催化氣壓機干氣密封改造后應用分析

吳張勇

摘????? 要： 早期催化氣壓機密封多為浮環(huán)密封，存在可靠性低、油消耗量大的問題，目前已逐漸被性能更加可靠、清潔的干氣密封所取代。機組改造成干氣密封后仍存在干氣密封失效的可能性。對各種可能失效原因進行分析，提出相應應對措施，提高改造后干氣密封運行的可靠性，對其他有改造需求的機組有借鑒意義。

關(guān)? 鍵? 詞：催化氣壓機；干氣密封；失效；應對措施

中圖分類號：TQ050.3????? 文獻標識碼： A???? 文章編號： 1004-0935（2024）06-0959-04

密封是轉(zhuǎn)動設備重要附件，它主要起軸向密封作用，阻止機體內(nèi)介質(zhì)向環(huán)境中泄漏。過去催化氣壓機使用浮環(huán)密封，動靜環(huán)密封面緊密貼合，注入氮氣（或經(jīng)處理后潔凈的工藝氣）作參考氣和密封油，用油來密封氣體。該密封存在可靠性低、潤滑油消耗量大、產(chǎn)生污油多、受工藝條件波動密封性能不穩(wěn)定、一旦出現(xiàn)泄漏導致潤滑油進入機體內(nèi)造成污染輸送介質(zhì)等情況。隨著人們對安全環(huán)保的要求不斷提高，對各類轉(zhuǎn)動密封的密封要求和品質(zhì)也越來越高。而干氣密封技術(shù)的出現(xiàn)和成熟應用，滿足了當下對密封品質(zhì)的要求，因此催化富氣壓縮機組密封系統(tǒng)已逐步改造為干氣密封。

1? 干氣密封的原理

1.1? 原理介紹

干氣密封是基于現(xiàn)代流體動壓潤滑理論的一種新型非接觸式氣膜密封。與傳統(tǒng)密封動、靜環(huán)密封面貼合緊密不同的是：干氣密封在密封動環(huán)或靜環(huán)端面上通常開出微米級流槽 （8～15 μm 以內(nèi)），在動、靜環(huán)接觸面注入一定壓力潔凈氣體，當端面產(chǎn)生相對運動時，注入的氣體在兩端面間形成流體壓力來平衡密封的閉合力（主要為密封介質(zhì)壓力+密封的彈簧力），實現(xiàn)密封動靜密封面的非接觸運轉(zhuǎn)。注入的潔凈氣體成為一個阻塞密封系統(tǒng)，防止介質(zhì)氣體向外泄漏。實際中使用較為廣泛的流槽形式有：T型臺階式、斜平面式和螺旋槽面式。其中以螺旋槽面式密封性能最佳。螺旋槽面式密封工作原理如圖 1所示。動環(huán)端面上開有螺旋槽，整個端面分為槽區(qū)、堰區(qū)和壩區(qū)。槽區(qū)主要提供必需的流體動壓力，壩區(qū)主要阻擋氣體向內(nèi)側(cè)流動，以實現(xiàn)氣體被壓縮形成動壓效應， 增大氣膜剛度，還可在密封停車時起密封作用。其工作原理為：當動環(huán)按圖1所示逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，由于黏性作用，氣體以速度 v 進入螺旋槽，速度 v 可分解為垂直于螺旋槽速度和與螺旋槽相切速度。其中，主要提供流體動壓力而氣流以速度運動到壩區(qū)后被壓縮體積減小，壓力升高，使密封面打開，從而實現(xiàn)非接觸運轉(zhuǎn)。

1.2? 運行時密封力的平衡

干氣密封正常工作時，動、靜環(huán)密封面的氣膜一方面提供開啟力，來平衡閉合力；另一方面可起潤滑冷卻作用。 理想設計工況下，密封端面氣膜開啟力等于閉合力。受外界擾動，端面間隙減小，則流體動壓效應增強，開啟力大于閉合力，密封增大間隙，重新恢復到原來工作狀態(tài)。反之，如果在外界干擾下，間隙增大，則流體動壓效果減弱，開啟力小于閉合力，密封減小間隙，又恢復到原來的工作狀態(tài)。這種“自平衡”能力就是干氣密封與傳統(tǒng)密封相比的另一個優(yōu)勢。干氣密封如圖2所示。所以干氣密封這種“非接觸，自平衡”特點對機組工藝狀況的變化（轉(zhuǎn)速、流量、壓力）的適應能力更強，相較于原浮環(huán)密封有著更穩(wěn)定的密封效果。

1.3? 催化富氣壓縮機干氣密封布置形式

催化富氣壓縮機干氣密封采用雙端面密封，相當于面對面布置的2套單端面密封，有時2個密封共用1個動環(huán)，如圖3所示。

它適用于沒有火炬條件，允許少量緩沖氣進入工藝介質(zhì)中的情況。在2組密封之間通入氮氣作阻塞氣體而成為一個性能可靠的阻塞密封系統(tǒng)，控制氮氣的壓力使其始終維持在比工藝氣體壓力稍高（0.2～0.3 MPa）的水平，這樣氣體泄漏的方向總是朝著工藝介質(zhì)氣體和大氣，從而保證了工藝氣體不會向大氣泄漏。前置（隔離）氣（可以是氮氣，也可以是干凈工藝氣）全部進入機組內(nèi)部，其作用是阻擋機殼內(nèi)臟的氣體竄到干氣密封區(qū)域，污染密封。后置隔離氣通過內(nèi)側(cè)迷宮泄漏與泄漏氣混合后通過二級密封泄漏氣通道引至室外安全排放，另一部分通過外側(cè)迷宮泄漏至機組軸承箱內(nèi)，通過軸承箱上的放出，其作用是防止?jié)櫥臀廴久芊?。實際使用時在機組的驅(qū)動端和非驅(qū)動端各設置一套雙端面干氣密封。

2? 產(chǎn)生失效的因素

2.1? 反轉(zhuǎn)的影響

原浮環(huán)密封對反轉(zhuǎn)要求不高，即使機組出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，只要密封油與參考氣差壓穩(wěn)定，一般仍能保證密封效果。但是螺旋槽面式干氣密封要求單向旋轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)不能形成有效的氣膜壓力，就有可能損壞密封。在實際應用中，只有當氣壓機突然停機后，出口介質(zhì)壓力高倒串至入口，才會導致機組發(fā)生反轉(zhuǎn)。此時只要機組防喘振閥門快開，迅速平衡機組出、入口壓力并在出口設置單向閥，就能防止氣體倒串來防止反串。由于機組在運行時，防喘振系統(tǒng)長期投用，在機組停機聯(lián)鎖時快速打開，一般來說不易發(fā)生反轉(zhuǎn)。但是當機組因其他原因?qū)е峦C（不是聯(lián)鎖），例如儀表失靈使主汽門或調(diào)速器閥突然關(guān)閉，導致機組停止運行，此時主要依靠管路單向閥來防止氣體反串。老的氣壓機管路設計單向閥多為一臺機械式單向閥，長期使用后閥門密封的可靠性低，導致機組反轉(zhuǎn)損壞密封可能性加大。針對此問題，從2方面解決：一是按最新防倒串要求，在機組各段出口增設一臺與原有形式不同的單向閥；二是優(yōu)化停車邏輯，當機組轉(zhuǎn)速小于某一值時控制系統(tǒng)判斷為機組停車，強制防喘振閥打開。

2.2? 轉(zhuǎn)速的影響

根據(jù)干氣密封原理，只有當軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)后，干氣密封才能正常發(fā)揮作用。一般情況要求轉(zhuǎn)速大于?? 5 m·s-1。而原浮環(huán)密封對轉(zhuǎn)速沒有特殊要求。當機組進行密封改造時要考慮在低速暖機時暖機轉(zhuǎn)速是否低于干氣密封要求的轉(zhuǎn)速。還要考慮在盤車時，盤車時間和轉(zhuǎn)速對干氣密封造成的影響。針對此問題，對于盤車和低速暖機這種情況應告知密封制造廠家，要求給出具體的技術(shù)要求。暖機轉(zhuǎn)速不能滿足干氣密封要求的，根據(jù)密封技術(shù)要求和機組結(jié)構(gòu)對其暖機轉(zhuǎn)速和時間進行優(yōu)化，兼顧暖機的效果和干氣密封對轉(zhuǎn)速的需求。

2.3? 氣源的影響

由于催化富氣雜質(zhì)較多、成分復雜、易液化等特性不能作為前置隔離氣氣源。所以氣壓機干氣密封氣源都使用干凈的氮氣，要求壓力0.6 MPa（A），并要求連續(xù)供氣。可供選擇氣源為低壓氮氣（壓力0.6 MPa）和經(jīng)中壓氮氣（壓力1.6 MPa）降壓后使用。供應方式為經(jīng)壓控閥（減壓閥）直供和經(jīng)壓控閥（減壓閥）先進緩沖罐，由緩沖罐直供。由于氮氣中斷或壓力低會導致停機聯(lián)鎖動作，從可靠性和穩(wěn)定性以及在出現(xiàn)問題時預留處理時間考慮，有條件企業(yè)應選擇中壓氣減壓經(jīng)緩沖罐為主供氣源，低壓氮氣為備用氣源，避免直供的方案。在實際應用中，減壓閥和壓力調(diào)節(jié)閥可以并聯(lián)使用，防止串聯(lián)使用時因閥門故障導致氣源突然中斷。

2.4? 潤滑油的污染

在原浮環(huán)密封氣壓機中，只要油系統(tǒng)具備條件即可啟動潤滑油泵，在改造成干氣密封后，必須投用干氣密封后才能啟動油泵，否則潤滑油進入干氣密封系統(tǒng)損壞密封。在進行密封改造的同時，必須相應完善潤滑油泵啟動邏輯，否則極易造成誤操作。由于目前新的機組都配套使用的干氣密封，可以借鑒它們的控制邏輯：滿足密封氣壓力或機組轉(zhuǎn)速大于10 r·min-1 2個條件之一時才能啟動油泵。

2.5 壓縮機平衡管壓力對干氣密封工藝參數(shù)的影響

平衡管（鼓）是一套平衡機組軸向力的裝置，平衡管壓力一般會與機組入口壓力相等，此時機組驅(qū)動端和非驅(qū)動端前置（隔離）氣所需壓力相等；如平衡管壓力大于機組入口壓力，機組驅(qū)動端和非驅(qū)動端前置（隔離）氣所需壓力不相等，驅(qū)動端前置（隔離）氣所需壓力會高于非驅(qū)動端前置（隔離）氣所需壓力，在干氣密封開車前投用驅(qū)動端前置（隔離）氣時要設置一定的預留量，避免前置氣壓力不足導致無法注入，或開車后工藝氣與密封氣直接接觸，污染或損壞密封面。

2.6? 干氣密封工藝參數(shù)的監(jiān)控不足的影響

干氣密封投用后，對運行狀況實時監(jiān)控。為了確保密封氣阻隔作用，密封氣與前置密封氣差壓低于0.02 MPa時，認為存在工藝氣泄漏的風險，控制系統(tǒng)會發(fā)出停車信號。該差壓表起初多設置為“一選一”聯(lián)鎖，與最新的聯(lián)鎖設置要求不符，建議改為“二選二”或“三選二”聯(lián)鎖形式。

2.7? 工況的影響

在壓縮機處于喘振工況時，工藝氣壓力和轉(zhuǎn)速不斷往復波動，干氣密封端面間隙不斷變化，密封效果下降，在長時間喘振工況條件下，有損壞密封可能性。在正常運行時要將防喘振系統(tǒng)投入自動，避免喘振工況。

3? 失效的后果

當密封端面進入了固體顆粒物或液相雜物，均會導致密封槽泵送能力下降，液相雜物還會因為摩擦氣化產(chǎn)生“汽錘”效應，造成氣膜壓力和厚度不穩(wěn)定，當這種不穩(wěn)定的氣膜壓力和厚度超過密封自平衡能力時兩端密封面發(fā)生摩擦，密封面出現(xiàn)磨痕，磨痕反過來加劇了氣膜厚度和壓力不穩(wěn)定。從監(jiān)控系統(tǒng)上看，密封氣壓力波動，流量變大。出現(xiàn)這種情況一般不需要立即停機處理。

當長時間出現(xiàn)輕度失效，密封端面沒有修復能力，不斷產(chǎn)生磨痕后，抗干擾能力下降，密封面接觸的機會增加，摩擦熱導致裂紋產(chǎn)生，會發(fā)生重度失效，此時密封氣壓力波動，流量變大到超過報警值，此時需要停機處理。

4? 結(jié)束語

催化氣壓機干氣密封改造時要考慮干氣密封對轉(zhuǎn)速要求，優(yōu)化氣源方案；在實施改造和檢修期間要將管線吹掃干凈；在機組運行過程中，做好人員培訓，按操作步驟進行操作，合理設置密封氣體參數(shù)；避免喘振工況；在機組正常開、停機過程中，通過儀控方案的優(yōu)化可以有效避免開機時潤滑油進入干氣密封系統(tǒng)。

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Application Analysis of Dry Gas Seal of Catalytic

Gas Compressor After Modification

WU Zhangyong

（Sinopec-SK （Wuhan） Petrochemical Co.， Ltd.， Wuhan Hubei 430081， China）

Abstract：? In the early stage， the seal of catalytic gas compressor is mostly floating ring seal， which has problems of low reliability and large oil consumption. At present， it has been gradually replaced by dry gas seals with more reliable and clean performance. After the floating ring seal is transformed into dry gas seal， the dry gas seal fails due to various reasons. In this paper， the causes of various possible failures were analyzed，and corresponding countermeasures to improve the reliability of dry gas seal operation were put forward， which can be used as reference for other units with transformation requirements.

Key words：? Catalytic air compressor; Dry gas seal; Failure; Countermeasures