Подшипники винтовых компрессоров для нефтегаза и химии

Короткий ответ: в газовых винтовых компрессорах применяются два типа опор. Крупные компрессоры высокого давления для нефтегаза и нефтехимии используют подшипники скольжения с белометаллическим вкладышем (white metal sleeve), как в серии Howden WRV — они выдерживают 60+ бар и служат десятилетиями. Для соответствия стандарту API 619 применяются упорные подшипники tilting pad (опция T у Howden). Малые и средние газовые компрессоры используют подшипники качения — цилиндрические NU и радиально-упорные 7xxx BE. Для агрессивных газов sour gas (с H₂S) требуются специальные материалы: латунные или PEEK сепараторы, гибридные керамические подшипники с телами качения из нитрида кремния Si₃N₄. Газы: природный газ, метан, пропан, бутан, водород, гелий, CO₂, аммиак. Это самый ответственный сегмент применения винтовых компрессоров.

Газовые винтовые компрессоры — где применяются

Винтовые компрессоры в нефтегазовой и химической промышленности — это критически важное оборудование процессных установок. По данным Howden, основные области применения:

Нефтегазодобыча

• Компримирование факельного газа (flare gas recovery) — улавливание газа, который иначе сжигался бы на факеле
• Бустинг газа низкого давления (LP gas boosting) на onshore и offshore платформах
• Обработка отходящего газа со стабилизационных установок
• Рекуперация паров (vapor recovery) на нефтепромыслах

Нефтепереработка

• Обработка отходящих газов установок каталитического крекинга (FCC), коксовых установок (Delayed Coker), установок перегонки (CDU), алкилирования
• Системы рекуперации факельного газа
• Регенерация водорода в установках восстановления водорода

Нефтехимия и химия

• Обработка отходящих газов на установках полиэтилена, акрилонитрила, стирола, винилхлорида (VCM), малеинового ангидрида, кальцинированной соды
• Бустинг и рециркуляция бутадиена, ацетилена, водорода
• Компримирование сложных коррозионных газов

Металлургия и энергетика

• Компримирование азота для транспортировки окатышей в установках прямого восстановления железа (DRI)
• Компримирование коксового газа
• Бустинг топливного газа для газовых турбин на электростанциях

Какие газы сжимают винтовые компрессоры

По данным Howden Brochure, типовые газы, обрабатываемые винтовыми компрессорами:

Главная особенность газовых компрессоров для подшипников — разбавление масла лёгкими углеводородами (в первую очередь для природного газа и нефтяных газов). Растворённый в масле natural gasoline снижает вязкость масла в зоне трения подшипника, что нужно учитывать при расчёте ресурса.

Две конструкции подшипниковых опор для газа

Серия Howden WRV — подшипники скольжения для нефтегаза

Howden WRV — это флагманская серия винтовых компрессоров для газовых процессных применений. По данным Howden, в мире установлено более 25 000 компрессоров WRV, некоторые работают по 40+ лет.

Конструкция WRV

• Twin wall construction — двойной корпус для высокого давления
• White metal sleeve journal bearings — журнальные подшипники скольжения с белометаллическим (баббитовым) вкладышем
• Pressurised shaft seal — нагнетаемое уплотнение вала
• Диапазон Vi от 2.1 до 5.8
• Slide valve управление производительностью — стандартно на всех моделях

Опции исполнения WRV

По Howden Brochure, серия WRV имеет ряд опций, влияющих в том числе на подшипники:

Размерный ряд WRV

По Howden Brochure, серия WRV имеет 7 типоразмеров: WRV 163, 204, 255, 321, 365, 510, 580. Объёмная производительность — от 550 м³/ч (WRV 163) до 16 396 м³/ч (WRV 580) при 50 Гц. Модели 255, 321, 365 в исполнении WRVi имеют переменный Vi.

Стандарт API 619

API 619 — это стандарт Американского нефтяного института (American Petroleum Institute) для винтовых компрессоров, применяемых в нефтегазовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Стандарт задаёт строгие требования к конструкции компрессора, материалам (стойкость к процессным средам), подшипникам и системе смазки, испытаниям, надёжности для непрерывной работы в критических процессах.

Tilting pad thrust bearings (опция T)

Для соответствия API 619 крупные газовые компрессоры комплектуются упорными подшипниками tilting pad — это самоустанавливающиеся сегментные подшипники скольжения. Их преимущества:

• Самоустановка сегментов компенсирует перекосы и неточности монтажа
• Хорошее распределение нагрузки и формирование масляного клина
• Высокая несущая способность по осевой нагрузке
• Хорошее демпфирование, стабильность ротора
• Долгий срок службы при правильной смазке

Одобрения классификационных обществ

По Howden Brochure, компрессоры серии WRV одобрены большинством крупнейших классификационных обществ: Lloyds, Bureau Veritas, DNV (Det Norske Veritas), RINA, DSRK, Bureau de Mines, ABS (American Bureau of Shipping), Germanischer Lloyd, NKK. Это важно для морских и offshore-применений.

Sour gas — самые жёсткие требования к подшипникам

Sour gas (кислый газ) — это природный или попутный нефтяной газ с высоким содержанием сероводорода (H₂S) и/или диоксида углерода (CO₂). Сероводород чрезвычайно коррозионно агрессивен и токсичен. Компрессоры для sour gas — самое тяжёлое применение для подшипников.

Требования к материалам для sour gas

По данным SKF Application Handbook, в среде sour gas:

Источник: SKF Application Handbook, таблица совместимости материалов с газами.

Гибридные керамические подшипники для sour gas

Для повышенной надёжности в среде sour gas применяются гибридные керамические подшипники — с кольцами из подшипниковой стали и телами качения из нитрида кремния (Si₃N₄). По данным SKF, их преимущества для газовых компрессоров:

• Коррозионная стойкость керамических тел качения — критично для агрессивных газов
• Электроизоляция — нитрид кремния не проводит ток, защищает от электрической эрозии
• Меньшая чувствительность к недостатку смазки — важно при разбавлении масла газом
• Выше скоростные возможности — на 60% меньшая плотность шариков снижает центробежные силы
• Меньше тепловые градиенты внутри подшипника
• Меньше риск light load skidding у цилиндрических роликоподшипников

SKF выпускает специальные sour gas bearings — отдельную линейку для этих применений.

Oil-free компрессоры для агрессивных газов

Для обработки опасных, коррозионных, грязных газов, газов с высоким содержанием жидкости или частиц, а также когда недопустимо загрязнение газа маслом, применяются oil-free (масло-свободные) винтовые компрессоры. По Howden Clearance Management White Paper, они применяются в отраслях:

• Химия
• Литейное производство
• Горнодобыча
• Нефтегаз
• Нефтехимия
• Энергетика
• Нефтепереработка

В oil-free компрессорах роторы не касаются друг друга (синхронизируются тайминг-шестернями), масло используется только для смазки подшипников и не попадает в газовую камеру. По данным Howden, эти компрессоры работают при повышенных температурах нагнетания — до 225°C в серии HXP и до 150°C в серии HXC.

Подшипники oil-free компрессоров работают в более тяжёлых условиях — выше температуры, нет охлаждающего масла в роторной камере. Это требует особого внимания к выбору сепаратора (латунь, PEEK) и группе зазора (увеличенный для компенсации теплового расширения).

Влияние подшипников на КПД газового компрессора

По Howden Clearance Management White Paper, зазоры в подшипниках напрямую влияют на КПД газового компрессора. Существует три главных пути утечки газа:

• Axial gap — между торцом ротора и стенкой корпуса со стороны нагнетания
• Radial gap — между концом лопасти ротора и расточкой корпуса
• Interlobe gap — между двумя роторами

На эти зазоры влияет в том числе зазор в подшипниках (bearing clearance): осевой зазор подшипников влияет на axial gap, радиальный зазор подшипников влияет на radial и interlobe gaps. Поэтому правильный выбор группы зазора подшипника и точная регулировка осевого зазора ротора — это напрямую вопрос КПД компрессора и его эксплуатационных расходов.

Чем меньше зазоры — тем выше объёмный КПД, тем меньше энергии нужно на сжатие заданного объёма газа. Но слишком малые зазоры приводят к контакту при тепловом расширении. Подробнее о регулировке — в статье «Замена подшипников винтового компрессора».

Подбор подшипников для газового компрессора

1. Определить тип опор — подшипники скольжения (крупные WRV) или качения (малые/средние). Для скольжения замена вкладышей — отдельная процедура, обычно через сервис производителя.
2. Определить газ и его агрессивность — обычный газ или sour gas (с H₂S). Для sour gas сразу выбираем латунь M, PEEK PH или стальной F сепаратор, рассматриваем гибридные керамические.
3. Учесть разбавление масла газом — для лёгких углеводородов вязкость масла снижается, может понадобиться более вязкое базовое масло или подшипник большего размера.
4. Проверить требования API 619 — если компрессор сертифицирован, замена должна сохранять соответствие (особенно для tilting pad).
5. Сохранить группу зазора, матчируемую пару, класс точности — по общим принципам из статьи о замене.
6. Заказать совместимые уплотнения — для газовых компрессоров часто PTFE, стойкие к конкретному газу.

Связанные статьи хаба

• Подшипники для винтовых компрессоров — обзор и подбор — общее введение
• Какие подшипники стоят в винтовом компрессоре — типы, серии, артикулы
• Замена подшипников винтового компрессора — практическое руководство
• Подшипники винтовых холодильных компрессоров — фреон и аммиак

Где купить подшипники для газовых компрессоров

Подшипники для газовых винтовых компрессоров Howden WRV/XRV и других производителей — в нашем каталоге подшипников для компрессоров. Доступны:

• Подшипники с латунным машинным сепаратором M для sour gas и агрессивных сред
• Подшипники с PEEK сепаратором PH для высоких температур
• Гибридные керамические подшипники с телами качения Si₃N₄ для коррозионных газов и электроизоляции
• Матчируемые пары 7xxx BE, цилиндрические NU, четырёхточечные QJ
• PTFE-уплотнения

Отправьте марку и серийный номер газового компрессора, тип газа (особенно если sour gas) и оригинальные артикулы — подберём комплект подшипников с корректными материалами под вашу среду.

Краткие ответы на частые вопросы