螺杆式盐水机组机械密封泄漏原因分析及改进
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摘 要：针对亚洲硅业（青海）有限公司-20度冷冻盐水螺杆压缩机机械密封经常泄漏问题，分析了其产生原因，提出并采取了相应的改进措施，从根本上解决了机械密封机械密封泄漏的问题，确保了机组长周期安全运行。
关键词：螺杆式冷冻机组 机械密封 泄漏 技术改造
一、引言
亚洲硅业（青海）有限公司2008年6月安装了4台JYSLG25FZ型螺杆式冷冻盐水机组，主要作用是将质量浓度约21%的氯化钙水溶液通过螺杆机组冷却为-20℃，再将-20℃的氯化钙盐水循环打入合成和精馏工序的换热设备，用于生产系统换热设备的制冷剂。自投用以来，螺杆压缩机机械密封曾多次发生油、R22泄漏故障。虽经多次检修，更换新的机械密封部件，但效果甚微。该机械密封频繁故障，不但损耗了大量油和R22，增加了检修费用，而且还给整个生产装置的安全稳定运行带来了很大的隐患。我们通过对造成机械密封泄漏的原因进行分析，提出并采取针对性的改进措施，从根本上解决了机械密封泄漏问题，确保了机组长周期安全运行。
二、机组的结构、及工作原理及工作过程
1.螺杆式制冷式压缩机组包括
螺杆式制冷压缩机、气路系统、油路系统和控制系统，这些设备（除启动柜之外）装在同一公共底座上，构成机组。螺杆式制冷压缩机主要由机体、转子、滑阀、轴封和联轴器五个部分组成。为了机械密封摩擦副端面，机械密封油采用油，由油站供油。
2.工作原理
螺杆式制冷压缩机的机体内装有两只互相啮合的平行转子——阳转子和阴转子。当两转子转动时，两转子的齿部相互插入到对方的齿槽内，随着转子的旋转，插入的长度越来越大，容纳气体槽的容积越来越小，从而达到压缩气体制冷剂的目的。为使压缩机正常工作，需要向压缩机内喷油，向压缩机工作腔喷油，可以起到密封和冷却的作用；轴承、轴封、平衡活塞的工作也需要提供油。
3.工作过程
3.1吸气过程
气体经过吸气孔口分别进入阴阳螺杆的齿间容积，随着两个齿间容积各自不断扩大，当其达到最大值时，齿间容积与吸气孔口断开，吸气过程结束。阳转子每旋转一周，压缩机完成四个吸气、压缩、排气过程。
3.2压缩过程
转子继续回转，“V”型的齿间容积对，因齿的相互侵入，其容积逐渐缩小，从而实现气体的压缩过程。
3.3排气过程
在齿间容积与排气孔口连通后，由于转子回转时容积的不断缩小，将压缩的气体送至排气管。
4.压缩机的主要技术参数为
制冷剂：R22；名义工况：-26/38℃；吸气压力，-0.06～2MPa；进气温度，-10～45℃；排气压力，≤1.5MPa；排气温度，≤70℃；制冷量：920KW;主电机转速，2960r/min；额定功率，500kW;主电机电压，10KV；油压力，-0.12～1.5MPa。
三、机械密封泄漏原因分析
2010年7月，我们对螺杆压缩机进行了解体检查，轴封为机械式密封，机械密封的冷却及均由高压油来完成，进入的油压力比排气压力高0.15～0.30MPa.由于机械密封是在较高的压力区工作，所用摩擦材料具有足够的刚性和强度，静环选用耐压强度较高的碳化硅，动环选用石墨制成，它的弹性模数较大，其密封口端面经研磨和抛光加工，可达较高的光洁度。动、静环密封圈为O型环，材料为氯醇橡胶。经检测，动、静环及密封圈也没有损坏，故机械密封泄漏与其结构、材质选用无关。
为了保证机械密封面的良好贴合，需要保持一定的端面比压；但该端面比压又不能太高或过低，太高会使机械密封磨损加剧，过低又会使密封面开启失效。一般情况下机械密封推荐的端面比压值[1]为:一般介质，0.3～0.6MPa；低粘度介质，0.2～0.4MPa；高粘度介质，0.4～0.7Mpa。
经过计算，螺杆压缩机机械密封密封端面比压为0.35Mpa。因对于粘度大的油端面比压取值在0.4～0.7MPa比较适合，而本压缩机的机械密封实际端面比压值偏小，故在运行过程中，机械密封的密封面可能会开启，失去密封能力，造成油泄漏。故认为机械密封泄漏的主要原因是端面比压太小造成的。
四、改进措施
根据查得，内装内流旋转式平衡型机械密封端面比压计算公式：P b= P t +（k-λ）P1，及K=d22-d02/ d22-d12得知：要增加机械密封端面比压值，提高密封性能的有效途径最有效的方案是增大弹簧比压P t和增加机械密封静环端面载荷系数。要增大弹簧比压需要改动机械密封动环弹簧座，比较不合理，因此在机械密封原结构基础上，其它尺寸不变，增加原静环密封端面的有效面积，是增大载荷系数进而增加端面比压的有效手段。改进前该机械密封结构参数为:机械密封动环密封面外径90mm。静环密封面外径91.2mm，密封面内径81.3mm。
1.扩大静环内径，增大机械密封端面比压
通过对机械密封静环密封面内径进行车削将内经扩大1mm,静环密封端面内径由81.6mm扩大到82.6mm，其它尺寸未变。经计算，机械密封内径车削后的载荷系数K=0.91，λ=0.6，弹簧比压P t选0.2MPa，代入公式P b=P t+（k-λ）P 1计算，机械密封端面比压P b=0.63MPa，螺杆压缩机端机械密封端面比压满足密封油所要求端面比压推荐值0.4～0.7MPa，符合密封要求。
2.校核PV值
为了使机械密封达到长期安全运转的目的，还要求密封副的工作PV值小于许用[PV]值。由于该机组机械密封摩擦副采用的材质为碳石墨—碳化硅，查文献《实用机械密封技术问答》手册可知，该机械密封的许用[PV]值为180MPa·m/s，经计算得机械密封端面平均速度12.56m/s。PV值校核：端面比压与平均速度的乘积(端面比压出口端的P为1.5 MP)，计算得到PV值为18.84MPa.m/s。
由上述计算结果可知，端面比压与平均速度的乘积在许用的[PV]值区间内，符合要求。
五、改进后的运行效果
自2010年7月，对螺杆压缩机的机械密封的静环进行车削改进投用后，机械密封效果良好无泄漏，投入运行后运转至今，运转状况良好，保证了压缩机安全运行，累计正常运行时间超过2年，至今未发生泄漏，密封效果非常好。仅配件和安装方面的经济效益就非常著。这种方法对解决工况相似的设备泄漏问题，有一定的参考价值。
参考文献
[1]张本新.离心泵的气蚀现象[J].化学工程与装备.2009年06期 .
[2]李颖芝.基于抗冲蚀性的实用新型渣浆泵设计[J].硅谷;2009年14期 .