有毒氣體壓縮機(jī)干氣密封安全性分析及改進(jìn)方案

朱妙凡*

（惠生工程（中國(guó)）有限公司）

0 引言

干氣密封是離心壓縮機(jī)常見(jiàn)的密封形式，目前普遍遵循的標(biāo)準(zhǔn)是API 692-2018《軸向、離心式和旋轉(zhuǎn)螺桿壓縮機(jī)和膨脹機(jī)用干氣密封系統(tǒng)》。

如工作介質(zhì)為有毒有害氣體，通常采用該標(biāo)準(zhǔn)中的雙端面密封（低壓場(chǎng)合）或帶級(jí)間密封的串聯(lián)式密封（中高壓場(chǎng)合）。需要注意的是，API 692-2018 標(biāo)準(zhǔn)僅涵蓋干氣密封的最低技術(shù)要求，并沒(méi)有針對(duì)工作介質(zhì)是高度或者極度危害的有毒氣體，提出進(jìn)一步的要求或者方案。下面以比較常見(jiàn)的雙端面干氣密封為例分析其安全性，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。

1 安全性分析

API 692-2018 標(biāo)準(zhǔn)中的雙端面干氣密封原理如圖1 所示。主密封和輔助密封對(duì)向布置，均含動(dòng)靜密封環(huán)。主輔密封之間注入壓力高于工藝密封氣。緩沖氣隔離開(kāi)工藝氣和主密封。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一部分密封氣通過(guò)主密封動(dòng)靜環(huán)之間的間隙和緩沖氣一起漏到壓縮機(jī)的工藝側(cè)。剩余部分密封氣通過(guò)輔助密封動(dòng)靜環(huán)之間的間隙放空到外部環(huán)境。隔離氣隔離開(kāi)干氣密封和軸承側(cè)的潤(rùn)滑油系統(tǒng)。主密封氣和緩沖氣之間配有壓差表P，如壓差降低到一定數(shù)值，則表明密封失效。

圖1 雙端面干氣密封原理圖

工作介質(zhì)為高度或極度危害的有毒氣體時(shí)，雙端面密封雖然有一定的安全性（配有輔助密封），但仍存在以下不足。

（1）無(wú)法判定密封失效位置

無(wú)論主密封或輔助密封失效，甚至二者均失效，密封氣都會(huì)大量進(jìn)入到工藝側(cè)或者大氣中，壓力無(wú)法維持，壓差表將顯示壓差降低，無(wú)法從壓差表的讀數(shù)判定密封失效位置，從而觸發(fā)連鎖停機(jī)。

（2）主密封失效造成有毒氣體泄漏

如主密封失效，輔助密封只是控制泄漏，但不能完全阻止工藝氣進(jìn)入到大氣中或者潤(rùn)滑油系統(tǒng)中。如果主副密封都失效，則會(huì)有大量有毒工藝氣泄漏。

（3）輔助密封失效造成主密封損壞

如輔助密封失效，密封氣壓力會(huì)降低，主密封前后無(wú)法建立足夠的壓差，旋轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)靜環(huán)之間因無(wú)法形成氣膜而直接接觸產(chǎn)生干摩擦，導(dǎo)致主密封面損壞。

（4）密封氣中斷導(dǎo)致干氣密封損壞或氣體泄漏

如密封氣中斷，密封的動(dòng)靜環(huán)之間無(wú)法形成氣膜，壓縮機(jī)連鎖停機(jī)。壓縮機(jī)連鎖停機(jī)到完全停止這段時(shí)間（惰轉(zhuǎn)時(shí)間）內(nèi)，由于慣性，軸和葉輪仍然持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)過(guò)程需要持續(xù)幾分鐘。這段時(shí)間內(nèi)動(dòng)靜環(huán)之間的密封面因無(wú)氣膜而造成損壞。停機(jī)后因無(wú)密封氣，壓縮機(jī)內(nèi)殘存的有毒工藝氣會(huì)通過(guò)損壞的干氣密封面向外泄漏。

（5）隔離氣中斷導(dǎo)致干氣密封污染

如隔離氣中斷，壓縮機(jī)連鎖跳車(chē)，在惰轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)，潤(rùn)滑油泵仍然在運(yùn)轉(zhuǎn)，帶壓的潤(rùn)滑油會(huì)進(jìn)入到干氣密封處污染甚至損壞密封面。

2 改進(jìn)方案

2.1 方案一、增加帶碳環(huán)的安全腔

在輔助密封和放空口之間增加一安全腔，安全腔和放空口之間用碳環(huán)隔離開(kāi)，詳見(jiàn)圖2 部件18（安全腔）和部件19（碳環(huán)）。碳環(huán)由置于外徑上的彈簧抱住，內(nèi)徑處與軸套之間存在微小間隙，通?？刂圃?.02 mm 左右。工作時(shí)由輔助密封泄漏出的氣體先進(jìn)入安全腔，然后在碳環(huán)與軸套之間形成氣膜,產(chǎn)生壓差節(jié)流, 從而阻止氣體流向外界。在此腔上配置壓力監(jiān)控P1。

圖2 帶安全腔監(jiān)控的雙端面干氣密封原理圖 (依據(jù)API692改進(jìn))

該方案在以下幾個(gè)方面提高了安全性：

（1）判定密封失效位置

準(zhǔn)確判定失效位置有助于制定相應(yīng)的安全措施和維修方案。如輔助密封處失效，密封氣會(huì)先漏到該安全腔中，相應(yīng)壓力指示P1 會(huì)升高。結(jié)合P1 和P顯示的數(shù)值，將能判定出密封失效是在主密封處還是輔助密封處，詳見(jiàn)表1。

表1 密封失效處判定

（2）減少密封失效情況下氣體的泄漏

如主密封失效或主輔密封均失效，安全腔處的碳環(huán)能起到一定的密封作用，阻止工藝氣體泄漏。

（3）保護(hù)主密封

如輔助密封失效，由有安全腔處碳環(huán)具有節(jié)流作用，密封氣不會(huì)大量泄漏到外界，仍會(huì)在主密封處保持一定的壓力來(lái)維持動(dòng)靜環(huán)之間的氣膜，從而起到保護(hù)主密封的作用。

（4）阻止?jié)櫥瓦M(jìn)入密封

增加的碳環(huán)在因隔離氣中斷而造成壓縮機(jī)停機(jī)的惰轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)，對(duì)軸承側(cè)帶壓的潤(rùn)滑油起到阻止和緩沖的作用，防止或減輕其進(jìn)入干氣密封造成污染。

2.2 方案二、配備應(yīng)急密封氣及隔離氣

API 692-2018 標(biāo)準(zhǔn)中，備用氣只通過(guò)一個(gè)手閥和止回閥連接到密封氣供給管線(xiàn)上。如密封氣中斷，備用密封氣不能立即自動(dòng)送到密封氣輔助系統(tǒng)干氣密封會(huì)因此失效，如圖3 所示。

圖3 雙端面密封之密封氣供給 (API692)

具體改進(jìn)方案如下：配備應(yīng)急密封氣的儲(chǔ)罐，壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)罐充滿(mǎn)氣，罐出口管路上配雙電磁閥。設(shè)計(jì)雙電磁閥的目的是為了提高閥門(mén)的可靠性。如果密封氣中斷，則會(huì)觸發(fā)連鎖并開(kāi)啟電磁閥，使儲(chǔ)罐內(nèi)的密封氣持續(xù)地注入干氣密封中，如圖4 所示。

圖4 雙端面密封的密封氣和應(yīng)急密封氣供給 (依據(jù)API692改進(jìn))

氣罐的容積根據(jù)密封氣的消耗量（數(shù)據(jù)由干氣密封廠(chǎng)家提出）和停機(jī)后所需密封氣的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，在這里不做陳述。如計(jì)算后所需氣罐容積過(guò)大，可用20 MPa、50 L 的移動(dòng)式氣瓶組代替。同樣隔離氣供給也可配備應(yīng)急儲(chǔ)氣罐，或和密封氣共用一個(gè)儲(chǔ)氣罐。

該方案在以下方面提高了安全性：

（1）保護(hù)干氣密封

一旦供氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障，密封氣和緩沖氣之間的壓差下降到一定數(shù)值時(shí)，應(yīng)急氣能立即啟用，維持住動(dòng)靜環(huán)密封面之間的氣膜，同時(shí)阻止?jié)櫥瓦M(jìn)入，起到保護(hù)干氣密封的作用。

（2）防止有毒氣體外漏

當(dāng)供氣中斷后，壓縮機(jī)連鎖停機(jī)，應(yīng)急氣啟用并能保持一段時(shí)間（如1 h）。該段時(shí)間內(nèi)操作人員能用氮?dú)鈱?duì)壓縮機(jī)內(nèi)部進(jìn)行吹掃置換，防止工藝氣通過(guò)干氣密封泄漏。

2.3 方案三、增加安全報(bào)警信號(hào)

API 692—2018 標(biāo)準(zhǔn)第三部分第10 節(jié)中表8 列出了保護(hù)雙端面密封所需報(bào)警的最低要求，基于此表和上述的改進(jìn)方案，將報(bào)警信號(hào)進(jìn)行更新，如表2 所示。低低報(bào)和高高報(bào)用于連鎖停機(jī)。

表2 改進(jìn)后的雙端面密封安全報(bào)警信號(hào)

表2中增加的安全腔壓力的高報(bào)、低報(bào)信號(hào)能提示密封的失效位置（可見(jiàn)表1），增加的密封氣、隔離氣壓力低報(bào)信號(hào)能提示應(yīng)急氣系統(tǒng)不在正常工作狀態(tài)。任一報(bào)警信號(hào)出現(xiàn)，都應(yīng)采取相應(yīng)措施（檢查系統(tǒng)、調(diào)整參數(shù)、及時(shí)維修等）。改進(jìn)后的報(bào)警信號(hào)進(jìn)一步提高了整個(gè)干氣密封系統(tǒng)的安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

干氣密封系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)API 692-2018 沒(méi)有說(shuō)明在安全設(shè)計(jì)需考慮的具體方案和要求。如照搬標(biāo)準(zhǔn)里推薦的內(nèi)容來(lái)設(shè)計(jì)用于高度或者極度危害氣體的干氣密封系統(tǒng)，則安全性堪憂(yōu)。

本文基于密封失效和密封氣、隔離氣中斷的情況下，分析了常規(guī)API 692-2018 中的雙端面干氣密封應(yīng)用于高度或者極度危害氣體時(shí)的不足之處。提出了增加帶碳環(huán)的安全腔以及備用密封隔離氣的改進(jìn)方案，并推薦了相關(guān)報(bào)警信號(hào)。串聯(lián)式的干氣密封安全性的改進(jìn)也可采用類(lèi)似方案。其適用于化工、石化、醫(yī)藥、半導(dǎo)體等含有毒有害氣體的離心、螺桿壓縮機(jī)和膨脹機(jī)干氣密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或改造，以及其他安全性高于API 692—2018 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。上述方案在實(shí)際的工程項(xiàng)目中已經(jīng)得到了實(shí)施和驗(yàn)證，并取得良好效果。目前國(guó)內(nèi)對(duì)工作介質(zhì)為高毒性氣體的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少，其干氣密封設(shè)計(jì)普對(duì)于安全性的要求缺乏考慮。希此文要為相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員在干氣密封安全性設(shè)計(jì)提供參考。