造成填料盘开裂，如图4所示。
图4 填料盘
2）由于相邻填料盘之间的密封函压差大,填料盘密封面工作时由于应力不同而产生滑动,产生微动磨损.如图－4所示：相邻二块填料盘之间由于有填料的节流,填料盘内圈承受的压力是不同的,特别是在压力较高的情况下,相邻二块填料 3 盘的压差就变得很大。因此，相邻二块填料盘由于内压而产生的变形就相差很大。而压缩机工作时，气体的压力是周期性波动的，所以填料盘的内压也将产生周期性波动，其径向变形也随压力的波动而变化。由于相邻二填料盘在压缩机吸气和排气时因内压而产生的变形之差不一样。所以，二填料盘就会在接触面处产生径向滑动，从而引起微动磨损。
由于以上气缸、填料盘密封面脉动引起的交变应力作用及填料盘之间压差大产生的径向滑移产生的微动而引起的磨损，而使气缸、填料盘密封面产生疲劳。加上填料盘密封室是气体聚集的地方，气体随着密封面磨损的微小间隙渗透进去，并发展到一定的程度，气体就贯穿整个密封面，导致填料盘的密封失效。 2.2填料密封环损坏失效
经过对填料环的拆检，发现有的填料函结满一层厚硬的低聚物及焦垢，填料环磨损严重，有的产生疲劳裂纹、碎裂、结焦，干磨的现象，如图5所示, 经分析是缺少润滑油，润滑效果不好和填料环的应力腐蚀及低聚物的积聚引起，导致料环的磨损。
图5 断裂的填料环
1）润滑油的影响。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充满油，在柱塞和填料表面形成油膜，同时还应很好地附在滑动表面并且有较高的粘度，以便于维护两填料函密封面独立的油膜。所以油量要充足，以保证各元件能形成油膜。经细致检查发现有的两个填料盘间注入油孔有错位现象，如图6所示。
图6 两个填料盘间注入油孔有错位现象
2）填料腐蚀问题。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沆，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。经分析这种现象为脱锡腐蚀，腐蚀产生黑色的沉积体积聚在填料环上，表面形成许许多多的凹坑处产生集中应力。在压缩压力的作用下，造成填料环由于强度不足而发生断裂。
3）低聚物的影响。填料函内积聚大量低聚物。在停车过程中若压力下降快，造成填料函中的高压乙烯急剧泄漏而发生节流膨胀。在填料函中产生制冷效果，冷冻后的低聚物非常坚硬。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显著减少，润滑效果下降。低聚物还堵塞填料环与密封函的气体通道，使气体只能从柱塞表面高速冲过，将柱塞表面的油带走，形不成所需的油膜，加速了密封组件的磨损。 3 预防及改进措施
1）检修时对填料盘进行着色探伤或磁粉探伤等方法对密封面进行定期检查，发现疲劳破坏或裂痕时应及时修复；
2）在密封面进行研磨修复时，要保证密封面的表面尺寸和形状精度，要求平面度误差不大于0.001mm，平行度误差不大于0.02mm，安装时密封面与柱塞轴线相互垂直；
3）选择满足技术要求的润滑油，将原来矿物油更改为具有粘—温特性好、无毒、乙烯熔解度小、粘压性良好的聚乙二醇合成润滑油；
4）保证内部润滑油所需的流量。检修时对注油孔错位现象，采取在两填料盘注油孔接合处倒角处理，如图7所示；
5 5）检修过程严格控制相关间隙尺寸，保证装配精度，填料修复时要消除棱角，保证过渡圆滑；
6）在工艺生产过程中，要求上游过滤器、高压分离器应控制在合适的操作温度。增加排低聚物的频次，减少低聚物积聚；
7）确保操作平稳，防止压缩机的压力突然升高而造成对压缩机填料密封的破坏。
8）在检修填料密封时，一定要认真检查油封。同时也要检修中心组合阀和出入口阀，以免出入口阀的泄漏而造成机组不必要的停机。
图7 改造后的注油孔
4 检修时的注意事项
1）认真按照检修规程进行操作，拆卸及组装填料密封和中心阀时，做到文明施工，一定要用专用工具进行施工；
2）对拆御下来的柱塞一定要注意保护。因为一段柱塞是表面覆加碳化钨，二段柱塞全部是碳化钨制作而成，对酸性腐蚀特别敏感。所以在各种情况下手都不能直接接触柱塞的表面。拆下来后应包裹好放在专用木盒里；
3）注意检修质量，各间隙一定要符合需求。对各密封面的平面度、平行度、垂直度、粗糙度达不到要求时，绝不能回装，表面不应有缺陷；
4）注意清洁，保证各密封面的干净。气缸填料盘安装时表面一定要用酒精清擦拭干净，再用压缩风吹干才能组装；
5）认真检查各油路的畅通，注油孔不得堵塞、有杂物。填料盘及气缸要确保对正、不能错位，0#盘必须入销定位；
6）注意检查各0型圈，在许可的情况下尽量每次更换；0型密封圈回装要
6 抹上凡士林润滑，防止切边；
7）液压紧固螺母时要分二次进行，第一次打压在要求压力的四分之一左右，第二次打压至要求的压力，确保紧固螺栓紧力符合要求。 5 结论
通过对C－4202超高压压缩机的填料盘磨损及影响填料密封使用寿命短的问题，进行系统的分析研究，提出了解决对策，采取了一系列措施进行改进，收到了很好的效果，大大降低了填料盘和填料密封磨损频率。填料盘开裂现象近三年来没有再发生，使用周期已明显延长。现在二段缸一般都能使用一年多，有的已达到二年多时间。一段缸使用时间更长。下面是10年以来维修次数的统计图。
参考文献
1.倪继军超高压压缩机填料盘的微动磨损〔J〕.广西机械，2003.（6），43～48； 2.茂名乙烯工程建设指挥部，高压聚乙烯车间C24202指导说明书[Z]1995； 3.王璠瑜 主编：《化工机器》，中国石化出版社。
