前言

近年來，隨著人們安全、環(huán)保意識的提高，對石油化工及煤化工等能源行業(yè)的生產(chǎn)運行提出了更高的要求。據(jù)不完全統(tǒng)計，在煉油化工、煤化工、制藥等行業(yè)的生產(chǎn)裝置中，因旋轉機械的軸封泄漏引起的安全、環(huán)保事故占了非常大的比例，嚴重影響生產(chǎn)裝置長周期、穩(wěn)定、安全生產(chǎn)運行。因此，解決旋轉機械軸封泄漏問題，特別是大型機組軸封向實現(xiàn)無泄漏、無污染、長壽命及運維費用低發(fā)展，已成為業(yè)內(nèi)重要的共識和急需解決的問題。

隨著20世紀60年代末氣體潤滑軸承技術的發(fā)展，一種新型的、可靠的、軸封技術——干氣密封應運而生，它是一種氣膜潤滑的流體動、靜壓結合型非接觸式機械密封，具有無介質泄漏、安全可靠、使用壽命長、功耗低等優(yōu)點，在石油化工、煤化工等工業(yè)行業(yè)的離心壓縮機等關鍵設備上得到廣泛的應用。

然而在生產(chǎn)運行中，因干氣密封控制系統(tǒng)的設計、選型及運行使用不到位，引起的干氣密封泄漏、失效等故障屢見不鮮。因此依據(jù)生產(chǎn)裝置的工藝操作工況及機組的運行情況，設計出一套可靠、合適的干氣密封控制系統(tǒng)，對確保機組的長周期、穩(wěn)定、安全生產(chǎn)運行起著舉足輕重的作用。

1、干氣密封基本結構及工作原理

1.1 干氣密封基本結構

干氣密封是一種氣膜潤滑的流體動、靜壓結合型非接觸式機械密封。如圖1-1所示，包含有靜環(huán)、動環(huán)組件(動環(huán))、副密封O形圈、靜密封、彈簧和彈簧座(腔體)等零部件。干氣密封的結構設計特點為在密封端面上開設動壓淺槽,其轉動形成的氣膜厚和流槽槽深均屬微米級,并采用潤滑槽、徑向密封壩和周向密封堰組成密封和承載部分。可以說是開面密封和開槽軸承的結合。

干氣密封動壓槽有單旋向和雙旋向,一般單旋向為螺旋槽，雙旋向常見有T型槽、樅樹槽和U型槽。如圖1-2所示，單旋向螺旋槽干氣密封不能反轉，反轉則產(chǎn)生負氣膜反力，導致密封端面壓緊，致密封損壞失效。而雙旋向樅樹槽則無旋向要求，正反轉都可以。單向槽相對于雙向槽，具有較大的流體動壓能，產(chǎn)生更大的氣膜反力和氣膜剛度，產(chǎn)生更好的穩(wěn)定性。

1.2 干氣密封工作原理

如圖1-3，對于螺旋槽干氣密封，其工作原理是靠流體靜壓力、彈簧力與流體動壓力之間的平衡。當密封氣體注入密封裝置時，使動、靜環(huán)受到流體靜壓力的作用。而流體的動壓力只是在轉動時才產(chǎn)生。如圖1-2所示，當動環(huán)隨軸轉動時，螺旋槽里的氣體被剪切從外緣流向中心，產(chǎn)生動壓力，而密封堰對氣體的流出有抑制作用，使得氣體流動受阻，氣體壓力升高，這一升高的壓力將撓性安裝的靜環(huán)與配對動環(huán)分開，當氣體壓力與彈簧力恢復平衡后，維持一Z小間隙，形成氣膜，膜厚一般為3-5μm，使旋轉環(huán)和靜止環(huán)脫離接觸，從而端面幾乎無磨損，同時密封工藝氣體。

1.3干氣密封的類型

干氣密封基本結構類型有單端面密封、串聯(lián)式密封、帶中間迷宮串聯(lián)式密封和雙端面密封。

（1）單端面密封

適用于沒有危害、允使微量的工藝氣泄漏到大氣的工況。如N2壓縮機、CO2壓縮機、空氣壓縮機等。

（2）串聯(lián)式密封

適用于允許少量工藝氣泄漏到大氣的工況。一般采用兩級串聯(lián)布置方式，一級為主密封，二級為備用密封。正常工況下，全部或大部分負荷由主密封承擔，而二級備用密封不承受或承受小部分的負荷和壓力降。泄漏的主密封工藝氣被引入火炬系統(tǒng)燃燒，泄漏的極少量的工藝氣通過二級密封由二級放空引入安全地帶排放。當主密封失效時，二級備用密封起到輔助安全密封的作用，確保工藝氣不大量外漏。

（3）帶中間迷宮的串聯(lián)式密封

它的結構特點為在串聯(lián)式密封的兩級之間加入迷宮密封結構。其中一級主密封氣為工藝氣，中壓N2為開停機輔助氣；二級密封和中間迷宮間、隔離氣都使用氮氣。當一級主密封失效時，二級密封起到輔助安全阻封和密封作用。適用于易燃、易爆、危險性大、不允許泄漏到大氣中、也不允許阻封氣進入到機內(nèi)的工況。如氫氣壓縮機、CO壓縮機、乙烯、丙烯壓縮機等。

（4）雙端面密封

雙端面密封適用于沒有火炬條件,不允使工藝氣泄漏到大氣中，但允使阻封氣進入機內(nèi)的工況。其結構布置相當于面對面布置兩套單端面密封,有時兩個密封共用一個動環(huán)。一般采用氮氣作為阻塞氣體，控制阻密封氣（N2）的壓力始終維持在比工?氣體壓力高于0.2～0.3MPa 。

2、離心式壓縮機干氣密封控制系統(tǒng)的組成

如圖2-1所示，某離心式壓縮機組干氣密封系統(tǒng)流程簡圖,該機組干氣密封控制系統(tǒng)由工藝氣密封氣系統(tǒng)、隔離氣密封系統(tǒng)、放火炬及高位放空監(jiān)測系統(tǒng)組成，其中密封氣和隔離氣設計有氣源過濾處理單元、氣體壓力和流量調(diào)節(jié)控制單元，排放氣設置有火炬排放和高位放空，并設計有密封氣泄漏監(jiān)測。

該機組干氣密封控制系統(tǒng)的控制流程：

（1）一級主密封氣由壓縮機出口氣和管網(wǎng)中壓氮提供，經(jīng)過濾器處理，調(diào)節(jié)閥、流量計、節(jié)流閥控制密封氣的壓力和流量；而管網(wǎng)中壓氮氣作為開停機時一級密封氣備用氣源。

（2）二級密封氣和后置隔離氣由管網(wǎng)低壓氮氣提供，經(jīng)過濾處理、調(diào)壓和流量控制作為二級密封氣和后置隔離氣氣源。機組設計后置隔離氣密封系統(tǒng)目的是為防止軸承箱潤滑油進入，污染密封面。

（3）同時設計有密封氣放火炬和緩沖、隔離氣高位防空系統(tǒng)。即在泄漏口和火炬線或高位放空管線之間設置限流孔板和流量計,通過排放氣的壓力、流量來監(jiān)測干氣密封的泄漏情況。

因此，為了確保干氣密封控制系統(tǒng)可靠、長壽命穩(wěn)定安全生產(chǎn)運行，應根據(jù)系統(tǒng)對密封介質質量、壓力、流量、溫度及生產(chǎn)運行工況的要求，機組干氣密封控制系統(tǒng)設計有過濾單元、調(diào)節(jié)控制單元和密封泄漏監(jiān)測單元，對系統(tǒng)中的密封氣、隔離氣、排放氣的流量、壓力、溫度及潔凈度等方面進行控制和監(jiān)測，監(jiān)測干氣密封運行狀況。干氣密封控制系統(tǒng)設計選型要注意以下幾個要點：

（1）一般情況下，對于輸送介質為富氣或氣體內(nèi)含烴類物質較多的氣體則常采用N2作為密封氣；而對于輸送CO2、N2、H2、CO以及空氣等氣體則采用壓縮機出口工藝氣+氮氣備用氣方案為密封氣，同時應提供清潔和干燥的密封氣體，密封氣不得含固體顆粒、粉塵和液體，應保持合適的壓力、溫度和流量。密封氣的過濾精度應達到3um以下，溫度應至少高于露點溫度10℃以上。

（2）密封氣、緩沖氣、隔離氣進行控制的系統(tǒng)，以滿足密封緩沖、隔離對氣體壓力、流量和溫度的要求。一般可采用氣體壓力控制、流量控制、壓力與流量組合控制方式?？刂圃O計的要求一般為密封氣應保持與平衡管的壓差在 0.3 MPa以上,機內(nèi)迷宮間隙Z大時Z小氣流速度為5 m/s。同時為了防止密封工藝氣壓力低，一般密封氣與平衡管壓差設計有低報警和低低報警聯(lián)鎖，啟用管網(wǎng)中壓氮氣進行補氣，以滿足密封氣密封壓力的要求。

(3) 一般在干氣密封火炬排放或高位放空管路設計密封泄漏監(jiān)測。即在泄漏口和火炬線或高位放空管線之間設設置限流孔板和流量計,通過排放氣的壓力、流量來監(jiān)測干氣密封的泄漏情況。流量由限流孔板前后壓差實現(xiàn)，設計有流量低報警、高報警和高高報警停機聯(lián)鎖；壓力由孔板前壓力的變化實現(xiàn)，設計有壓力高報警和高高報警停機聯(lián)鎖?？刹扇?取2的聯(lián)鎖邏輯方式。

(4) 為了確保機組的安全運行，防止機組損壞，在機組開停車及密封失效故障緊急停車工況，干氣密封控制系統(tǒng)可設計有以下的聯(lián)鎖：

①各干氣密封一級排放氣流量正常的開機聯(lián)鎖。

②后置隔離氣壓力低開機前禁止?jié)櫥捅脝勇?lián)鎖，防止軸承箱潤滑油污染干氣密封。

③一級排放氣壓力高高報警停機聯(lián)鎖和流量高高報警停機聯(lián)鎖。

3、離心式壓縮機干氣密封常見典型故障

離心式壓縮機干氣密封控制系統(tǒng)是離心式壓縮機非常重要的輔助系統(tǒng)，干氣密封可靠、穩(wěn)定、長壽命運行是確保機組安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行的關鍵。因此了解和掌握干氣密封常見典型故障，對快速判斷和解決干氣密封故障，確保機組安全穩(wěn)定運行。

（1）后置隔離密封失效，外側密封被污染

機組設計后置隔離氣密封系統(tǒng)目的為防止軸承箱潤滑油進入，污染密封面。在使用過程中，可能會因為設計或操作方面的原因導致潤滑油污染密封端面。例如：軸承腔排空不暢（呼吸帽過濾網(wǎng)堵塞）、氣體設計流速低造成氣量過小、迷宮齒數(shù)或間隙不合適、孔板設計過小、系統(tǒng)控制問題、氮氣波動或供氣中斷、開停車操作順序錯誤、誤操作等等。

為了避免開車誤操作，一般設計后置隔離氣壓力低開機前禁止?jié)櫥捅脝勇?lián)鎖，防止軸承箱潤滑油污染干氣密封。

（2）單向槽反轉

對于單旋向螺旋槽干氣密封不能反轉，反轉則產(chǎn)生負氣膜反力，導致密封端面壓緊，致密封損壞失效。在干氣密封使用過程中由于安裝錯誤導致驅動端與非驅動端裝反、機組停車不可避免存在反轉工況等存在，導致密封損壞，嚴重時環(huán)直接碎裂。

（3）低速工況長時間運行

在開機或低速暖機工況過程中，由于機組長時間低轉速運行，干氣密封沒有產(chǎn)生足夠的流體動壓力，沒有形成氣膜，容易導致密封磨損，嚴重時環(huán)直接碎裂。

因此，在開機過程中，不宜長時間低轉速運行，在正常運轉中，應該保持轉速恒定，調(diào)轉速時盡可能緩慢操作，以避免轉?波動太大對干氣密封產(chǎn)生不良的影響。

（4）開停車處理不當，密封污染

在開停車過程中，一級密封氣流量不容易保證，機內(nèi)氣體容易反竄，造成一級密封端面的污染，因此可能在初試開車增壓過程中，壓力較?，泄漏量偏大。在對機組準備開車，進行沖壓前，必須先通過控制系統(tǒng)注入開車用密封氣，避免工藝氣反竄造成密封的污染；在停車過程中，應及時切換氣源，避免造成工藝氣反竄污染密封；停車期間，避免因操作等原因造成密封污染。

（5）正常運行時，過濾系統(tǒng)失效，密封污染

在干氣密封現(xiàn)場運行中可能出現(xiàn)密封氣嚴重帶液，超出過濾器處理能力；過濾器堵塞后未及時切換，造成濾芯破損；氣源中含大量的細粉，其粒度小于過濾器的精度，超出了過濾器的處理能力，但總量大，對密封及系統(tǒng)均會造成影響等情況導致過濾系統(tǒng)失效，從而污染密封導致失效。因此，要定期檢查和清理過濾器，確保過濾器完好，達到過濾精度的要求，一般密封氣的過濾精度應達到3um以下。

（6）機組原因造成的密封失效

因機組故障，產(chǎn)生強烈振動，振動過大，并超出了密封能夠承受的范圍，引發(fā)密封損壞。因此，平常應加強機組的運行維護保養(yǎng)，特別是加強機組運行振動狀態(tài)監(jiān)測，防止因機組振動過大導致干氣密失效。

4、結語

綜上，通過選型設計一套合適、完整、可靠的干氣密封控制系統(tǒng)，對于離心式壓縮機安、穩(wěn)、長、滿生產(chǎn)運行起著非常重要的作用。同時機組在生產(chǎn)運行中，應加強機組的運行維護，時刻監(jiān)測干氣密封系統(tǒng)的運行情況和泄漏狀況，及時的發(fā)現(xiàn)、消除和處理機組故障，確保裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)生產(chǎn)運行。

（來源：壓縮機網(wǎng)）