潤滑油污染干氣密封的機理分析及設計優化

張凱，陳喆，湯忠濱

（中國船舶集團有限公司第七〇三研究所，哈爾濱150000）

1 引言

干氣密封屬于無接觸密封的一種，其安裝在壓縮機的葉輪和軸承之間，起到密封壓縮機旋轉部件中的氣體和液體介質的作用。但干氣密封自身易受潤滑油的污染，因此，對潤滑油污染干氣密封的原理進行分析，對于進一步提升干氣密封的實用性具有重要意義。

2 干氣密封的工作原理

干氣密封的結構與普通的機械密封相似，其都有靜環和動環2 個部件，具體結構如圖1 所示。干氣密封中的靜環由彈簧驅動，采用碳化硅、氮化硅等質地堅硬的材料組成，起到密封作用。而動環的端面有封堵氣體介質的氣體槽，當干氣密封工作時，氣體槽的存在使得封面之間存在一定間隙，當壓縮機工作產生的氣體流經氣體槽時，便會受到氣體槽的影響導致流速減慢直至停止流動，起到密封氣體的作用。

3 干氣密封受潤滑油的污染機理

當壓縮機正常轉動時，其中的潤滑油從機器外部的潤滑油管被注入軸承內部，起到潤滑軸承的作用。而潤滑油注入過多時，多余的潤滑油便會從軸承的間隙流出，附著在軸承表面。在壓縮機和密封裝置工作正常時，密封裝置會被軸承中飄散的油滴所形成的油霧包裹，不與潤滑油直接發生接觸，此時的密封裝置可以起到阻擋軸承中的油霧的作用，防止其向外擴散。

圖1 干氣密封結構圖

干氣密封受潤滑油污染的主要原因是當密封的設計或安裝失誤所致。干氣密封受潤滑油污染影響較大的主要有以下幾部分。

3.1 通道1

潤滑油穿過鎖緊螺母和軸之間的縫隙進入干氣密封，當鎖緊螺母安裝不牢固時，其與壓縮機的轉子之間便會形成空隙，潤滑油可以沿著此空隙進入干氣密封中。當螺母高速旋轉時，附著在螺母上的潤滑油會在螺紋旋轉的作用下被主動送往干氣密封，這一過程會加劇潤滑油對干氣密封的污染。

3.2 通道2

干氣密封中的浮動碳環間存在空隙時，潤滑油可沿此空隙進入干氣密封，雖然正常的運作過程中此部位存在隔離氣的吹散作用，可以在一定程度上阻止潤滑油從此空隙進入干氣密封中，但在實際的過程中，浮動碳環的空隙是干氣密封容易受到潤滑油污染的關鍵原因。

1）當回油腔中的油超過浮動碳環間隙的最低點時，潤滑油可以從浮動碳環下方的間隙進入干氣密封中，而隔離氣由上方進入，導致干氣密封被潤滑油污染。

正常情況下，回油腔中的油位應當始終處于正常狀態，油位異常升高的原因主要有：（1）回油管被堵塞或是其承載能力過低，導致潤滑油難以順利回流，聚集在軸承箱內部使得回油腔中的油位升高；（2）當油站內部的氣壓過高時，高氣壓會阻止潤滑油正常回流，導致油位異常升高，而平衡氣壓的關鍵在于油箱中的排煙口，當排煙口疏散能力較弱或排煙風機無法正常工作時，便會導致油站內部的氣壓異常升高。

2）潤滑油從軸承上的傳感器的引線孔也可以進入隔離密封中，造成潤滑油進入干氣密封。部分搭載傳感器的壓縮機中往往會預留傳感器連線的引線口，而這些引線口同壓縮機軸承內部連接，當軸承運轉時，飄散的潤滑油可能從傳感器的引線口進入隔離密封中，造成干氣密封被污染。

3）當密封與軸承間的距離過近或軸承直徑與密封段的直徑相差過小時，軸承中飄散的潤滑油會在軸承的旋轉作用下直接對著密封噴射，極大地增加了潤滑油進入密封中的概率。軸承直徑與密封段直徑相差過小時，可能會導致密封段難以完整地對軸承形成密封作用，加劇潤滑油的泄漏，此時的潤滑油可以輕易地沿著鎖緊螺母進入隔離密封的間隙中。

4 優化以及改進措施

4.1 密封結構優化

4.1.1 增加積油和甩油結構

從積油和甩油結構（見圖2）可知，積油結構可以防止潤滑油溢出至軸承中，減少軸承中的潤滑油進入密封裝置的概率。因此，強化積油和結構可以增加壓縮機承載潤滑油的量，有效減少進入軸承中的油量。而鎖緊螺母中的甩油結構可以將堆積在螺母上的潤滑油快速甩出，防止潤滑油通過螺母進入干氣密封中。

4.1.2 O 形圈密封

O 形圈密封的位置如圖2 所示，此位置為螺母和軸承之間的間隙，潤滑油很容易沿此間隙進入隔離密封裝置中，因此，通過改造O 形圈密封，可以進一步防止潤滑油進入隔離密封，例如，更換密封性更好的密封圈、增加密封圈大小或是采用雙層密封圈進一步鎖緊螺母和軸承的間隙等都是不錯的方法。

圖2 積油和甩油結構

4.2 軸承區域優化

可通過增加軸承和密封圈的直徑差的方式強化密封圈的封堵能力，較大的密封圈有助于封堵軸承的外周，防止潤滑油沿著軸承的外周進入隔離密封裝置中。同時，可以增加鎖緊螺母擋油面的直徑，防止潤滑油通過鎖緊螺母進入浮動碳環中。

4.3 隔離氣優化設計

對于采用隔離氣進行控制的干氣密封，隔離氣的控制應當采用流量控制，一般來說，隔離氣的流速應當不超過10m/L，通過限流閥和限流板對隔離氣的流量進行控制。當軸承的直徑大于20cm 時，對于隔離氣的流通管路還應當加裝流量計，以便進一步監控隔離氣的流速，在啟動軸承時應當首先保證隔離氣正常流通后在啟動軸承，防止潤滑油進入干氣密封中。

4.4 現場操作優化

現場操作優化措施包括：（1）確保先供氣在供油，使隔離氣阻擋潤滑油進入干氣密封中，對于軸承較粗的大型壓縮機，還應當設置流量計保證氣體的流量；（2）注意排凝口的漏油狀態，在壓縮機工作時應當保證排凝口打開，當排凝口有漏油時，應當及時查找漏油的原因；（3）在不影響軸承工作的前提下，可以適當地降低潤滑油的壓力和進入軸承箱中的潤滑油量。

5 結語

本文對潤滑油污染干氣密封的機理進行了分析，潤滑油進入干氣密封的方式主要是通過鎖緊螺母與軸承之間的空隙和浮動碳環之間的空隙，為此，本文從密封結構、軸承區域、隔離氣和現場操作4 方面提出了優化的建議。