Concepteur principal de SPC «ANOD» SARL Shmyrov Evgeniy Ivanovich
La fiabilité opérationnelle des turbocompresseurs dépend dans une large mesure des performances des unités d'étanchéité qui assurent l'étanchéité du rotor en rotation. L'un des principaux problèmes de l'ingénierie mécanique moderne est la création de joints de rotor fiables et étanches pour les compresseurs centrifuges. Cela est dû, d'une part, aux pressions élevées du fluide d'étanchéité et aux vitesses circonférentielles dans le contact d'étanchéité et, d'autre part, aux exigences très strictes en matière d'étanchéité et de fiabilité, qui augmentent avec l'accroissement des paramètres.
Traditionnellement, les joints sans contact (joints à fente, joints à labyrinthe, anneaux flottants, etc.) sont utilisés à cette fin. Les joints à bagues flottantes extérieures et intérieures qui sont les plus utilisés dans les compresseurs, entre lesquels l'huile de barrage est acheminée à une pression nominale, sont suffisamment fiables, mais ne sont pas sans inconvénients :
Les garnitures mécaniques sont plus prometteuses, car elles ont une capacité d'étanchéité élevée, c'est-à-dire que le taux de fuite à travers elles est plusieurs fois inférieur.
Cela est dû au fait que le jeu garanti entre les surfaces d'étanchéité des bagues est de 2...5 μm, contrairement aux joints à fente, où le jeu atteint des dixièmes de millimètre.
Garniture mécanique 100UTDG
Dans ses joints pour les surcompresseurs et les compresseurs, SPC «ANOD» applique des solutions fondamentalement nouvelles en matière de technologie d'étanchéité, qui ont fait leurs preuves dans les équipements d'énergie nucléaire, ce qui garantit une grande fiabilité : une longue durée de vie et un taux de fuite minimal.
En novembre 2001, SPC «ANOD» et AOZT «NIKTIT» (Saint-Pétersbourg) ont effectué des essais au banc d'un ensemble de joints d'arbre spécialement conçu et fabriqué pour la soufflante centrifuge H47-74-1 de l'unité GPA-4RM. Les paramètres de fonctionnement élevés du compresseur de suralimentation et la faible dimension axiale de la zone d'assise ont nécessité l'application de solutions de conception spéciales lors de la conception du joint. Les joints sont de type bloc, doubles, avec circulation forcée de l'huile d'étanchéité. Afin de garantir la fiabilité et une étanchéité élevée à la vitesse du rotor (7000...11000 tr/min), les bagues coulissantes sont réalisées dans un matériau à haut module d'élasticité - le carbure de silicium. L'une des caractéristiques du joint d'étanchéité est qu'il est conçu pour fonctionner en mode d'arrêt à une pression pouvant atteindre 10 MPa. L'unité installée dans la station de compression UGS de Kasimovskoye a fonctionné pendant 25 000 heures avec plus de 300 démarrages/arrêts, la perte d'huile non récupérable est de 0,022 kg/heure, ce qui est un ordre de grandeur inférieur aux exigences de la spécification technique.
En 2011, des compresseurs D203GTs1-710 ont été mis en service dans la station de refroidissement de gaz Yamburgskaya CS-4. Les compresseurs sont fabriqués par Sumy Frunze Oil and Gas Production Association et sont équipés de joints à double face 130UTDG2. Ces joints ont réalisé un rêve cher aux gaziers : ils sont conçus pour un stationnement de longue durée sans évacuation de gaz de la cavité du compresseur et sans mise en marche d'une pompe à huile pour maintenir la pression d'huile.
Dans le cas des garnitures mécaniques doubles, l'huile circule dans un circuit fermé à haute pression sans être évacuée dans le réservoir à pression atmosphérique, en surmontant uniquement la résistance de la voie de circulation. La pression du système est fournie par le gaz pompé et la puissance des pompes n'est utilisée que pour pomper l'huile avec une chute de pression dans le circuit d'étanchéité d'environ 0,3 MPa.
Pour le refroidissement de l'huile, le schéma utilise un échangeur de chaleur refroidi par air de type AWO ; sinon, l'équipement du système d'huile utilisé dans les schémas existants est utilisé.
Le schéma proposé d'alimentation en huile des compresseurs peut être réalisé lors de la création de nouveaux compresseurs ou lors de la modernisation de l'équipement en service. Les rotors ne nécessitent aucune modification et des garnitures mécaniques doubles sont installées à la place des garnitures existantes (garnitures mécaniques à fente ou simples). Un canal de drainage de l'huile d'étanchéité est nécessaire sur les carters des compresseurs.
Garniture mécanique 150UTG
Une caractéristique distinctive des joints SPC «ANOD» avec joint hydraulique est non seulement une fuite minimale (0,05 ... 0,1 kg/h) d'huile dans le gaz pompé, mais aussi sa grande stabilité indépendamment de la pression différentielle, de la vitesse du rotor et de la température. Ces niveaux élevés de qualité et de fiabilité sont dus aux caractéristiques de conception des joints, qui garantissent une forme et une taille constantes de l'espace dans la jonction d'étanchéité. La conception d'un joint d'étanchéité étant un système complexe composé de nombreuses pièces reliées rigidement les unes aux autres et soumises à l'influence de nombreux facteurs (pression, température, forces centrifuges, réaction des anneaux de support, etc.), la tâche consistant à maintenir la forme calculée du joint d'étanchéité devient presque insoluble. Par conséquent, seule la liaison nécessaire au fonctionnement normal de l'unité est conservée entre les anneaux de la paire de friction en contact et les parties de la structure en interaction.
Les principaux facteurs affectant les éléments d'étanchéité des soufflantes et compresseurs centrifuges sont la vitesse du rotor, les vibrations, les mouvements axiaux du rotor, la chute de pression entre l'huile de blocage et le gaz à étancher, et la température du gaz à étancher.
Lors de l'élaboration des sceaux pour cette classe de mécanismes, SPC «ANOD» adhère aux principes de conception suivants :
Depuis 1996, SPC «ANOD» équipe les unités de compresseurs centrifuges des pipelines principaux de PAO «GAZPROM» avec des joints d'huile. Actuellement, SPC «ANOD» reproduit les joints d'arbre pour les types de surcompresseurs suivants : 235-21-1(130UTG1), 235-28-1(150UTG), 370-14-1(120UTG), 370-18-1(140UTG), 520-12-1(145UTG), 650-21-2(200UTG). Des joints avec des éléments d'unification ont été conçus pour chaque type de compresseur : tailles standard des anneaux en caoutchouc, dimensions des anneaux de la paire de friction, fixations. Actuellement, plus de 2000 joints de SPC «ANOD» sont utilisés dans les surcompresseurs des compresseurs de gaz des entreprises PAO «GAZPROM». Selon les rapports de ces sociétés, la valeur moyenne des pertes irrécupérables d'huile dans le gaz pompé est de 0,12 ... 0,2 kg/heure par surpresseur, et l'économie annuelle d'huile de turbine s'élève à des dizaines de tonnes. La conception en bloc des joints, l'utilisation d'outils et d'outillages spéciaux garantissent une installation de qualité et sans erreur.
Garniture mécanique 130UTG1
Il convient de noter que les joints fonctionnent avec succès dans la plage des vitesses circonférentielles de 40 ... 50 m/s, de la pression différentielle "huile-gaz" jusqu'à 6 kgf/cm2 et de la pression du gaz pompé jusqu'à 80 kgf/cm2 avec un taux de fuite d'huile de 0,05 ... 0,1 kg/h. La conception des joints leur confère une durée de vie allant jusqu'à 50 000 heures, moyennant des réparations mineures : remplacement des bagues en caoutchouc, remplacement des pièces du dispositif de guidage, rodage des paires de friction si nécessaire.
Le matériau utilisé pour ces roulements est le carbure de silicium. Le caoutchouc résistant à la température de qualité SB-26 garantit l'aptitude au service du joint pendant la durée de vie prévue du joint.
L'un des travaux importants de SPC «ANOD» est le développement de joints de face de type 110UTGP destinés à remplacer les joints à fente dans les injecteurs de gaz naturel à grande vitesse (8300 tr/min) NC-6,3. Le joint est un bloc composé d'un boîtier avec des trous traversants pour le passage de l'huile, des couvercles avant et arrière. A l'intérieur de l'unité se trouvent : une garniture mécanique primaire simple et une garniture auxiliaire à fente. La garniture mécanique à un contact d'étanchéité glissant entre deux bagues d'étanchéité, l'une dans un manchon qui tourne avec l'arbre et l'autre, fixe, dans une cage comprimée par un jeu de ressorts.
Garniture mécanique 98UTG
Un joint auxiliaire fendu est une cage contenant deux anneaux flottants, dont le diamètre intérieur forme un joint à fente radiale avec la tige d'un manchon rotatif. Chaque anneau flottant possède une bride d'extrémité qui est en contact avec une face de siège en forme de L, rodée et durcie, est mobile axialement et radialement et est soutenue par 4 ressorts de compression installés radialement. La surface intérieure des anneaux flottants est enrobée et la surface d'accouplement de la tige du manchon rotatif est dotée d'un revêtement résistant à l'usure.
La garniture mécanique principale et la garniture mécanique auxiliaire sont séparées par une chambre de barrage annulaire, dans laquelle l'huile de barrage est alimentée par la pression, dépassant la pression du gaz pompé de la valeur de la différence "huile-gaz" - 0,1...0,6 MPa, fournie par le régulateur de pression différentielle (RPD).
Une caractéristique distinctive de ce joint à gorge est que la longueur axiale de la bague flottante a été réduite à 0,15 du diamètre de l'arbre, ce qui a permis de réduire le poids de la bague et d'éliminer la réaction au désalignement de l'arbre. La chute de pression entre la chambre du déflecteur et l'atmosphère est ainsi répartie de manière égale entre les deux anneaux, de sorte que la force axiale agissant sur chaque anneau est divisée par deux et que la pression de contact spécifique sur la bande d'étanchéité frontale est moindre. Les ressorts de compression sur lesquels l'anneau flottant est suspendu de manière concentrique à l'axe de rotation du rotor sont disposés de manière à ce que les forces de centrage hydrodynamiques l'emportent en importance sur les forces de frottement dans le joint frontal, et que la fréquence naturelle de l'anneau soit sensiblement augmentée. Le jeu radial entre l'anneau flottant et le manchon rotatif est choisi pour assurer un débit d'huile de blocage suffisant pour refroidir le joint principal et le joint à gorge.
Grâce aux mesures constructives (réduction du diamètre des parties rotatives du joint principal, application de nouveaux matériaux), les coûts de frottement des éléments rotatifs avec les anneaux de la paire de frottement sont minimisés et ne dépassent pas 3,5 kW par joint. Le manchon d'étanchéité rotatif est verrouillé sur le rotor à l'aide d'une pince de serrage spéciale. Tous les éléments d'étanchéité montés sur le rotor de la soufflante sont fabriqués avec une grande précision et ne nécessitent pas d'être équilibrés en tant que partie du rotor.
Afin de vérifier le concept de développement et de fabrication d'un ensemble expérimental (2 pièces), des essais ont été réalisés selon un programme spécial dans le cadre du compresseur de suralimentation NC-6,3 - 56/1,45 à Priokskoye LPCGMP de «Gazpromtransgaz N. Novgorod» SARL. Les tests ont confirmé les performances du joint développé dans des conditions standard et les résultats suivants ont été obtenus:
110UTGP garniture mécanique
Le premier jeu de joints 110UTGP a été utilisé comme partie du compresseur de suralimentation NTS-6,3-56/1,45 à Vorsmenskaya CS de Priokskoye LPCGMP de «Gazpromtransgaz N. Novgorod» SARL depuis le 10.05.2000.
En février 2002, les joints ont passé les tests interdépartementaux avec les résultats suivants : la fuite d'huile vers le gaz sur le compresseur était de 0,24 kg/h contre 0,4...0,8 avec le joint standard. La durée de fonctionnement de l'appareil à ce jour est de plus de 40 000 heures. La seule inspection de ces joints a été effectuée après 36 000 heures de fonctionnement. Les joints toriques en caoutchouc ont été remplacés et le joint a été rodé.
Le design de ce sceau, comme tous les autres, est protégé par un brevet russe.
Les résultats de l'exploitation de la garniture d'arbre du compresseur de suralimentation NTS-6,3-56/1,45 prouvent que le développement de garnitures mécaniques avec des vitesses périphériques élevées (plus de 50 m/s) et une faible fuite d'huile de presse-étoupe est une tâche réalisable.
Garniture mécanique 160UTGP1
Sur la base de l'expérience acquise lors du développement de la conception des joints pour le superchargeur NTS-6,3-56/1,45, SPC «ANOD», sous la commande de NPO «ISKRA» (Perm), a développé et livré 8 jeux de joints mécaniques 150UTGP et 150UTGP1 pour les parties à débit variable du NTS-76/1,44 et du NTS-76/1,35 pour GPA-TS-16 (novembre 2001), Décembre 2002) pour Kungur Skaya CS, «Novo Komsomolskaya» CS et «Nydinskaya» CS. L'approche conceptuelle est restée la même, c'est-à-dire que l'unité d'étanchéité se compose d'une seule garniture mécanique et d'une garniture auxiliaire à fente avec deux anneaux flottants. Les essais de réception des deux premiers jeux de joints pour SPC76/1,44 ont été effectués sur le banc d'essai de «Kompressori Komplex» (Saint-Pétersbourg) à la pression différentielle «huile-gaz» (0,3...0,4 MPa) à la vitesse nominale du rotor pendant 12 heures.
Les joints 150UTGP3 00.00 sont utilisés avec une grande fiabilité dans la structure des unités GPU-16 de la station de compression linéaire de gaz du centre d'exploitation de la ligne Pilninsky Line Pipe de LPCGMP de «Gazpromtransgaz N. Novgorod» SARL. La durée de fonctionnement des premiers jeux de joints dépasse 40 000 heures, la consommation d'huile spécifique ne dépasse pas 0,2 kg/h. Les fluctuations de la pression différentielle entre le pétrole et le gaz sont comprises entre 0,04...0,06 kg/cm2.
En 2012, un programme de remplacement complet des garnitures mécaniques par des garnitures à fente de type 125UTGP dans les soufflantes TS-6,3/51 et TS-6,3/100 a été mis en œuvre à l'usine de traitement du gaz de Stavropol. Les principales exigences pour le chargeur fonctionnant dans les stations UGSF sont une fuite d'huile minimale et une fiabilité accrue de l'équipement.
Parallèlement à la conception et à la fabrication de joints d'huile dans SPC «ANOD», nous travaillons dans une nouvelle direction - la maîtrise de la production de joints dynamiques à gaz sec (DSG) en collaboration avec l'entreprise «Grace Engineering». Actuellement, nous proposons de fournir des pièces de rechange, d'effectuer des réparations, de la maintenance et des tests sur les systèmes d'étanchéité au gaz de tout fabricant, y compris étranger.
Dans le domaine de la technologie de l'étanchéité, le travail de SPC «ANOD» prouve la possibilité d'utiliser des garnitures mécaniques à des vitesses périphériques allant jusqu'à 80m/s, à des pressions allant jusqu'à 10.0MPa et à une température des milieux étanches allant jusqu'à 200°C. Les joints d'étanchéité avec un joint hydraulique sont moins critiques vis-à-vis du désalignement du rotor dans les paliers et des niveaux élevés de vibration (jusqu'à 50 μm). Le niveau de fuite d'huile dans le gaz pompé des joints fabriqués par SPC «ANOD» est presque d'un ordre de grandeur inférieur à celui des joints existants. Présentant de nombreux avantages par rapport aux joints secs connus, les joints à faible débit avec un joint hydraulique peuvent assurer l'étanchéité des arbres des mécanismes à grande vitesse avec une fiabilité suffisante et à faible coût et, ainsi, prolonger le fonctionnement d'une partie suffisamment importante du parc d'équipements de pompage de gaz de PAO «GAZPROM» et des compresseurs des installations pétrochimiques.
Depuis 1996, SPC «ANOD» a fabriqué et livré plus de 2000 jeux de garnitures mécaniques pour GPA aux entreprises de transport de gaz de Gazprom OJSC.
Au cours de cette période, la conception des garnitures mécaniques a été continuellement améliorée afin d'accroître la fiabilité et sur la base de l'émergence de nouveaux matériaux avancés.
En 2012, la conception des joints UTG et UTGP a été mise à niveau afin d'améliorer leur qualité et d'augmenter leur durée de vie en révision. Le fournisseur des principaux composants - des anneaux en carbure de silicium - a été remplacé par une société étrangère, l'un des leaders mondiaux de leur fabrication, car les fabricants nationaux des produits susmentionnés ne fournissent pas la qualité de matériau nécessaire. Sur la base des souhaits des entreprises exploitant les GPA, nous complétons chaque joint d'un jeu supplémentaire de TPE de montage (anneaux en caoutchouc).
En relation avec ce qui précède et conformément au plan d'action de Dmitri Medvedev, Premier ministre de la Fédération de Russie № 6732p-P9 du 11.11.2013 et à la lettre de PAO «GAZPROM» (out. № 03-2293 du 12.12.2013), SPC «ANOD» propose d'accorder une attention particulière à la réduction du coût de la réparation des GPU et d'envisager la réparation des garnitures mécaniques déjà en service avec la réalisation simultanée de leur modernisation. Le coût de la réparation et de la modernisation des garnitures mécaniques est bien inférieur au coût des nouvelles garnitures.
