串聯式干氣密封用于重催P-507

馬海余 劉榮剛

（中國石油蘭州石化分公司 蘭州)

一、設備運行參數及介質特性

P-507運行轉速1475 r/min，入口壓力1.91 MPa，出口壓力2.5 MPa，輸送的介質是C3、C4飽和液化石油氣，介質溫度45℃，此類介質具有獨特的物理、化學特性，呈低沸點，易汽化，而且還易燃、易爆、低粘度、高蒸汽壓等特征，一旦大量泄漏到大氣環境中，將帶來安全隱患，所以選擇好的密封裝置對設備和生產的連續平穩運行非常重要。

二、原裝機封的故障現象

P-507原裝密封是單端面接觸式機械密封,其型號為119BN-95，期間曾更換過，改為采用90D-95ZE的波紋管機械密封。設備在長期的運行過程中，可靠性低、磨損嚴重、壽命短、噴漏等一直是上述兩類密封裝置的故障現象，使用效果很不理想，而且職工檢修勞動強度大，配件費用高。

三、原因分析及改造措施

該泵的密封存在很多難點，主要是由于此類介質的特性所致。這些呈低沸點的液體，極易汽化，使摩擦副材料容易脆化、開裂，而且還具有低粘度、高蒸汽壓等特征。此介質在密封的摩擦副端面難以形成和維持連續、穩定的流體膜，潤滑不能保證，密封端面間由于摩擦產生的高溫容易導致流體膜汽化，從而導致端面干摩擦，繼續運行，最終密封失效。

檢修人員在檢修過程中，通過拆檢發現失效后的密封通常會有兩種現象：一是摩擦副端面幾乎沒有接觸的痕跡，即介質在端面間形成了過大的液膜反力，將密封面推開，動靜環分離，造成泄漏；另一種情況是載荷系數、彈簧比壓過大，壓縮量相對也較大，密封僅運行了很短時間就發生了嚴重干摩擦，最終導致密封失效。

針對生產裝置對于現場環境的要求，充分考慮介質特性和原裝密封的故障現象，結合現場實際情況，在不改變原設備結構的情況下，決定對P-507的密封系統進行改造。經與煉油廠機動科及四川某密封制造廠認真分析、論證，決定試用四川某密封制造廠的一種新型、更為可靠的密封裝置，即機械密封與干氣密封相組合的串聯式干氣密封（該密封系統在同類工況下有過成功使用的經驗）。

四、密封系統的改進

1.串聯式干氣密封的特點

干氣密封顧名思義是指干燥的、潔凈的氣體密封，是一種非接觸式密封。與普通機械密封最大的區別在于：干氣密封在密封端面上開設了流體動壓槽，可以實現密封端面的非接觸運行，從而極大的提高了密封的使用壽命和可靠性；并且簡單、可靠的控制系統能確保干氣密封正常運轉以保障設備連續、穩定地運行。P-507上試用的密封系統是干氣密封與接觸式機械密封的串聯體，從介質側向大氣側依次為，第一級為平衡型的機械密封，是主密封，密封的介質為C3、C4芳烴；中間帶有迷宮密封，阻止氮氣進入；第二級為干氣密封，是輔助密封，密封氣是氮氣，密封的是少量從機械密封泄漏出的并已汽化的介質，當主密封失效后，輔助密封作為安全密封，保證介質不會泄漏到大氣中，如圖1所示。

圖1 串聯式干氣密封結構圖

當P-507運行時，干氣密封與主密封間已通入氮氣，壓力一般為0.45 MPa左右，這樣可以大大提高了主密封的背壓，減小了介質在端面間由于摩擦熱而汽化的程度，同時也減小了密封面的磨損，從而延長主密封的使用壽命。主密封泄漏的介質進入一級、迷宮密封之間的密封腔，密封腔壓力為0.4～0.5 MPa，在此壓力下，泄漏介質已經為氣相（在原機械密封結構中，該泄漏氣體直接向大氣泄漏，造成很大的危害）。該氣相介質隨氮氣一起排向高點并放空。

2.串聯式干氣密封的密封機理

作為主密封的機械密封比較常見，不作重點介紹，作為輔助密封的干氣密封將做重點分析。上述串聯式干氣密封從外形結構上與機械密封相同，同樣由動環、靜環、彈簧、密封圈以及彈簧座等組成。干氣密封環（可以是動環，也可以是靜環）如圖2所示，環密封面經過研磨、拋光，并在其上面加工有流體動壓槽。干氣密封端面上開有微米級螺旋形狀的流體動壓槽。當動、靜環作相對旋轉運動時，密封氣體被吸入動壓槽內，槽內壓力從外徑向內徑增加，由于密封壩（螺旋槽根部以外的一段無槽區）的節流作用，進入密封面的氣體被壓縮，氣體壓力升高。在該壓力作用下，密封面被推開，流動的氣體在兩個密封面間形成一層很薄的氣膜，厚度一般在3 μm。

圖2 干氣密封端面動壓槽簡圖

在安裝上述試用密封的過程中，要嚴格檢查串聯式干氣密封的旋向。本次改造試用的密封為單旋向槽型，在要求的旋向下才可產生開啟力，如裝反或反轉則產生負的開啟力，而且氣體只有沿設計方向進入螺旋槽，密封面之間才能形成氣膜，脫離接觸，實現非接觸效果，達到密封的目的。如果裝反或設備出現反轉，則會導致動靜環直接接觸發生干摩擦，密封很快燒毀。

當氣體靜壓力、彈簧力形成的閉合力與氣膜反力相等時，該氣膜厚度十分穩定。由于氣體膜的形成，動靜環運轉時，端面不會直接接觸，極大地改善了密封端面的工作條件，使密封能長周期、安全運行。干氣密封處于靜止狀態時，沒有流體動壓效應，靠密封壩與密封堰的緊密貼合起到密封作用。

3.軸向力平衡分析圖

由于該密封在動力平衡條件下才能實現密封效果，作用在密封上的力如圖3所示，閉合力Fc，是氣體壓力和彈簧力的總和。開啟力Fo是由端面間的壓力分布對端面面積積分而形成的。在平衡條件下Fc=Fo，運行間隙h大約為3 μm。如果由于某種干擾使密封間隙減小，則端面間的壓力就會升高，這時，開啟力Fo大于閉合力Fc，端面間隙自動加大，直至平衡為止（圖4）。

圖3 Fo=Fc

圖 4 Fo＞Fc

如果擾動使密封間隙增大，端面間的壓力就會降低，閉合力Fc大于開啟力Fo，端面間隙自動減小，密封會很快達到新的平衡狀態，如圖5所示。在靜環和動環組件之間產生一層穩定性相當高的氣體薄膜，使得在一般的動力運行條件下端面能保持分離、不接觸、不易磨損，延長了使用壽命。

4.影響串聯式干氣密封性能的主要參數

影響干氣密封性能的參數分為結構參數和操作參數。端面結構參數對密封的穩定性影響較大，操作參數對密封的泄漏量影響較大。密封端面結構參數對氣膜剛度的影響

（1）動壓槽形狀的影響。對數螺旋槽產生的流體動壓效應最強，氣膜剛度最大，穩定性最好，因此，絕大多數干氣密封都以對數螺旋槽作為密封動壓槽。

圖 5 Fc＞Fo

（2）動壓槽深度的影響。流體動壓槽深度與氣膜厚度為同一量級時密封的氣膜剛度最大。所以，實際應用中，干氣密封的動壓槽深度一般在 3～10 μm。

（3）動壓槽數量、寬度及長度的影響。干氣密封動壓槽數量越多，動壓效應最強，但當動壓槽達到一定數量后，再增加槽數時，對干氣密封性能影響已經很小。此外，動壓槽的寬度、長度對密封性能都有一定的影響。

5.影響密封泄漏量的因素

（1）密封直徑、轉速對泄漏量的影響。密封直徑越大，轉速越高，密封環線速度越大，干氣密封的泄漏量越大。

（2）介質壓力對泄漏量的影響。在密封工作間隙一定的情況下，密封氣壓力越高，氣體泄漏量越大。

（3）介質溫度、粘度對泄漏量的影響。介質溫度對密封泄漏量的影響是通過溫度對介質粘度影響而形成的。介質粘度增加，動壓效應增強，氣膜厚度增加，但同時流經密封端面間隙的阻力增加。因此，其對密封泄漏量的影響不大。

6.串聯式干氣密封結構參數

（1）主密封機械密封結構參數設計。密封面內徑97.5 mm，密封面外徑106 mm，平衡直徑99 mm，載荷系數0.83，彈簧比壓0.18 MPa，端面比壓0.374 MPa。

（2）輔助密封端面參數。研究表明，螺旋槽產生的流體動壓效應最強，產生的氣膜剛度最大。為此，本套密封采用螺旋槽干氣密封結構。對干氣密封端面螺旋槽結構參數進行優化：優化時，以干氣密封具有最佳的氣膜剛度為優化目標，同時將干氣密封的最大剛漏比作為優化的參考目標。干氣密封最大剛漏比的物理意義是在密封具有較大氣膜剛度的情況下氣體泄漏量較小。通過廠家干氣密封優化軟件優化時，干氣密封輸入參數：介質平均黏度 1.42×10-5Pa·s，密封轉速 2930 r/min，工作氣膜厚度3 μm，工作壓力 0.5 MPa，密封面外徑 125.5 mm，密封面內徑 94.5 mm，平衡直徑 100.2 mm，載荷系數 0.837 mm，彈簧比壓0.019 MPa，端面比壓0.0726 MPa。

（3）螺旋槽密封面結構。當螺旋角為16°，螺旋槽深為設計氣膜厚度的3.5倍時，密封的氣膜剛度、剛漏比和承載能力達到最大值。當槽長與壩長之比＜1.5時，密封的氣膜剛度和承載能力變化較大，而槽寬壩寬比在0.4～1.2范圍內，密封的性能變化則不是很大。一般情況下，干氣密封螺旋槽數量選擇在10～30為宜。本套干氣密封螺旋槽數量為12。

7.串聯式干氣密封的優點

與傳統的接觸式機械密封相比，串聯式干氣密封優點：密封使用壽命長，運行穩定可靠；密封功耗消耗小，僅為接觸式機械密封的5%；與其他非接觸式密封相比，干氣密封氣體泄漏量?。ń^對不泄漏的密封是沒有的，只是把泄漏量控制在允許的范圍內）；可以實現被密封的介質對大氣的零泄漏，（因為被密封介質不會直接泄漏到大氣）是一種環保型密封；密封輔助系統簡單、可靠，使用中不需要維護；適用于氣體、液化氣等條件。

8.串聯式干氣密封的控制系統

圖6 P-507用串聯式干氣密封控制系統

干氣密封控制系統（圖6）是干氣密封的重要組成部分，主要由密封氣過濾單元和密封氣泄漏監測單元組成。干凈的密封氣保證密封面不受顆粒雜質的損壞，干氣密封是以微量的氣體泄漏為代價換取其長周期的使用壽命，泄漏量是否穩定直接反映了干氣密封運行的狀態，因此，對干氣密封的泄漏進行監控為設備的安全運行提供了保障。

在P-507泵用串聯式干氣密封控制系統中，當外部氮氣管網氮氣進入控制系統，經過濾器，減壓閥后，為干氣密封提供穩定、干燥、清潔的密封氣；當主密封泄漏過大或氮氣壓力過低，單向閥起到防止工藝介質反串入氮氣管網的作用；進入密封腔的氮氣與主密封泄漏的微量工藝介質經氣液分離器后，氣相介質通過節流孔板排向火炬，液相介質則留在氣液分離器，可通過視鏡觀察液體貯存到一定容積時打開排液口排入排污容器,由此消除安全隱患和避免對環境造成污染；當主密封機械密封泄漏過大時，由于限流孔板的作用，密封腔壓力上升，泄漏管線上的壓力表指示上升表明密封失效。干氣密封控制系統結構簡單。干氣密封阻塞氣采用工業氮氣（接公用工程的氮氣管線），工作壓力為0.45 MPa。

五、結論

上述串聯式干氣密封自2006年6月用于P-507以來，運行效果良好，沒有出現泄漏現象。說明串聯式干氣密封在此類介質的設備上完全能夠采用，可以徹底解決原機械密封帶來的許多問題，為泵及裝置長周期、安全、穩定的運行提供有力的保障。