干氣密封的應用與維護分析

潘廣斌，周華南，王 瞻，李國富

（中國石油吉林石化公司煉油廠，吉林吉林 132000）

0 引言

干氣密封系統屬于非接觸端面微間隙氣體潤滑密封系統。相較于傳統機械密封而言，干氣密封突出的優點在于動、靜環可以實現非接觸運行，不存在接觸摩擦，也不受PV 值限制，因此具有極長壽命和極高可靠性，尤其適用于高速、高壓的離心式壓縮機等。由于在環境保護及對人員、設備自身安全方面性能優越，受到化工行業的廣泛青睞。下面對干氣密封的工作特點、運行原理、結構類型及操作運行和日常維護注意事項等進行歸納。

1 密封的優點

干氣密封是非接觸端面微間隙機械密封，適用于高溫、高壓、介質成分復雜等苛刻條件，能夠讓機組在各種復雜條件下穩定運行，因此干氣密封被石化行業廣泛采用，特別是大型離心壓縮機，基本都采用了干氣密封系統。與以前的密封油系統相比，干氣密封有以下主要6 個優點：節省了復雜龐大的密封油系統及其功耗；保證工藝介質不被密封油污染；密封氣體泄漏量少；維護費用低；驅動功率消耗小；壽命長，運行可靠度高。

2 密封的工作原理

如圖1 所示，固定在轉子上的軸套、固定在軸套上的動環、可以隨動環軸向浮動的靜環，以及靜環背部的密封圈、彈簧座、推環，其余靜密封圈，組成了一個獨立的干氣密封單元。

圖2 為動環的工作面，其表面上加工有一定數量、均勻分布的淺槽（一般3～15m）。該表面由動壓槽、密封壩、密封堰三部分組成。動環旋轉時，氣體在粘性剪切力和壓差作用下進入動壓槽內并由外徑向內徑流動，在密封壩和密封堰的限制下被壓縮，氣體壓力升高。當端面氣體產生的開啟力與靜環背后的流體靜壓力以及彈簧載荷所形成的閉合力相等時，密封面脫離并形成一定厚度的氣膜（一般3～5m），由此密封實現非接觸運轉。端面的氣膜具有一定的剛度，在工況發生變化時，可實現端面間隙適時調整，保證密封端面始終處于非接觸狀態。

圖1 干氣密封基本單元

圖2 螺旋槽

圖3 中開啟力即為氣膜作用力，閉合力=彈簧作用力Fs+流體作用力Fp。其中，氣膜厚度為ha，氣膜反力F0。當密封運轉后，端面間會形成一個穩定的氣膜間隙，此時密封的閉合力等于開啟力F0，密封將在此間隙下穩定運行。當密封受到外界干擾時，如端面間隙變小，動壓槽產生的流體動壓效應增強，氣膜所產生的開啟力增大，靜環將發生位移并自動恢復到穩定的運行間隙。反之，如果密封端面間隙增大，動壓槽產生的動壓效應不足、開啟力減小，密封也將自動恢復到原來的間隙，從而實現干氣密封的非接觸穩定。密封的運行穩定性主要以氣膜厚度（ha）和氣膜剛度為評價指標：氣膜厚度反映密封動、靜環脫開的距離；氣膜剛度是作用力與厚度的變化比，氣膜剛度大，密封的抗干擾力就強，能夠保證密封系統穩定運行。

圖3 氣膜穩定性示意

3 機用干氣密封的結構類型

（1）單端面結構（圖4）。適用于工藝氣為安全性氣體的工況，少量工藝氣會泄漏到大氣中，如氮壓機、空壓機、二氧化碳壓縮機等對大氣無污染的介質。

（2）雙端面結構（圖5）。通常采用氮氣作為密封氣，適用于允許微量氮氣泄漏到機組內部的情況，同時該結構可以實現工藝介質的零泄漏。此結構允許少量密封氮氣泄漏到工藝氣體介質中，適用于有毒有害、易燃易爆、壓力較低的工藝介質和要求零泄漏的生產工況。

圖4 單端面結構干氣密封

圖5 雙端面結構干氣密封

圖6 串聯式結構干氣密封

（3）串聯式結構（圖6）。該結構安全性、可靠性高，但會有微量工藝氣泄漏至大氣環境中，外部氮氣不會進入工藝流程內。該結構負壓到高壓均可，多用于現場無氮氣氣源的管線壓縮機、一級泄漏氣需要回收的冷劑壓縮機等。

（4）帶中間迷宮的串聯式結構（圖7）。該結構安全性、可靠性最高，同時既不會有工藝氣泄漏到大氣環境中，也不會有外部氮氣進入工藝流程內，適用于各種壓力條件下的有毒有害、易燃易爆工藝介質。

4 干氣密封運行的因素

影響干氣密封泄漏量的因素有密封環線速度、密封工作壓力、介質溫度黏度、機組轉速等4 個方面：密封環線速度大，干氣密封的泄漏量就越大；工作壓力越高，干氣密封的泄漏量就越大；介質黏度大，密封氣流經密封端面的阻力會增加，但泄漏量變化不大；機組轉速越高，穩定性就越好。

圖7 帶中間迷宮串聯式結構干氣密封

干氣密封典型的失效模式包括：密封污染；機組振動、喘振；反壓；中分面打膠；安裝原因。在實際應用中，大多數的干氣密封失效是由于密封污染引起的。如果密封氣帶液或帶有雜質，則會因液體摩擦發熱或顆粒通過端面造成密封面磨損，進而影響流體動壓槽的動壓效應，造成氣膜穩定性下降直至無法形成氣膜，嚴重時甚至會造成動靜環破碎。

5 密封運行時注意事項

干氣密封系統都帶有分液、除沫、干燥過濾等控制過程，對主密封氣和輔助密封氣的清潔度控制和監測有很高的要求，過濾系統濾芯要實時監控、檢查和及時更換，不允許帶有雜質和液滴，要保證密封氣的干燥和干凈。主密封氣和密封泄漏氣的溫度、流量和壓力等控制參數要實時監控，設置聲光報警系統，通過對這些參數的監控和測量來監測和保證干氣密封的實際運行狀況。

日常的操作和運行維護，其實主要就是對干氣密封控制系統的使用、監測和維護，以達到對干氣密封的維護。

（1）防反壓串壓：工藝介質的反壓串壓會導致密封環的損壞。

（2）防反轉：單向螺旋槽干氣密封反向旋轉會損壞密封環。

（3）暖機：避免在過低的暖機轉速下連續運轉，干氣密封允許的最低暖機轉速與干氣密封規格有關。暖機轉速切忌過低。

（4）盤車：避免在過高的盤車轉速下連續盤車，干氣密封允許的最大盤車轉速與干氣密封的規格有密切關系。盤車轉速切忌過高，盤車時間不宜過長。

（5）避免或減少振動：干氣密封的使用條件應使運行機組滿足API617 的振動要求。

（6）泄漏趨勢：泄漏量的監控和漏量報警，可以實時了解密封的實際運行狀況。

（7）氣體品質：應密切關注干氣密封所需密封氣的氣體品質情況，定期檢查和更換干氣密封控制系統的過濾器、聚結器、加熱器等，確保干氣密封處于干凈、干燥的工作環境。

（8）氣源的穩定性和連續性：應保證密封氣源的連續性和穩定性，包括密封氣和隔離氣等。避免因斷氣和流量不足造成工藝介質倒灌或潤滑油進入密封。

（9）排凝：排除凝液，避免液滴對密封系統的沖擊。

6 結束語

干氣密封系統有功耗低、泄漏少、運行周期長、可靠性高、運行維護便捷等優點，廣泛應用于化工裝置大型離心機組。近年來，隨著越來越多的高溫高壓和液化氣等高危機泵采用干氣密封，對設備維護和管理人員干氣密封操作和維護學習的要求也越來越高。在設備選型方面，要根據不同的需求選用合適的干氣密封型式；在運行方面，要避免出現密封失效事件，實現機組機泵的安全可靠運行。這些都是相關技術人員應該學習并掌握的基礎知識，也是為企業能夠長期科學發展、裝置能夠長周期平穩運行應盡的責任。