潤滑油污染干氣密封的機(jī)理分析及設(shè)計優(yōu)化

張凱，陳喆，湯忠濱

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所，哈爾濱150000）

1 引言

干氣密封屬于無接觸密封的一種，其安裝在壓縮機(jī)的葉輪和軸承之間，起到密封壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)部件中的氣體和液體介質(zhì)的作用。但干氣密封自身易受潤滑油的污染，因此，對潤滑油污染干氣密封的原理進(jìn)行分析，對于進(jìn)一步提升干氣密封的實用性具有重要意義。

2 干氣密封的工作原理

干氣密封的結(jié)構(gòu)與普通的機(jī)械密封相似，其都有靜環(huán)和動環(huán)2 個部件，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。干氣密封中的靜環(huán)由彈簧驅(qū)動，采用碳化硅、氮化硅等質(zhì)地堅硬的材料組成，起到密封作用。而動環(huán)的端面有封堵氣體介質(zhì)的氣體槽，當(dāng)干氣密封工作時，氣體槽的存在使得封面之間存在一定間隙，當(dāng)壓縮機(jī)工作產(chǎn)生的氣體流經(jīng)氣體槽時，便會受到氣體槽的影響導(dǎo)致流速減慢直至停止流動，起到密封氣體的作用。

3 干氣密封受潤滑油的污染機(jī)理

當(dāng)壓縮機(jī)正常轉(zhuǎn)動時，其中的潤滑油從機(jī)器外部的潤滑油管被注入軸承內(nèi)部，起到潤滑軸承的作用。而潤滑油注入過多時，多余的潤滑油便會從軸承的間隙流出，附著在軸承表面。在壓縮機(jī)和密封裝置工作正常時，密封裝置會被軸承中飄散的油滴所形成的油霧包裹，不與潤滑油直接發(fā)生接觸，此時的密封裝置可以起到阻擋軸承中的油霧的作用，防止其向外擴(kuò)散。

圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)圖

干氣密封受潤滑油污染的主要原因是當(dāng)密封的設(shè)計或安裝失誤所致。干氣密封受潤滑油污染影響較大的主要有以下幾部分。

3.1 通道1

潤滑油穿過鎖緊螺母和軸之間的縫隙進(jìn)入干氣密封，當(dāng)鎖緊螺母安裝不牢固時，其與壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子之間便會形成空隙，潤滑油可以沿著此空隙進(jìn)入干氣密封中。當(dāng)螺母高速旋轉(zhuǎn)時，附著在螺母上的潤滑油會在螺紋旋轉(zhuǎn)的作用下被主動送往干氣密封，這一過程會加劇潤滑油對干氣密封的污染。

3.2 通道2

干氣密封中的浮動碳環(huán)間存在空隙時，潤滑油可沿此空隙進(jìn)入干氣密封，雖然正常的運(yùn)作過程中此部位存在隔離氣的吹散作用，可以在一定程度上阻止?jié)櫥蛷拇丝障哆M(jìn)入干氣密封中，但在實際的過程中，浮動碳環(huán)的空隙是干氣密封容易受到潤滑油污染的關(guān)鍵原因。

1）當(dāng)回油腔中的油超過浮動碳環(huán)間隙的最低點時，潤滑油可以從浮動碳環(huán)下方的間隙進(jìn)入干氣密封中，而隔離氣由上方進(jìn)入，導(dǎo)致干氣密封被潤滑油污染。

正常情況下，回油腔中的油位應(yīng)當(dāng)始終處于正常狀態(tài)，油位異常升高的原因主要有：（1）回油管被堵塞或是其承載能力過低，導(dǎo)致潤滑油難以順利回流，聚集在軸承箱內(nèi)部使得回油腔中的油位升高；（2）當(dāng)油站內(nèi)部的氣壓過高時，高氣壓會阻止?jié)櫥驼；亓?，?dǎo)致油位異常升高，而平衡氣壓的關(guān)鍵在于油箱中的排煙口，當(dāng)排煙口疏散能力較弱或排煙風(fēng)機(jī)無法正常工作時，便會導(dǎo)致油站內(nèi)部的氣壓異常升高。

2）潤滑油從軸承上的傳感器的引線孔也可以進(jìn)入隔離密封中，造成潤滑油進(jìn)入干氣密封。部分搭載傳感器的壓縮機(jī)中往往會預(yù)留傳感器連線的引線口，而這些引線口同壓縮機(jī)軸承內(nèi)部連接，當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時，飄散的潤滑油可能從傳感器的引線口進(jìn)入隔離密封中，造成干氣密封被污染。

3）當(dāng)密封與軸承間的距離過近或軸承直徑與密封段的直徑相差過小時，軸承中飄散的潤滑油會在軸承的旋轉(zhuǎn)作用下直接對著密封噴射，極大地增加了潤滑油進(jìn)入密封中的概率。軸承直徑與密封段直徑相差過小時，可能會導(dǎo)致密封段難以完整地對軸承形成密封作用，加劇潤滑油的泄漏，此時的潤滑油可以輕易地沿著鎖緊螺母進(jìn)入隔離密封的間隙中。

4 優(yōu)化以及改進(jìn)措施

4.1 密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1.1 增加積油和甩油結(jié)構(gòu)

從積油和甩油結(jié)構(gòu)（見圖2）可知，積油結(jié)構(gòu)可以防止?jié)櫥鸵绯鲋凛S承中，減少軸承中的潤滑油進(jìn)入密封裝置的概率。因此，強(qiáng)化積油和結(jié)構(gòu)可以增加壓縮機(jī)承載潤滑油的量，有效減少進(jìn)入軸承中的油量。而鎖緊螺母中的甩油結(jié)構(gòu)可以將堆積在螺母上的潤滑油快速甩出，防止?jié)櫥屯ㄟ^螺母進(jìn)入干氣密封中。

4.1.2 O 形圈密封

O 形圈密封的位置如圖2 所示，此位置為螺母和軸承之間的間隙，潤滑油很容易沿此間隙進(jìn)入隔離密封裝置中，因此，通過改造O 形圈密封，可以進(jìn)一步防止?jié)櫥瓦M(jìn)入隔離密封，例如，更換密封性更好的密封圈、增加密封圈大小或是采用雙層密封圈進(jìn)一步鎖緊螺母和軸承的間隙等都是不錯的方法。

圖2 積油和甩油結(jié)構(gòu)

4.2 軸承區(qū)域優(yōu)化

可通過增加軸承和密封圈的直徑差的方式強(qiáng)化密封圈的封堵能力，較大的密封圈有助于封堵軸承的外周，防止?jié)櫥脱刂S承的外周進(jìn)入隔離密封裝置中。同時，可以增加鎖緊螺母擋油面的直徑，防止?jié)櫥屯ㄟ^鎖緊螺母進(jìn)入浮動碳環(huán)中。

4.3 隔離氣優(yōu)化設(shè)計

對于采用隔離氣進(jìn)行控制的干氣密封，隔離氣的控制應(yīng)當(dāng)采用流量控制，一般來說，隔離氣的流速應(yīng)當(dāng)不超過10m/L，通過限流閥和限流板對隔離氣的流量進(jìn)行控制。當(dāng)軸承的直徑大于20cm 時，對于隔離氣的流通管路還應(yīng)當(dāng)加裝流量計，以便進(jìn)一步監(jiān)控隔離氣的流速，在啟動軸承時應(yīng)當(dāng)首先保證隔離氣正常流通后在啟動軸承，防止?jié)櫥瓦M(jìn)入干氣密封中。

4.4 現(xiàn)場操作優(yōu)化

現(xiàn)場操作優(yōu)化措施包括：（1）確保先供氣在供油，使隔離氣阻擋潤滑油進(jìn)入干氣密封中，對于軸承較粗的大型壓縮機(jī)，還應(yīng)當(dāng)設(shè)置流量計保證氣體的流量；（2）注意排凝口的漏油狀態(tài)，在壓縮機(jī)工作時應(yīng)當(dāng)保證排凝口打開，當(dāng)排凝口有漏油時，應(yīng)當(dāng)及時查找漏油的原因；（3）在不影響軸承工作的前提下，可以適當(dāng)?shù)亟档蜐櫥偷膲毫瓦M(jìn)入軸承箱中的潤滑油量。

5 結(jié)語

本文對潤滑油污染干氣密封的機(jī)理進(jìn)行了分析，潤滑油進(jìn)入干氣密封的方式主要是通過鎖緊螺母與軸承之間的空隙和浮動碳環(huán)之間的空隙，為此，本文從密封結(jié)構(gòu)、軸承區(qū)域、隔離氣和現(xiàn)場操作4 方面提出了優(yōu)化的建議。