干氣密封的選用及失效分析

摘 要：文章介紹干氣密封的結(jié)構(gòu)及工作原理，分析干氣密封的排列方式及使用條件，給出干氣密封的選用原則；分析干氣密封失效的原因并給出相應(yīng)的防范措施。干氣密封的選用主要根據(jù)要密封的介質(zhì)的組分、壓力、溫度以及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等條件。導(dǎo)致干氣密封失效的原因主要有設(shè)計(jì)不合理、密封氣質(zhì)量差、密封控制系統(tǒng)故障等。

關(guān)鍵詞：干氣密封；選用原則；失效分析

1 引言

干氣密封是一種新型的非接觸式機(jī)械密封，用于密封旋轉(zhuǎn)機(jī)器中的氣體或液體介質(zhì)。與其它密封相比，干氣密封具有泄漏量少，磨損小，壽命長(zhǎng)，能耗低，操作簡(jiǎn)單可靠，維修量低，被密封的流體不受油污染等特點(diǎn)。因此，在壓縮機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，干氣密封正逐漸替代浮環(huán)密封、迷宮密封和油潤(rùn)滑機(jī)械密封。干氣密封使用的可靠性和經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)被許多工程應(yīng)用實(shí)例所證實(shí)。

目前，干氣密封主要用在離心式壓縮機(jī)、軸流式壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)和透平膨脹機(jī)上。干氣密封已經(jīng)成為壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和操作可靠的重要部件。

本文主要敘述壓縮機(jī)干氣密封機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、原理、選用原則及密封失效分析。

2 干氣密封基本結(jié)構(gòu)

3 干氣密封工作原理

干氣密封即Dry gas seal，是將流體潤(rùn)滑理論用于氣體密封的一種新型軸端密封。其作用原理：當(dāng)端面外側(cè)開(kāi)設(shè)有流體動(dòng)壓槽（2.5～10？滋m）的動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體動(dòng)壓槽把外徑側(cè)（稱之為上游側(cè)）的高壓氣體泵入密封端面之間，由外徑至內(nèi)徑處氣膜壓力逐漸增加，當(dāng)端面膜壓增加所形成的開(kāi)啟力大于或等于作用在密封環(huán)上的閉合力時(shí)，便在摩擦副之間形成很薄的一層氣膜（2～5？滋m）從而使密封工作在非接觸狀態(tài)下。所形成的氣膜完全阻塞了相對(duì)低壓的密封介質(zhì)泄漏通道，實(shí)現(xiàn)了密封介質(zhì)的零泄漏或零逸出。

4 干氣密封的選用

4.1 基本結(jié)構(gòu)形式及適用條件

4.1.1 單端面密封結(jié)構(gòu)

如圖3，其結(jié)構(gòu)是安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的動(dòng)環(huán)與安裝在機(jī)殼內(nèi)的靜環(huán)組成一對(duì)摩擦副，與普通的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)相近，在靜環(huán)的背面有彈簧的推力，壓縮機(jī)靜止時(shí)使得動(dòng)靜環(huán)始終保持接觸，但是，在動(dòng)環(huán)摩擦面上加工有氣體潤(rùn)滑槽，當(dāng)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)，在氣體潤(rùn)滑槽內(nèi)氣體壓力升高的作用下，推開(kāi)靜環(huán)，在動(dòng)靜環(huán)之間形成穩(wěn)定的氣膜。由于在動(dòng)環(huán)內(nèi)孔以及靜環(huán)內(nèi)孔處有O形圈，當(dāng)密封腔內(nèi)氣體有壓力時(shí)不會(huì)泄漏。另外，在干氣密封腔室內(nèi)側(cè)還有梳齒密封，當(dāng)在該梳齒密封與干氣密封之間通入比壓縮機(jī)入口壓力高的密封氣時(shí)，該氣體絕大部分流經(jīng)梳齒密封進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)部，將壓縮機(jī)內(nèi)的氣體阻擋在梳齒內(nèi)側(cè)，完成對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)的氣體的密封要求；只有極少的密封氣體泄漏到密封腔室之外的火炬管路。

上述結(jié)構(gòu)組成一套獨(dú)立的密封單元，可完成對(duì)工藝氣體的阻封功能。一套密封單元組成的干氣密封稱為單端面干氣密封。常用于無(wú)毒、無(wú)爆炸危險(xiǎn)的氣體的密封，如，化肥廠的二氧化碳?jí)嚎s機(jī)常選用這種干氣密封。

4.1.2 不帶中間迷宮密封的串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)

如圖4，在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)單端面密封前后串聯(lián)放置形成兩級(jí)密封。介質(zhì)側(cè)的密封（一級(jí)密封）承受了密封氣與火炬氣之間的全部壓差，大氣側(cè)密封（二級(jí)密封）是安全備用密封，當(dāng)介質(zhì)側(cè)密封失效時(shí)，大氣側(cè)密封承擔(dān)全部壓差，確保安全停機(jī)檢修。介質(zhì)側(cè)密封和大氣側(cè)密封之間的泄漏通過(guò)接口“B”引到火炬燒掉，對(duì)“B”口排氣量或者排氣壓力的檢測(cè)是監(jiān)視密封運(yùn)行狀態(tài)的唯一方法。大氣側(cè)密封所承受的壓力與火炬壓力相同，因此介質(zhì)泄漏到大氣側(cè)和到排氣口的量非常小。正是由于這種微小的密封氣泄漏決定了這種密封不能在泄漏量為零的嚴(yán)苛條件下選用。但是，在輸氣管線壓縮機(jī)上幾乎無(wú)一例外地采用這種密封，這也和偏遠(yuǎn)的輸氣管線現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有氮?dú)庠从嘘P(guān)。其安全性和可靠性與帶中間迷宮密封的串聯(lián)密封相同，而初投資和運(yùn)行成本明顯低于帶中間迷宮密封的串聯(lián)密封。

4.1.3 帶中間迷宮密封的串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)

如果工藝介質(zhì)不允許泄漏到大氣中和緩沖氣體不允許泄漏到工藝介質(zhì)中，此時(shí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩級(jí)密封間增加迷宮密封。此種結(jié)構(gòu)的密封工作時(shí)，泄漏的工藝氣體通過(guò)接口“B”排到火炬。同時(shí)，在大氣側(cè)密封通過(guò)接口“C”沖入緩沖氣體（通常為氮?dú)猓＞彌_氣體的壓力高于火炬氣管路的壓力，保證有連續(xù)的氣流通過(guò)迷宮密封到火炬的出口，阻封了一級(jí)密封泄漏的密封氣，也為二級(jí)密封提供了潤(rùn)滑和冷卻的氣體。這種密封是當(dāng)前唯一可以應(yīng)用于所有場(chǎng)合的密封形式。但是，這種密封造價(jià)高、運(yùn)行成本高，尤其是壓縮機(jī)壓力很低的場(chǎng)合如果選用這種密封，其運(yùn)行成本大大高于下面介紹的雙端面干氣密封（如圖5）。

4.1.4 雙端面密封結(jié)構(gòu)

此結(jié)構(gòu)，典型的應(yīng)用是不允許介質(zhì)泄漏到大氣側(cè)，主要用于石油化工行業(yè)和其他有害氣體壓縮機(jī)。

雙端面密封是一種有效地防止介質(zhì)氣體逃逸到周圍環(huán)境中的密封結(jié)構(gòu)。它將兩個(gè)獨(dú)立的單端面干氣密封安裝在一個(gè)密封座的兩側(cè)，其中兩個(gè)靜環(huán)相對(duì)（或者說(shuō)兩個(gè)動(dòng)環(huán)相背）。在兩道密封之間通過(guò)接口“C”加一個(gè)比介質(zhì)壓力高的密封氣體（一般緩沖氣體的壓力比介質(zhì)壓力高0.2MPa、通常為氮?dú)猓Ｃ芊饩彌_氣體一部分泄漏到大氣，另部分泄漏到介質(zhì)中。這種密封安全、可靠、初投資少、廣泛用于壓力較低的壓縮機(jī)上，如小于2MPa的催化、裂化、焦化、冷凍壓縮機(jī)，尤其是各種冷凍壓縮機(jī)上其運(yùn)行成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他種密封形式，一年節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用至少可以回收全部密封及其系統(tǒng)的投入。其弱點(diǎn)是只能應(yīng)用于壓力較低的壓縮機(jī)，這也和這種密封必須使用氮?dú)猓髽I(yè)一般都有低壓氮?dú)猓瑓s不一定有高壓氮?dú)猓拗屏怂膽?yīng)用（如圖6）。

以博格曼干氣密封DGS20 及PDGS10系列為例，列出干氣密封的適用條件：

DGS20系列：最大壓力可承受10Mpa，溫度可承受-20℃～200℃；

PDGS10 系列：最大壓力可承受45Mpa，溫度可承受-170℃～230℃。

4.2 干氣密封的選用原則：

在實(shí)際應(yīng)用中，干氣密封的選用主要基于以下幾點(diǎn)：

（1）被輸送介質(zhì)的溫度范圍，壓力范圍；（2）工藝氣介質(zhì)成分，是否含有有毒有害氣體，是否允許泄漏到大氣中，介質(zhì)中是否還有腐蝕性氣體，如H2S等；（3）壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。

5 干氣密封失效分析及解決方法

導(dǎo)致干氣密封失效主要有設(shè)計(jì)不合理、密封氣源質(zhì)量差、控制系統(tǒng)故障等3個(gè)方面的因素。

5.1 設(shè)計(jì)不合理

實(shí)踐證明，壓縮機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)是干氣密封失效的高發(fā)時(shí)期。可是，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中忽略了這個(gè)時(shí)期的補(bǔ)救措施：增壓泵和備用氣源。干氣密封在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以通過(guò)引入高壓端的工藝氣作為密封氣源，但在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)沒(méi)有外界密封氣源。為解決上述問(wèn)題，目前一般采取的方法是：在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)旁路，采用氮?dú)庾鳛橐龑?dǎo)啟動(dòng)的密封氣源，當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，馬上切換到系統(tǒng)自身的高壓端氣源作為密封氣源，這樣就保護(hù)了干氣密封在啟動(dòng)時(shí)可能導(dǎo)致的損壞。增壓泵是解決啟動(dòng)、停機(jī)時(shí)的密封氣壓力不足的有效措施，“不買增壓泵就多買密封備件”，實(shí)際運(yùn)行正是這樣。另外，在密封氣源管路上設(shè)計(jì)安裝流量和壓力檢測(cè)儀表，隨時(shí)監(jiān)測(cè)密封氣源狀態(tài)。

密封設(shè)計(jì)中選用合適的材料是應(yīng)該注意的問(wèn)題，傳統(tǒng)機(jī)械密封的動(dòng)靜環(huán)選用碳化鎢（硬質(zhì)合金）較多，這種材料便宜、易于取得。但是，在干氣密封中選用這種材料，在密封失效時(shí)碎裂的硬質(zhì)合金碎塊會(huì)像車刀一樣車壞密封軸套，甚至車到壓縮機(jī)主軸，這種事故發(fā)生多起，給石化企業(yè)造成極大損失，應(yīng)該拒絕選用。當(dāng)前，采用碳化硅或者氮化硅是合理的選擇。

5.2 密封氣源質(zhì)量差

干氣密封失效主要表現(xiàn)為動(dòng)靜環(huán)的磨損，從而導(dǎo)致泄漏嚴(yán)重，而導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)磨損的主要原因是密封氣源質(zhì)量差，這主要是由前期處理和后期使用導(dǎo)致的污染引起的，而引起污染主要有以下3種情況：

5.2.1 介質(zhì)氣體造成的污染。這種情況發(fā)生在密封氣流量或壓力不足時(shí)，密封氣難以阻止內(nèi)部介質(zhì)氣的流動(dòng)，造成介質(zhì)氣和密封環(huán)面的直接接觸，介質(zhì)氣污染并損壞密封也在所難免了。在密封控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要精確計(jì)算密封氣的流量和壓力，并且有相應(yīng)的儀表監(jiān)視。

5.2.2 密封氣造成的污染。這種情況發(fā)生在密封氣不夠結(jié)凈、不夠干燥時(shí)，干氣密封對(duì)密封氣的質(zhì)量有相當(dāng)嚴(yán)格的要求，一般都要求密封氣干燥，并不含大于3μm（絕對(duì)值）的顆粒，如果密封氣不是干燥的氣體，而是含有凝聚的液體：如水、凝縮油，集聚在密封端面，液態(tài)摩擦產(chǎn)生的高熱量很快使密封失效。有效的解決措施是設(shè)置除濕器和電加熱器。

5.2.3 軸承潤(rùn)滑油造成的污染。這種情況在隔離密封氣流量不足時(shí)可能發(fā)生。軸承潤(rùn)滑油將沿壓縮機(jī)軸流動(dòng)，并流入干氣密封。在串聯(lián)式干氣密封中，二級(jí)密封首先受到污染，這在主密封沒(méi)被污染時(shí)，影響并不明顯。但如果隔離密封得不到及時(shí)恢復(fù)，緊接著主密封也將受到污染，直至損壞。有效的辦法是在隔離氣管路上設(shè)置壓力檢測(cè)儀表。

5.3 控制系統(tǒng)故障

干氣密封的控制系統(tǒng)包括密封氣體流量控制、泄漏氣體監(jiān)測(cè)控制、隔離氣體壓力控制。密封氣體的壓力和流量由調(diào)節(jié)閥和節(jié)流孔板控制。

控制系統(tǒng)主要功能為密封氣的過(guò)濾、密封氣的調(diào)節(jié)（壓力、流量）、密封性能監(jiān)控，提供密封和過(guò)濾器性能現(xiàn)場(chǎng)顯示。如果密封泄漏量加大，系統(tǒng)在泄漏外排管線上的壓力或流量測(cè)量?jī)x表將及時(shí)地監(jiān)測(cè)并報(bào)警直至停機(jī)，因此，一旦有控制系統(tǒng)故障，可能就很難準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到干氣密封系統(tǒng)狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)的安全工作將有著很大的威脅。

6 結(jié)束語(yǔ)

離心壓縮機(jī)是石化企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著輸送有毒、有害、易燃、易爆介質(zhì)的任務(wù)，使用不同形式的干氣密封，可以實(shí)現(xiàn)控制工藝介質(zhì)的泄漏，完全滿足環(huán)境保護(hù)法對(duì)該類介質(zhì)日益苛刻的泄漏排放要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)組長(zhǎng)周期、低能耗、安全、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。

參考文獻(xiàn)

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