Вставки лабиринтного уплотнения из углеродного графита для центробежных компрессоров: компрессор газового крекинга H₂/CH₄/C₂H₄ при 120℃/2,5 MPa

Центробежные компрессоры являются основным вращающимся оборудованием в нефтехимической, газоперерабатывающей и других отраслях. Лабиринтные уплотнения (также известные как уплотнения типа гребенки) — наиболее часто используемые бесконтактные уплотнения для межступенчатых и торцевых применений в компрессорах. Принцип работы заключается в создании дросселирующего перепада давления через микрозазор между многоступенчатыми дросселирующими зубьями и ротором, что последовательно расходует кинетическую энергию газа и снижает утечку. Однако традиционные зубья лабиринта из алюминиевого сплава и латуни склонны к жесткому трению при вибрации ротора и несоосности, что приводит к быстрому износу зубьев, быстрому увеличению зазора лабиринта и экспоненциальному росту утечки. Основываясь на опыте применения Huahao Sealing из Huoqiu County на нескольких крупных центробежных компрессорах, таких как компрессоры газов этиленового крекинга и компрессоры впрыска природного газа, в этой статье представлены ключевые моменты выбора лабиринтных уплотнений с вставками из углеродного графита.

1. Характеристики эксплуатации

1.1 Типичные параметры компрессора газового крекинга

• Среда: газ крекинга (H₂ 28-32%, CH₄ 18-22%, C₂H₄ 22-28%, C₃+ 10-15%, CO 2-4%, следы H₂S и влаги)
• Диапазон давления: межступенчатое 0,3-1,2 МПа, выходное 2,5 МПа
• Диапазон температур: на входе первой ступени 38-45℃, на выходе четвертой ступени 110-125℃
• Скорость: 6800-8500 об/мин (привод с увеличением скорости через редуктор)
• Вибрация вала: нормальная 25-40 мкм, при прохождении критической скорости 60-85 мкм (значение тревоги API 617 — 90 мкм, значение отключения — 120 мкм)

1.2 Анализ режимов отказа

Статистика отказов традиционных алюминиевых/латунных лабиринтных зубьев:

1.Износ от трения (65%): Вибрация вала увеличивается (> 60 мкм) при прохождении ротора критической скорости или при резкой нагрузке, происходит жесткое трение между зубьями и втулкой. Алюминиевые зубья (HB 95) трутся о хромированную втулку (HV 900), что подобно «яйцу, бьющемуся о камень», высота зуба изнашивается на 0,1-0,2 мм за один проход критической скорости, зазор лабиринта удваивается каждые 3-4 месяца.

2.Коррозия газом (20%): Следы H₂S (30-200 ppm) и влага в газе крекинга конденсируются в водный раствор H₂S в низкотемпературной зоне, латунные зубья (Cu-Zn) подвергаются дезцинковочной коррозии, снижается прочность зубьев и появляются хрупкие трещины.

3.Термическая деформация (10%): В зоне высокой температуры (> 100℃) коэффициент теплового расширения алюминиевых зубьев (23×10⁻⁶/℃) значительно больше, чем у корпуса из углеродистой стали (12×10⁻⁶/℃), проектный зазор «съедается», и возникает непрерывное трение.

4.Неравномерный монтажный зазор (5%): Ручное измерение щупом зазора каждого зуба имеет погрешность ±0,05 мм, слишком маленький локальный зазор зуба приводит к раннему трению.

2. Выбор материала вставки из углеродного графита

2.1 Сравнение преимуществ углеродного графита

| Свойство | Алюминий 6061-T6 | Латунь H62 | Нержавеющая сталь 316L | Графит с бронзовой пропиткой |

|----------|------------------|------------|------------------------|----------------------------------|

| Твердость | HB 95 | HB 85 | HB 187 | HS 80 (≈ HB 120) |

| Повреждение при трении | Износ зубьев алюминия | Износ зубьев латуни | Сталь повреждает втулку! | Изнашивается графит, втулка сохраняется |

| Коррозионная стойкость к H₂S | Средняя (питтинг) | Низкая (дезцинковка) | Хорошая | Отличная (графит не корродирует от H₂S) |

| Коэффициент теплового расширения | 23×10⁻⁶ | 20×10⁻⁶ | 17×10⁻⁶ | 3.2×10⁻⁶ (близко к стали) |

| Самосмазывающиеся свойства | Отсутствуют | Отсутствуют | Отсутствуют | Отличные (твердое смазывание, эффективно при высоких температурах) |

| Точность обработки | ±0.02 мм | ±0.02 мм | ±0.03 мм | ±0.005 мм (точность шлифовки на ЧПУ) |

| Срок службы (лабиринт) | 3-6 мес | 4-8 мес | 1-2 года | 4-6 лет |

2.2 Бронзовая пропитка углеродного графита Huahao Sealing

Специализированный материал для вставок лабиринтных уплотнений:

• Основной материал: изостатический мелкозернистый графит (зерно 8 μm, плотность 1.82 г/см³)
• Пропитка: оловянная бронза CuSn10 (вакуумно-давленая пропитка, степень пропитки ≥ 95%, остаточная пористость < 1%)
• Ключевые характеристики:
• Прочность на сжатие 260 МПа, на изгиб 72 МПа, твердость по Шору HS 80
• Теплопроводность 85 Вт/(м·К) (тепло трения быстро отводится, предотвращая окисление графита)
• Коэффициент теплового расширения 3.2×10⁻⁶/℃ (в паре с углеродистой сталью 12×10⁻⁶, зазор увеличивается, а не уменьшается при высоких температурах)
• Температура окисления: ≤ 450℃ на воздухе (значительно выше рабочей температуры газа 125℃)
• Стойкость к средам: полностью стабилен в H₂S, CO, алкенах, алканах; бронзовая пропитка слегка устойчива к коррозии H₂S (без влияния при содержании H₂S < 500 ppm)

2.3 Требования к втулкам ротора

Решение с вставками из углеродного графита должно сочетаться с втулками высокой твердости:

• Поверхность втулки: твердое хромовое покрытие толщиной 0.10-0.15 мм, твердость покрытия HV 850-950, шероховатость R_a ≤ 0.20 μm
• Требования к покрытию: адгезия слоя хрома к основе ≥ 60 МПа, отсутствие микротрещин (нет трещин при электролитическом контроле коррозии)
• Альтернатива: покрытие HVOF WC-Co-Cr, твердость HV 1100-1200 (более износостойкое, но стоимость в 3-4 раза выше)

3. Конструкция лабиринтного уплотнения

3.1 Выбор типа уплотнения

Сравнение двух основных конструкций лабиринтных уплотнений:

| Тип конструкции | Схема | Относительная утечка | Сопротивление трению | Стоимость | Применение |

|-----------------|--------|----------------------|----------------------|-----------|------------|

| Прямоточное | Все зубья на статоре или все на роторе, кончики зубьев направлены к противоположной гладкой цилиндрической поверхности | 100% (базовый уровень) | Среднее | Низкая | Низкое давление (< 0,5 МПа), низкая вибрация вала |

| Смещённое | Зубья чередуются на статоре и роторе, образуя «Z-образный» поток, направление газа меняется несколько раз | 50-60% | Отличное (контакт только на одной ступени при трении, энергия рассеивается) | Средняя | Рекомендуется! Среднее и высокое давление (> 0,5 МПа), предпочтительно для крупных агрегатов |

Межступенчатое давление компрессора газа Cracker GB201 составляет 0,3-1,2 МПа, рекомендуется для ступеней 2, 3, 4 использовать смещённый тип, для ступени 1 — прямоточный.

3.2 Конструкция профиля зуба и зазора

Проектирование профиля зуба (определяет эффект дросселирования):

• Угол вершины зуба: 60° равнобедренный треугольный зуб с радиусом вершины R ≤ 0,03 мм (сильный эффект острого края, оптимальный эффект дросселирования)
• Высота зуба H: H = 8-12 мм (обеспечивает механическую прочность вершины зуба, предотвращает поломку при установке)
• Шаг зуба P: P = 10-15 мм, отношение высоты зуба к шагу H / P ≈ 0,6-0,8 (оптимальное соотношение «мертвой зоны вихря» в канале потока)
• Количество зубьев Z: 4-6 зубьев на ступень; при общем перепаде давления ступени > 0,2 МПа требуется 8 и более зубьев

Проектирование зазора (баланс между утечкой и риском трения):

• Диаметральный зазор 2c (в холодном состоянии):
• Высокоскоростная ступень (> 6000 об/мин, диаметр вала 150-200 мм): 2c = 0,40-0,50 мм
• Среднескоростная ступень (4000-6000 об/мин, диаметр вала 200-300 мм): 2c = 0,50-0,65 мм
• Проверка зазора в горячем состоянии: при рабочей температуре 120℃ расширение втулки (сталь, 12×10⁻⁶) и графитовой вставки (3,2×10⁻⁶) приводит к изменению горячего зазора всего на -0,02 мм (зазор практически не меняется, «заклинивания» нет)
• Запас по трению: холодный зазор ≥ 2,5 × нормальная вибрация вала, ≥ 1,3 × вибрация вала на критической скорости (2c ≥ 1,3 × 85 μm ≈ 110 μm, фактический зазор более 400 μm — очень безопасно)

3.3 Метод крепления вставок

Углеродный графит хрупок, нарезать резьбу нельзя (легко крошится), используется втулка с шлицевым соединением типа «ласточкин хвост» с натягом:

• Внутренняя поверхность статора обрабатывается под 60° шлицевой паз «ласточкин хвост» (ширина паза чуть меньше ширины основания шлица графитовой вставки, натяг 0,02-0,03 мм)
• Графитовые вставки медленно запрессовываются в шлицевые пазы при комнатной температуре (давление 15 МПа, скорость 1 мм/с, без ударов)
• Оба конца фиксируются точечной сваркой упорных шайб (точки сварки удалены от графита, чтобы избежать теплового воздействия)
• В завершение токарный шлифовальный станок на ЧПУ обрабатывает кончики зубьев с круговым биением ≤ 0,01 мм, разница высот зубьев ≤ 0,005 мм

4. Кейс Huahao Sealing

Этиленовый завод мощностью 800000 т/год, входящий в нефтехимическую группу, компрессор газов крекинга (один из «трёх компрессоров») (GB201, производство Shengu, 6-ступенчатый центробежный, 4-ступени сжатия, мощность 15000 кВт, скорость 8200 об/мин, 48 межступенчатых лабиринтных уплотнений, максимальное давление среды 2,5 МПа, температура на выходе 122℃) изначально использовал лабиринтные зубья из алюминиевого сплава 6061, имел серьёзные проблемы:

1.Быстрый износ зубьев: при прохождении первой критической скорости порядка 4200 об/мин вибрация вала достигала 75-80 μm, алюминиевые зубья жёстко терлись о хромированную втулку, после 15-20 пусков-остановок высота зубьев износилась наполовину, зазор лабиринта увеличился с проектных 0,28 мм до 0,7-0,9 мм

2.Превышение межступенчатых утечек над нормой: заводская калибровка показала утечку 2,8% (стандарт API ≤ 1,5%), часовой расход этилена и других материалов около 0,8 т, годовые потери около 18 млн юаней

3.Коррозия H₂S: газ крекинга содержит H₂S 80-120 ppm, в низкотемпературном участке 3-й ступени (52℃) латунные зубья лабиринта подверглись декацинзации, зубья стали хрупкими и ломались (во время ремонта 2017 года обнаружено 7 сломанных зубьев)

Во время капитального ремонта 2018 года все 48 ступеней лабиринтных уплотнений были полностью заменены решением Huahao Sealing: графитовые вставки с бронзовой пропиткой + ступенчатая конструкция (ступени 2-4) / прямоточная конструкция (ступень 1) + вставка с ласточкиным хвостом + соответствующие повторно хромированные втулки:

• Утечка: после ремонта калибровка показала 0,9% (лучше стандарта API 1,5%), утечка этилена и других материалов уменьшилась на 1,9 т/час, годовая экономия стоимости материалов около 12 млн юаней (при цене этилена 7500 юаней/т)
• Срок службы уплотнения: с 2018 по 2024 год было проведено 6 пусков-остановок (включая 2 капитальных ремонта завода), при разборке 2024 года средний износ наконечника графитового зуба составил всего 0,012 мм (скорость износа 0,002 мм за пуск-остановку), что достаточно ещё на 4-6 лет (исходные алюминиевые зубья уже заменены 4 раза)
• Защита втулок: хромирование втулок каждой ступени не имеет явных повреждений, шероховатость соответствует требованиям, замена не требуется (первоначально планировалась замена втулок при каждом ремонте, что сэкономило около 3,8 млн юаней на запасных частях)

Ключевые критерии выбора: величина вибрации вала определяет материал зубьев (при вибрации > 50 μm требуются графитовые вставки для избежания жёсткого трения), средняя коррозионность определяет тип пропитки (при наличии H₂S выбирается бронзовая пропитка), межступенчатое давление определяет тип конструкции (> 0,5 МПа выбирается ступенчатая конструкция), холодный зазор рассчитан в 2,5 раза больше вибрации вала.