離心壓縮機：干氣密封，專業(yè)好文！

一、引言

干氣密封是一種新型的非接觸式軸封，干氣密封的概念是六十年代末期從氣體潤滑軸承的基礎上發(fā)展起來的，其中以螺旋槽密封最為典型。經(jīng)過數(shù)年的研究，美國約翰·克蘭公司率先推出干氣密封產(chǎn)品并投入工業(yè)使用。

實踐表明，干氣密封在很多方面都優(yōu)越于普通接觸式機械密封，它主要用于管線、海洋平臺、煉油廠、石油化工行業(yè)等，適合于任何輸送氣體的系統(tǒng)。由于干氣密封屬于非接觸式密封，基本上不受PV值的限制，因此干氣密封特別適合作為在高速高壓條件下的大型離心壓縮機軸封。干氣密封的出現(xiàn)，是密封技術的一次革命，氣體密封的難題從此得以解決，而不再會受到密封潤滑油的限制，而且其所需的氣體控制系統(tǒng)比油膜密封的油系統(tǒng)要簡單得多。

另外，干氣密封的出現(xiàn)也改變了傳統(tǒng)的密封觀念，將干氣密封技術和阻塞密封原理有機結合，“用氣封液或氣封氣”的新觀念替代傳統(tǒng)的“液封氣或液封液”觀念，可保證任何密封介質(zhì)實現(xiàn)零逸出，這就使得干氣密封在泵用軸封領域也將有廣泛的應用前景。

下表為壓縮機干氣密封與其它常見密封的泄漏量比較

與普通接觸式機械密封相比，干氣密封有以下主要優(yōu)點：

（1）省去了密封油系統(tǒng)及用于驅(qū)動密封油系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的附加功率負荷。

（2）大大減少了計劃外維修費用和生產(chǎn)停車。3）避免了工藝氣體被油污染的可能性。

（3）密封氣體泄漏量小。

（4）維護費用低，經(jīng)濟實用性好。

（5）密封驅(qū)動功率消耗小。

（6）密封壽命長，運行可靠。

二、干氣密封的工作原理

與其它機械密封相比，干氣密封在結構方面基本相同。其主要區(qū)別在于，干氣密封的一個密封環(huán)上面加工有均勻分布的淺槽，干氣密封能在非接觸狀態(tài)下運行就是靠這些淺槽在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的流體動壓效應使密封面分開。

干氣密封端面的槽形主要分單旋向和雙旋向兩大類。

單旋向槽型在目前的壓縮機組上使用最多，常見的主要有以上幾種。單旋向槽型只可使用于單向旋轉(zhuǎn)的機組，在要求的旋向下才可產(chǎn)生開啟力，如反轉(zhuǎn)則產(chǎn)生負的開啟力而可能導致密封的損壞。但相對于雙旋向的槽型，它可形成更大的開啟力和氣膜剛度，產(chǎn)生更高的穩(wěn)定性而更可靠的防止端面接觸。故在很低的轉(zhuǎn)速下和較大的振動下也可使用。

雙旋向槽型常見有以上幾種。該槽型使用無旋向要求，正反轉(zhuǎn)皆可。機組的反轉(zhuǎn)不會造成密封的損壞。其使用范圍較單旋向槽寬，但其穩(wěn)定性、抗干擾能力較單旋向差。

通過對干氣密封各種槽型的反復試驗，對比研究，最終確認在同樣的工作參數(shù)下，以螺旋線設計的槽型具有最大的氣膜剛度的同時僅有較小的泄漏量。即具有最大的泄漏比。下面主要介紹這種槽型。

下圖所示是典型的干氣密封螺旋槽端面的示意圖。密封面上加工有一定數(shù)量的螺旋槽，其深度小于10微米。密封運轉(zhuǎn)時，被密封氣體周向吸入螺旋槽內(nèi)，徑向分量由外徑朝中心（即低壓側(cè)）流動，而密封壩限制氣體流向低壓側(cè)。氣體隨著螺旋槽截面形狀的變化被壓縮，在槽根部形成局部的高壓區(qū)，使端面分開幾微米而形成一定厚度的氣膜。在此厚度氣膜下，由氣膜作用力形成的開啟力與由彈簧力和介質(zhì)作用力形成的閉合力達到平衡，于是密封實現(xiàn)非接觸運轉(zhuǎn)。干氣密封的密封面間形成的氣膜具有一定的正剛度，保證了密封運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。為了獲得必要的流體動壓效應，動壓槽必須開在高壓側(cè)。

上圖所示為螺旋槽干氣密封的作用力圖，從圖上可以看出氣膜剛度是如何保證密封運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性的。在正常情況下，密封的閉合力等于開啟力。當受到外來干擾（如工藝或操作波動），氣膜厚度變小，則氣體的粘性剪力增大，螺旋槽產(chǎn)生的流體動壓效應增強，促使氣膜壓力增大，開啟力隨之增大，為保持力平衡密封恢復到原來的間隙；反之，密封受到干擾氣膜厚度增大，則螺旋槽產(chǎn)生的動壓效應減弱，氣膜壓力減小，開啟力變小，密封恢復到原來的間隙。因此，只要在設計范圍內(nèi)，當外來干擾消除后，密封總能恢復到設計的工作間隙，即干氣密封具有自我調(diào)節(jié)的功能而保證運行穩(wěn)定可靠。衡量密封穩(wěn)定性的主要指標就是密封產(chǎn)生氣膜剛度的大小，氣膜剛度是氣膜作用力的變化與氣膜厚度的變化之比，氣膜剛度越大，表明密封的抗干擾力越強，密封運行越穩(wěn)定。

三、干氣密封的典型結構

對于不同的工況條件，可采用不同的干氣密封總體結構形式。實際應用中，用于離心壓縮機的干氣密封主要有下面四種結構形式：

1、單端面密封

單端面密封主要用于不屬于危險性的氣體，即允許少量介質(zhì)氣體泄漏到大氣環(huán)境中的場合。密封所用氣體為工藝氣本身。國內(nèi)引進機組中的二氧化碳壓縮機多用此種類型。

2、串聯(lián)密封

串聯(lián)式干氣密封是一種操作可靠性較高的密封結構，典型應用是允許少量介質(zhì)氣體泄漏到大氣中的工況。在石油化工企業(yè)的引進機組中使用較多。

一套串聯(lián)式干氣密封可看作是兩套或更多套干氣密封按照相同的方向首尾相連。與單端面結構相同，密封所用氣體為工藝氣本身。通常情況下采用兩級結構，第一級（主密封）密封承擔全部負荷，而另外一級作為備用密封不承受壓力降，通過主密封泄漏出的工藝氣體被引入火炬燃燒。剩余極少量的未被燃燒的工藝氣通過二級密封漏出，引入安全地帶排放。當主密封失效時，第二級密封可以起到輔助安全密封的作用，可保證工藝介質(zhì)不大量向大氣泄漏。

3、中間帶迷宮的串聯(lián)密封

如果不允許工藝介質(zhì)泄漏到大氣中且也不允許緩沖氣泄漏到工藝介質(zhì)中，此時串聯(lián)結構的兩級密封間可加一級迷宮密封。該結構用于易燃、易爆、危險性大的介質(zhì)氣體，可以做到完全無外漏。如H₂壓縮機、H₂S含量較高的天然氣壓縮機、乙烯、丙烯、氨壓縮機等。

該結構所用氣體除用工藝氣本身以外，還需另引一路氮氣作為第二級密封的使用氣體。通過主密封泄漏出的工藝氣體被氮氣全部引入火炬燃燒。而通過二級密封漏入大氣的全部為氮氣。當主密封失效時，第二級密封同樣起到輔助安全密封的作用。該結構相對較復雜，但由于其可靠性最高，目前在中高壓的離心壓縮機軸封中已成為標準配置。

4、雙端面密封

雙端面密封相當于面對面布置的兩套單端面密封，有時兩個密封共用一個動環(huán)。它適用于沒有火炬條件，允許少量密封氣進入工藝介質(zhì)中的情況。在兩組密封之間通入氮氣作阻塞氣體而成為一個性能可靠的阻塞密封系統(tǒng)，控制氮氣的壓力使其始終維持在比工藝氣體壓力稍高（0.2～0.3MPa）的水平，這樣氣體泄漏的方向總是朝著工藝介質(zhì)氣體和大氣，從而保證了工藝氣體不會向大氣泄漏。雙端面密封結構主要用于壓力不高的有毒、易燃易爆氣體。

四、干氣密封的設計簡述

干氣密封雖然在工作時端面為非接觸，但在開停車時仍會有短暫的接觸，這就要求配對材料的耐磨性好。干氣密封摩擦副材料，硬環(huán)一般采用低膨脹系數(shù)、高彈性模量、抗拉強度、熱導率及硬度的材料，如SiC或硬質(zhì)合金。軟環(huán)用浸漬石墨或SiC。流體動環(huán)槽一般加工在動環(huán)表面。

由于干氣密封在結構上與普通機械密封差別不大，因此干氣密封的設計主要體現(xiàn)在密封環(huán)端面槽形參數(shù)的設計上。干氣密封的理論基礎源于螺旋槽推力軸承，氣體的動壓效應服從于雷諾方程及納維爾-斯托克斯方程。我公司采用有限元差分法進行數(shù)值計算，由公司開發(fā)的專用軟件可計算出螺旋槽密封面的氣膜壓力分布，并進一步求得螺旋槽干氣密封的承載能力、密封的氣膜剛度以及密封的氣體泄漏量。

干氣密封運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性取決于密封面氣膜剛度大小，無論是工藝參數(shù)還是螺旋槽結構參數(shù)對密封性能的影響，都主要體現(xiàn)在對氣膜剛度的影響，氣膜剛度越大，密封穩(wěn)定性越好。我公司在考慮氣膜剛度的同時，也考慮了密封的泄漏量，即密封應具有最大的剛漏比。其物理意義是密封既具有較大的剛度又具有較小的泄漏量。只有具有最大剛漏比和較大氣膜剛度的干氣密封才能保證密封長周期、穩(wěn)定、理想地運行。

影響氣膜剛度的螺旋槽的結構參數(shù)主要有槽深、螺旋角、槽數(shù)、槽寬與堰寬比、槽長與壩長比等，需用專用軟件進行優(yōu)化設計。而影響氣膜剛度的工藝參數(shù)主要有以下幾類：

1.緩沖氣粘度

密封氣粘度的大小對氣膜剛度的影響比較大，粘度越大、動壓效應越強、氣膜剛度也就越大。

2.密封氣溫度

在不同溫度下，氣體的粘度是不一樣的；溫度越高、粘度越大、氣膜剛度越大。

3.密封轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速越高，動壓效應越強、氣膜剛度越大。在理想狀態(tài)下（即不考慮密封加工精度和安裝精度的影響），干氣密封的轉(zhuǎn)速越高、其穩(wěn)定性越好，而不受機械密封PV值的限制，因此干氣密封特別適合高速運轉(zhuǎn)下使用。

4.密封端面的直徑大小

在同一轉(zhuǎn)速下，密封直徑越大線速度越高，氣膜剛度越大。

5.緩沖氣的壓力

緩沖氣壓力對氣膜剛度的影響較小，一般來說，壓力越高，氣膜剛度略有增大。

五、干氣密封控制系統(tǒng)

為了保證干氣密封運行的可靠性，每套干氣密封都有與之相匹配的監(jiān)測控制系統(tǒng)，使得密封工作在最佳設計狀態(tài)，當密封失效時系統(tǒng)能及時報警，有利于維修工人以最快速度處理現(xiàn)場事故。下面以典型的串聯(lián)式干氣密封系統(tǒng)為例做簡單介紹。

下圖為該系統(tǒng)示意簡圖。該密封正常運行時是由機組出口端引出一股氣，經(jīng)過兩級過濾器（過濾精度3μm）后成為干燥、潔凈的氣體作為干氣密封的緩沖氣進入密封腔。控制其壓力稍高于正常運行時的參考氣管工藝氣壓力（通常50KPa），其作用是阻擋未凈化工藝氣中的粉塵、凝縮油等雜質(zhì)進入密封端面對干氣密封的正常工作產(chǎn)生不利的影響。系統(tǒng)由一差壓變送器測量緩沖氣與參考氣之間的差壓，信號通過電氣轉(zhuǎn)換控制安裝在緩沖氣入口處的氣動薄膜調(diào)節(jié)閥，以調(diào)節(jié)緩沖氣的入口壓力使其維持與參考氣的恒定壓差。進入密封腔的緩沖氣的絕大部分通過梳齒密封回到工藝氣內(nèi)。剩余的一小部分通過第一級干氣密封的端面漏出，稱為一級泄漏氣。當中的大部分被引入火炬安全的燃燒掉。

第二級干氣密封作為輔助安全密封，雖然不承受介質(zhì)的壓力，但需要在適當?shù)膲翰钕露嗣娌趴尚纬煞€(wěn)定的氣膜而長期理想的運行，系統(tǒng)通過在一級泄漏氣出口端設置節(jié)流閥，調(diào)整閥門孔徑使其產(chǎn)生約適當?shù)谋硥簛頋M足要求。節(jié)流閥同時還起到一級密封失效時限制泄漏量的作用。另引一路氮氣為隔離氣，經(jīng)過濾器、減壓閥后引入后置的梳齒阻隔密封中間?？刂破鋲毫ι愿哂谳S承箱油壓（通常為大氣壓），形成一個性能可靠的阻塞密封系統(tǒng)?？杀ＷC軸承箱中的潤滑油不進入干氣密封，也可避免殘余的工藝氣進入軸承區(qū)域污染潤滑油。隔離氣的一部分進入軸承箱，另一部分與一級泄漏氣中剩余的極少量未被燃燒的工藝氣混合，稱為二級泄漏氣?？勺鳛閷Νh(huán)境無害的氣體引入安全場所排放。

判斷密封是否正常工作主要通過對一級泄漏氣的監(jiān)測來進行。一級干氣密封如出現(xiàn)異常，壓力和流量會明顯增大。如達到設定的高報警值，會通過壓力變送器傳至控制室，發(fā)出報警信號，提醒操作人員檢查控制系統(tǒng)壓力是否在設計范圍。當氣體泄漏量達到高高報警值時，表明干氣密封已經(jīng)失效，系統(tǒng)連鎖停車，保證設備不受損壞。

六、干氣密封安裝注意事項

干氣密封屬于高度精密的零件，對安裝、拆卸及使用都有其特殊的要求，通常需注意的事項如下：

1.非專業(yè)廠家不可隨意分解。（裝配關系復雜，清潔程度要求高，裝配工具特殊，動平衡精度高等）。

2.運輸,安裝,拆卸均需要定位板。

3.對腔體與軸的相對位置關系要求高，需提前確認相關尺寸,必要時加墊片調(diào)整。

4 .安裝時需保持轉(zhuǎn)子與機殼的同軸度，同時需將轉(zhuǎn)子固定。

5.通常先安裝推力盤端,可保證另一端密封安裝位置準確。

6.徹底清潔密封腔及各進出氣管，要求高于油管。

7.不可用黃油潤滑，應采用硅脂。

8.密封裝入機組取下定位板后,轉(zhuǎn)子軸向位移不可超過2mm。

七、干氣密封工作時的維護

干氣密封設計的適用范圍較寬，正常情況下不需要維護。一般應每天觀察密封泄漏量。泄漏量如有增加的趨勢，可能預示著密封有失效的可能。通常應注意以下幾點：

1.螺旋槽干氣密封是單向旋轉(zhuǎn)的，因此應一定避免反向旋轉(zhuǎn)。同時應避免在小于5米/秒的低速下長時間運轉(zhuǎn)。這兩種情況均有可能損壞密封。

2.確保密封氣的流量穩(wěn)定。維持密封氣的穩(wěn)定和不間斷是干氣密封正常運行的基本條件。

3.避免密封的負壓操作，雙端面密封如出現(xiàn)負壓在靜壓條件下能導致泄漏量的大幅增加，而在動壓條件下能導致密封端面的損壞。串聯(lián)式密封則可能引起密封被未凈化的工藝氣污染而很快失效。

4.隨時監(jiān)控密封泄漏量的變化情況。泄漏量的變化直接反映出干氣密封的運行狀態(tài)。引起泄漏量變化的因素很多，如工藝氣的波動、軸竄、喘振、壓力、溫度和速度的變化等。只要不持續(xù)上升，則認為密封運行正常；但如泄漏量出現(xiàn)不斷上升的趨勢，則預示著干氣密封出現(xiàn)了故障。

5.過濾器壓差達到報警值時應及時切換過濾器，并更換濾芯。

6.機組開車時，必須等待干氣密封控制系統(tǒng)的隔離氣建立起足夠的壓力后才能開啟滑油系統(tǒng)。

7.機組停車時，必須等待機組完全停止運行并在滑油系統(tǒng)停止后10分鐘以上才能關閉干氣密封控制系統(tǒng)

八、干氣密封改造應用所需條件

干氣密封經(jīng)過長期的研究和試驗工作，現(xiàn)已大量投入到工業(yè)應用中?，F(xiàn)代工業(yè)對節(jié)能降耗以及環(huán)境保護的要求越來越高，作為輸送大流量危險性氣體的離心壓縮機，必須要求軸封可靠性好，密封泄漏小，壽命長，運行穩(wěn)定。和普通接觸式機械密封相比干氣密封具有不可比擬的優(yōu)點，即密封使用壽命長、工藝介質(zhì)無泄漏、維護費用低，而這正是各類軸封所追求的目標。

目前，新建裝置中無論是引進還是國產(chǎn)的離心壓縮機上，基本已全部采用了干氣密封。而國內(nèi)九十年代以前的離心壓縮機還在大量的使用機械密封、浮環(huán)密封和迷宮密封。所以壓縮機的干氣密封改造也是越來越多的企業(yè)需要考慮的問題。

干氣密封可廣泛應用在離心壓縮機、離心泵、反應釜等設備上。只要具備以下兩個條件，干氣密封可以成功地改造應用到任何旋轉(zhuǎn)的軸封上。

1.干氣密封運轉(zhuǎn)的基本條件是現(xiàn)場必須具備氣源，氣源氣體可以是介質(zhì)氣體，也可以是對環(huán)境無污染的惰性氣體，如氮氣。氣源可來自廠內(nèi)，也可來自專門的氮氣發(fā)生器。

2.安裝軸封處腔體具有足夠的軸向和徑向空間及合適的開孔位置。