干氣密封的應(yīng)用與維護分析

潘廣斌，周華南，王 瞻，李國富

（中國石油吉林石化公司煉油廠，吉林吉林 132000）

0 引言

干氣密封系統(tǒng)屬于非接觸端面微間隙氣體潤滑密封系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)機械密封而言，干氣密封突出的優(yōu)點在于動、靜環(huán)可以實現(xiàn)非接觸運行，不存在接觸摩擦，也不受PV 值限制，因此具有極長壽命和極高可靠性，尤其適用于高速、高壓的離心式壓縮機等。由于在環(huán)境保護及對人員、設(shè)備自身安全方面性能優(yōu)越，受到化工行業(yè)的廣泛青睞。下面對干氣密封的工作特點、運行原理、結(jié)構(gòu)類型及操作運行和日常維護注意事項等進行歸納。

1 密封的優(yōu)點

干氣密封是非接觸端面微間隙機械密封，適用于高溫、高壓、介質(zhì)成分復(fù)雜等苛刻條件，能夠讓機組在各種復(fù)雜條件下穩(wěn)定運行，因此干氣密封被石化行業(yè)廣泛采用，特別是大型離心壓縮機，基本都采用了干氣密封系統(tǒng)。與以前的密封油系統(tǒng)相比，干氣密封有以下主要6 個優(yōu)點：節(jié)省了復(fù)雜龐大的密封油系統(tǒng)及其功耗；保證工藝介質(zhì)不被密封油污染；密封氣體泄漏量少；維護費用低；驅(qū)動功率消耗?。粔勖L，運行可靠度高。

2 密封的工作原理

如圖1 所示，固定在轉(zhuǎn)子上的軸套、固定在軸套上的動環(huán)、可以隨動環(huán)軸向浮動的靜環(huán)，以及靜環(huán)背部的密封圈、彈簧座、推環(huán)，其余靜密封圈，組成了一個獨立的干氣密封單元。

圖2 為動環(huán)的工作面，其表面上加工有一定數(shù)量、均勻分布的淺槽（一般3～15m）。該表面由動壓槽、密封壩、密封堰三部分組成。動環(huán)旋轉(zhuǎn)時，氣體在粘性剪切力和壓差作用下進入動壓槽內(nèi)并由外徑向內(nèi)徑流動，在密封壩和密封堰的限制下被壓縮，氣體壓力升高。當(dāng)端面氣體產(chǎn)生的開啟力與靜環(huán)背后的流體靜壓力以及彈簧載荷所形成的閉合力相等時，密封面脫離并形成一定厚度的氣膜（一般3～5m），由此密封實現(xiàn)非接觸運轉(zhuǎn)。端面的氣膜具有一定的剛度，在工況發(fā)生變化時，可實現(xiàn)端面間隙適時調(diào)整，保證密封端面始終處于非接觸狀態(tài)。

圖1 干氣密封基本單元

圖2 螺旋槽

圖3 中開啟力即為氣膜作用力，閉合力=彈簧作用力Fs+流體作用力Fp。其中，氣膜厚度為ha，氣膜反力F0。當(dāng)密封運轉(zhuǎn)后，端面間會形成一個穩(wěn)定的氣膜間隙，此時密封的閉合力等于開啟力F0，密封將在此間隙下穩(wěn)定運行。當(dāng)密封受到外界干擾時，如端面間隙變小，動壓槽產(chǎn)生的流體動壓效應(yīng)增強，氣膜所產(chǎn)生的開啟力增大，靜環(huán)將發(fā)生位移并自動恢復(fù)到穩(wěn)定的運行間隙。反之，如果密封端面間隙增大，動壓槽產(chǎn)生的動壓效應(yīng)不足、開啟力減小，密封也將自動恢復(fù)到原來的間隙，從而實現(xiàn)干氣密封的非接觸穩(wěn)定。密封的運行穩(wěn)定性主要以氣膜厚度（ha）和氣膜剛度為評價指標(biāo)：氣膜厚度反映密封動、靜環(huán)脫開的距離；氣膜剛度是作用力與厚度的變化比，氣膜剛度大，密封的抗干擾力就強，能夠保證密封系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

圖3 氣膜穩(wěn)定性示意

3 機用干氣密封的結(jié)構(gòu)類型

（1）單端面結(jié)構(gòu)（圖4）。適用于工藝氣為安全性氣體的工況，少量工藝氣會泄漏到大氣中，如氮壓機、空壓機、二氧化碳壓縮機等對大氣無污染的介質(zhì)。

（2）雙端面結(jié)構(gòu)（圖5）。通常采用氮氣作為密封氣，適用于允許微量氮氣泄漏到機組內(nèi)部的情況，同時該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)工藝介質(zhì)的零泄漏。此結(jié)構(gòu)允許少量密封氮氣泄漏到工藝氣體介質(zhì)中，適用于有毒有害、易燃易爆、壓力較低的工藝介質(zhì)和要求零泄漏的生產(chǎn)工況。

圖4 單端面結(jié)構(gòu)干氣密封

圖5 雙端面結(jié)構(gòu)干氣密封

圖6 串聯(lián)式結(jié)構(gòu)干氣密封

（3）串聯(lián)式結(jié)構(gòu)（圖6）。該結(jié)構(gòu)安全性、可靠性高，但會有微量工藝氣泄漏至大氣環(huán)境中，外部氮氣不會進入工藝流程內(nèi)。該結(jié)構(gòu)負(fù)壓到高壓均可，多用于現(xiàn)場無氮氣氣源的管線壓縮機、一級泄漏氣需要回收的冷劑壓縮機等。

（4）帶中間迷宮的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)（圖7）。該結(jié)構(gòu)安全性、可靠性最高，同時既不會有工藝氣泄漏到大氣環(huán)境中，也不會有外部氮氣進入工藝流程內(nèi)，適用于各種壓力條件下的有毒有害、易燃易爆工藝介質(zhì)。

4 干氣密封運行的因素

影響干氣密封泄漏量的因素有密封環(huán)線速度、密封工作壓力、介質(zhì)溫度黏度、機組轉(zhuǎn)速等4 個方面：密封環(huán)線速度大，干氣密封的泄漏量就越大；工作壓力越高，干氣密封的泄漏量就越大；介質(zhì)黏度大，密封氣流經(jīng)密封端面的阻力會增加，但泄漏量變化不大；機組轉(zhuǎn)速越高，穩(wěn)定性就越好。

圖7 帶中間迷宮串聯(lián)式結(jié)構(gòu)干氣密封

干氣密封典型的失效模式包括：密封污染；機組振動、喘振；反壓；中分面打膠；安裝原因。在實際應(yīng)用中，大多數(shù)的干氣密封失效是由于密封污染引起的。如果密封氣帶液或帶有雜質(zhì)，則會因液體摩擦發(fā)熱或顆粒通過端面造成密封面磨損，進而影響流體動壓槽的動壓效應(yīng)，造成氣膜穩(wěn)定性下降直至無法形成氣膜，嚴(yán)重時甚至?xí)斐蓜屿o環(huán)破碎。

5 密封運行時注意事項

干氣密封系統(tǒng)都帶有分液、除沫、干燥過濾等控制過程，對主密封氣和輔助密封氣的清潔度控制和監(jiān)測有很高的要求，過濾系統(tǒng)濾芯要實時監(jiān)控、檢查和及時更換，不允許帶有雜質(zhì)和液滴，要保證密封氣的干燥和干凈。主密封氣和密封泄漏氣的溫度、流量和壓力等控制參數(shù)要實時監(jiān)控，設(shè)置聲光報警系統(tǒng)，通過對這些參數(shù)的監(jiān)控和測量來監(jiān)測和保證干氣密封的實際運行狀況。

日常的操作和運行維護，其實主要就是對干氣密封控制系統(tǒng)的使用、監(jiān)測和維護，以達(dá)到對干氣密封的維護。

（1）防反壓串壓：工藝介質(zhì)的反壓串壓會導(dǎo)致密封環(huán)的損壞。

（2）防反轉(zhuǎn)：單向螺旋槽干氣密封反向旋轉(zhuǎn)會損壞密封環(huán)。

（3）暖機：避免在過低的暖機轉(zhuǎn)速下連續(xù)運轉(zhuǎn)，干氣密封允許的最低暖機轉(zhuǎn)速與干氣密封規(guī)格有關(guān)。暖機轉(zhuǎn)速切忌過低。

（4）盤車：避免在過高的盤車轉(zhuǎn)速下連續(xù)盤車，干氣密封允許的最大盤車轉(zhuǎn)速與干氣密封的規(guī)格有密切關(guān)系。盤車轉(zhuǎn)速切忌過高，盤車時間不宜過長。

（5）避免或減少振動：干氣密封的使用條件應(yīng)使運行機組滿足API617 的振動要求。

（6）泄漏趨勢：泄漏量的監(jiān)控和漏量報警，可以實時了解密封的實際運行狀況。

（7）氣體品質(zhì)：應(yīng)密切關(guān)注干氣密封所需密封氣的氣體品質(zhì)情況，定期檢查和更換干氣密封控制系統(tǒng)的過濾器、聚結(jié)器、加熱器等，確保干氣密封處于干凈、干燥的工作環(huán)境。

（8）氣源的穩(wěn)定性和連續(xù)性：應(yīng)保證密封氣源的連續(xù)性和穩(wěn)定性，包括密封氣和隔離氣等。避免因斷氣和流量不足造成工藝介質(zhì)倒灌或潤滑油進入密封。

（9）排凝：排除凝液，避免液滴對密封系統(tǒng)的沖擊。

6 結(jié)束語

干氣密封系統(tǒng)有功耗低、泄漏少、運行周期長、可靠性高、運行維護便捷等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于化工裝置大型離心機組。近年來，隨著越來越多的高溫高壓和液化氣等高危機泵采用干氣密封，對設(shè)備維護和管理人員干氣密封操作和維護學(xué)習(xí)的要求也越來越高。在設(shè)備選型方面，要根據(jù)不同的需求選用合適的干氣密封型式；在運行方面，要避免出現(xiàn)密封失效事件，實現(xiàn)機組機泵的安全可靠運行。這些都是相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該學(xué)習(xí)并掌握的基礎(chǔ)知識，也是為企業(yè)能夠長期科學(xué)發(fā)展、裝置能夠長周期平穩(wěn)運行應(yīng)盡的責(zé)任。