干氣密封技術(shù)在大機(jī)組上的運(yùn)用及故障分析

干氣密封技術(shù)在大機(jī)組上的運(yùn)用及故障分析介紹了帶中間迷宮的串聯(lián)干氣密封在**塔里木石化分公司大化肥三大機(jī)組上的成功應(yīng)用，通過對(duì)干氣密封的工作原理、密封典型布置方式、密封端面槽形構(gòu)造特點(diǎn)及一級(jí)密封氣系統(tǒng)、二級(jí)密封氣系統(tǒng)、隔離密封氣系統(tǒng)、放空氣控制系統(tǒng)及增壓系統(tǒng)的流程、工作特點(diǎn)以及三臺(tái)機(jī)組干氣密封異同點(diǎn)的描述，結(jié)合其良好運(yùn)行的效果，認(rèn)識(shí)到干氣密封與其他密封相比，在諸多方面有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，具有很高的應(yīng)用推廣價(jià)值，并提出了干氣密封日常操作與維護(hù)的注意事項(xiàng)，對(duì)機(jī)組干氣密封存在及出現(xiàn)的問題開展了分析處理。一、前言

塔里木石化分公司是年產(chǎn)45萬(wàn)t合成氨、80萬(wàn)t尿素的化肥項(xiàng)目，于20**年5月建成投入正常生產(chǎn)。出于工藝介質(zhì)危險(xiǎn)性、對(duì)環(huán)境污染及一次性投入成本的綜合考慮，在化肥5大機(jī)組中，空氣壓縮機(jī)軸封為浮動(dòng)碳環(huán)密封，二氧化碳?jí)嚎s機(jī)軸封為抽充氣迷宮式密封，而合成氣壓縮機(jī)、氨壓縮機(jī)及原料氣壓縮機(jī)軸封為干氣密封，干氣密封是一種非接觸帶螺旋槽的機(jī)械密封，與其他密封相比，磨損小、能耗低、壽命長(zhǎng)、泄漏量少以及維修量低，它是非接觸式密封，不受pv值限制，所以干氣密封特別適用于高壓、高速以及易燃、易爆、有毒、有害氣體條件下的大型離心式壓縮機(jī)。二、干氣密封工作原理

在干氣密封中最核心部件為動(dòng)環(huán)和靜環(huán)，在動(dòng)環(huán)與靜環(huán)的徑向面之間形成密封，密封環(huán)精度等級(jí)非常高，螺旋槽被刻在動(dòng)環(huán)上，深度為2.5～10μm，其槽從環(huán)外沿開始向中心延伸，到環(huán)中部結(jié)束，螺旋槽分為單向和雙向，如圖1所示。

圖1干氣密封原理示意

在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)在彈簧力作用下，其密封面貼合在一起，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，氣體被輸送到螺旋槽根部，即密封氣壩，因氣壩阻擋作用，使氣體壓力上升，其力將動(dòng)靜環(huán)推開，當(dāng)彈簧力和閉合氣體力等于環(huán)間氣體開啟力時(shí)，在動(dòng)靜環(huán)之間形成2.5～5μm厚度的氣膜，如圖2所示。

圖2正常間隙氣膜壓力

因外界干擾，當(dāng)密封面間隙減小時(shí)，在螺旋槽中氣膜產(chǎn)生的壓力將急劇上升，即氣膜反力增加，開啟力大于閉合力，迫使動(dòng)靜環(huán)之間的密封間隙增大，從而恢復(fù)到正常值，如圖3所示。

圖3間隙減小氣膜壓力

當(dāng)情況相反時(shí)，動(dòng)靜環(huán)之間的密封間隙增大，氣膜反力減小，開啟力小于閉合力，迫使動(dòng)靜環(huán)之間的密封間隙減小，從而恢復(fù)到其平衡位置如圖4所示。

圖4間隙增大氣膜壓力

從上分析知，在螺旋槽中氣膜產(chǎn)生的動(dòng)壓力總是能平衡外界對(duì)動(dòng)靜密封間隙的干擾，所以干氣密封運(yùn)行很穩(wěn)定，由于氣膜的形成，使動(dòng)靜環(huán)保持分離，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http:///)認(rèn)為密封面無(wú)磨損，運(yùn)行可靠、壽命長(zhǎng)。三、干氣密封的構(gòu)造

根據(jù)氣體成分、氣體壓力、裝置工藝狀況以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保、安全要求，壓縮機(jī)可采用不同的干氣密封構(gòu)造形式。

1.布置形式

干氣密封主要有單端面、串聯(lián)和雙端面三種布置形式。

1)單端面密封又被稱為單級(jí)密封，主要用于中、低壓，同時(shí)允許少量介質(zhì)泄漏到大氣中的場(chǎng)合，例如壓縮機(jī)的介質(zhì)為氮?dú)夂涂諝獾龋鐖D5所示。

圖5單端面密封構(gòu)造

2)串聯(lián)式干氣密封是由兩套或更多套干氣密封首尾相連而成，通常使用兩級(jí)密封構(gòu)造如圖6所示，其中第一級(jí)密封擔(dān)負(fù)大部分或全部負(fù)荷，被稱為主密封;而第二級(jí)承受小部分或不承受負(fù)荷，被稱為備用密封。在第一級(jí)和第二級(jí)密封之間通入氮?dú)饩托纬勺枞芊?，保證工藝氣體不向大氣泄漏。在介質(zhì)壓力很高的場(chǎng)所，可使用三級(jí)串聯(lián)密封。

圖6兩級(jí)串聯(lián)式密封構(gòu)造

1.軸套2.一級(jí)動(dòng)環(huán)3.一級(jí)彈簧座4.中間迷宮密封環(huán)5.二級(jí)靜環(huán)6.二級(jí)彈簧7.二級(jí)彈簧座8.固定環(huán)9.二級(jí)動(dòng)環(huán)10.一級(jí)彈簧11.一級(jí)靜環(huán)

3)雙端面密封是面對(duì)面布置的兩套單端面密封，適用于允許少量密封氣進(jìn)入工藝介質(zhì)中的場(chǎng)合，如圖7所示。密封氣，一般為氮?dú)?，分為三部分：一部分稱為緩沖氣，進(jìn)入緩沖氣腔，經(jīng)過迷宮齒后全部進(jìn)入缸內(nèi)，其作用是阻止機(jī)內(nèi)介質(zhì)污染密封;另一部分稱為主密封氣，進(jìn)入主密封腔，在密封端面形成氣膜，其中一部分氣向內(nèi)側(cè)泄漏和緩沖氣混合進(jìn)入機(jī)內(nèi)，另一部分氣通過密封端面和隔離氣混合放空;第三部分稱為隔離氣，進(jìn)入隔離氣腔，部分隔離氣經(jīng)軸承箱放空，其目的是阻止?jié)櫥瓦M(jìn)入密封端面，另一部分隔離氣與泄漏的主密封氣混合放空。

圖7雙端面密封構(gòu)造

1.彈簧座2.鎖緊套3.靜環(huán)4.動(dòng)環(huán)5.O形圈6.軸套7.彈簧

串聯(lián)干氣密封的安全性是較高的，它是易燃、易爆工藝氣體密封首選的典型布置方式。

2.干氣密封端面槽形

端面槽形是干氣密封的核心部分，其常見槽形有螺旋槽、弧形槽、矩形槽、人字形槽、燕尾形槽以及T形槽等，這些槽中又分為兩大類，即單旋向和雙旋向槽，如圖8所示。

單旋向槽可用于低轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，在規(guī)定旋向下密封才可以產(chǎn)生開啟力;如果反轉(zhuǎn)，則會(huì)導(dǎo)致密封損壞，而雙向槽無(wú)旋向要求，對(duì)于單、雙向槽，工作間隙為1～2μm時(shí)，其氣膜剛度差異較大，間隙為3～4μm時(shí)氣膜剛度基本相同。

圖8常見槽形構(gòu)造

1.矩形槽2.弧形槽3.螺旋槽4.人字形槽5.燕尾形槽6.T形槽

對(duì)于合成氣壓縮機(jī)、氨壓縮機(jī)及原料氣壓縮機(jī)，因考慮到壓縮介質(zhì)的危險(xiǎn)性、其反轉(zhuǎn)可能性，最終三臺(tái)機(jī)組均選用串聯(lián)式干氣密封(見圖6)，合成氣壓縮機(jī)、氨壓縮機(jī)采用雙向燕尾槽構(gòu)造，原料氣壓縮機(jī)采用單向螺旋槽構(gòu)造，干氣密封情況見下表。

干氣密封參數(shù)四、干氣密封系統(tǒng)

合成氣壓縮機(jī)及氨壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)由一級(jí)、二級(jí)密封氣系統(tǒng)、泄漏放空氣系統(tǒng)、隔離氣系統(tǒng)以及密封增壓系統(tǒng)組成，原料氣壓縮機(jī)原設(shè)計(jì)未有增壓系統(tǒng)，后改良增設(shè)了增壓密封線。

1.低壓缸干氣密封系統(tǒng)

低壓缸為兩級(jí)壓縮，4個(gè)葉輪一組，共8個(gè)葉輪，葉輪背靠背布置，軸向力抵消，沒有平衡管，每一級(jí)進(jìn)口都靠密封側(cè)，缸體兩側(cè)軸封一級(jí)密封氣分別有各自參考?xì)鈮毫Γ鋲毫Ψ謩e為3.04MPa和5.19MPa。

(1)運(yùn)行時(shí)一級(jí)密封流程運(yùn)行時(shí)，低壓缸干氣密封一級(jí)密封氣使用低壓缸出口工藝氣，其壓力為8.65MPa，溫度98℃，該氣通過精細(xì)過濾器(精度為2μm)后，分兩路分別經(jīng)過調(diào)壓閥，參照缸內(nèi)一級(jí)進(jìn)口壓力和二級(jí)進(jìn)口壓力開展壓力調(diào)節(jié)，進(jìn)入低壓缸兩側(cè)的干氣密封一級(jí)密封腔，其中大部分氣體通過壓縮機(jī)內(nèi)側(cè)迷宮密封進(jìn)入壓縮機(jī)中，僅少部分氣體從一級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)端面泄漏進(jìn)入一級(jí)密封泄漏放空火炬管網(wǎng)。

(2)開機(jī)中一級(jí)密封流程壓縮機(jī)開機(jī)前，打開氮?dú)忾y，其壓力為0.6MPa溫度為25℃，通過過濾器、調(diào)壓閥、流量計(jì)進(jìn)入干氣密封一級(jí)密封腔，當(dāng)缸體內(nèi)壓力到達(dá)0.3MPa時(shí)，打開增壓?jiǎn)卧獎(jiǎng)恿諝忾y，其壓力為0.4MPa，起動(dòng)增壓泵(2臺(tái))，其增壓介質(zhì)來(lái)自于低壓缸出口，一級(jí)密封建立后，對(duì)低壓缸開展氮?dú)?、工藝氣置換及系統(tǒng)均壓，然后起動(dòng)機(jī)組，當(dāng)壓縮機(jī)升速到最低工作轉(zhuǎn)速后，停增壓泵，將低壓缸出口氣切入到一級(jí)密封中。

(3)停機(jī)過程中一級(jí)密封流程機(jī)組停車前，起動(dòng)增壓泵，低壓缸出口氣通過增壓泵升壓后到干氣密封一級(jí)密封腔，當(dāng)機(jī)組停機(jī)后，缸內(nèi)壓力降至0.3MPa時(shí)，將氮?dú)馇腥胫髅芊?，停增壓泵?/p>

(4)二級(jí)密封氣系統(tǒng)氮?dú)鈦?lái)自管網(wǎng)，其壓力為0.6MPa，溫度為25℃，經(jīng)過精細(xì)過濾器，其精度為2μm，分為兩路，分別作為高壓缸、低壓缸隔離氣及二級(jí)密封氣之用，二級(jí)密封氮?dú)馔ㄟ^調(diào)壓閥、流量計(jì)，進(jìn)入二級(jí)密封腔，其中大部分氮?dú)馔ㄟ^干氣密封中間梳齒進(jìn)入一級(jí)密封泄漏管道，與泄漏工藝氣混合到火炬燃燒，其目的是阻止泄漏的工藝氣到二級(jí)密封，只有少部分氮?dú)馔ㄟ^二級(jí)密封進(jìn)入二級(jí)密封泄漏管道而高點(diǎn)放空。

(5)隔離氣系統(tǒng)隔離氣來(lái)源與二級(jí)密封氣同路。該氣源通過精細(xì)過濾器、調(diào)壓閥，然后通過孔板φ2.6mm，其壓力降至390kPa，進(jìn)入低壓缸后置迷宮密封腔，其壓力稍大于軸承箱油壓，其作用防止軸承潤(rùn)滑油進(jìn)入干氣密封。其中部分氣體通過內(nèi)側(cè)梳齒與二級(jí)密封泄漏氣混合后高點(diǎn)放空，另一部分氣通過外側(cè)梳齒到軸承潤(rùn)滑油煙氣放空管現(xiàn)場(chǎng)放空。

(6)放空氣控制系統(tǒng)一級(jí)密封泄漏氣為易燃、易爆工藝氣，它與二級(jí)密封氮?dú)饣旌虾笈欧诺交鹁婀芫W(wǎng)燃燒，二級(jí)密封泄漏氣與通過內(nèi)側(cè)梳齒的隔離氮?dú)饣旌虾蠖唿c(diǎn)放空，軸承潤(rùn)滑油揮發(fā)煙氣與通過外側(cè)梳齒的隔離氮?dú)饣旌虾蠓趴罩链髿?。流量監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置安裝在一級(jí)密封泄漏氣管線上，用來(lái)監(jiān)測(cè)干氣密封運(yùn)行情況，當(dāng)一級(jí)密封泄漏量超出指標(biāo)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.合成氣壓縮機(jī)高壓缸干氣密封系統(tǒng)及氨壓縮機(jī)、原料壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)

合成氣壓縮機(jī)高壓缸為兩級(jí)壓縮，一組由7個(gè)葉輪組成，另一組由1個(gè)葉輪組成，按同一方向排布，為抵消軸向力設(shè)置了平衡管，高壓缸三段出口氣作為干氣密封的一級(jí)密封氣，平衡氣管處工藝氣作為密封參考，其壓力為8.68MPa。氨壓縮機(jī)為兩級(jí)壓縮，一組由2個(gè)葉輪組成，另一組由4個(gè)葉輪組成，葉輪按同一方向布置，為抵消軸向力，設(shè)置一級(jí)出口與二級(jí)出口相連的平衡管，壓縮機(jī)二段出口氣作為干氣密封一級(jí)密封氣，其密封參考?xì)鉃槠胶鈿夤芴幑に嚉饧耙欢稳肟诠に嚉?，其壓力分別為0.428MPa和0.249MPa。原料氣壓縮機(jī)為一級(jí)壓縮，5個(gè)葉輪按同一方向排布，為抵消軸向力，設(shè)置了平衡管，壓縮機(jī)一段出口氣作為干氣密封一級(jí)密封氣，其密封參考?xì)鉃槠胶鈿夤芴幑に嚉?，其壓力?.52kPa。

因合成氣壓縮機(jī)高壓缸及氨壓縮機(jī)、原料氣壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)流程與合成氣壓縮機(jī)低壓缸基本相同，不再贅述，其不同點(diǎn)如下。

1)對(duì)于合成氣壓縮機(jī)，增壓泵為美國(guó)Haskel公司產(chǎn)品。高壓缸為4臺(tái)增壓泵，型號(hào)為8AGD—14，低壓缸為2臺(tái)增壓泵，型號(hào)為8AGD—5。2)對(duì)于氨壓縮機(jī)，其增壓泵與合成氣壓縮機(jī)低壓缸增壓泵共用。

3)對(duì)于原料氣壓縮機(jī)，因原設(shè)計(jì)沒有增壓系統(tǒng)，所以起動(dòng)機(jī)組時(shí)采用降壓起動(dòng)技術(shù)，流程為：起動(dòng)前，氮?dú)?.5MPa通入一級(jí)密封，打開副線向壓縮機(jī)缸體充壓，當(dāng)其壓力到達(dá)0.25MPa時(shí)起動(dòng)壓縮機(jī)，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)3500r/min時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)、出口壓差已達(dá)0.3MPa，此時(shí)壓縮機(jī)出口工藝氣已投入到一級(jí)密封中，當(dāng)缸體內(nèi)壓力到達(dá)入口管網(wǎng)壓力時(shí)，打開壓縮機(jī)入口主閥。五、干氣密封維護(hù)和運(yùn)行

干氣密封維護(hù)和運(yùn)行應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)保證一級(jí)密封氣、二級(jí)密封氣和隔離氮?dú)鉂崈簟⒏稍?，其流量和壓力穩(wěn)定。

2)在干氣密封投用前要打開密封氣管線低點(diǎn)導(dǎo)淋排凈積液，防止密封損壞。

3)工藝氣進(jìn)入壓縮機(jī)前，先投入一級(jí)密封氣，以防止機(jī)內(nèi)工藝氣污染一級(jí)密封，開車正常后，當(dāng)壓縮機(jī)出口氣壓力超過密封參考?xì)鈮毫r(shí)，將壓縮機(jī)出口氣切換到一級(jí)密封中，此時(shí)停增壓泵，當(dāng)機(jī)組急停后，應(yīng)立即起動(dòng)增壓泵，當(dāng)機(jī)內(nèi)工藝氣排凈后方可停一級(jí)密封氣。

4)壓縮機(jī)開車時(shí)先投隔離氣，然后起動(dòng)壓縮機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)，同樣，停車后，先停潤(rùn)滑油系統(tǒng)，然后再切斷隔離氣。

5)對(duì)干氣密封系統(tǒng)每天開展兩次巡回檢查，檢查一級(jí)、二級(jí)密封氣、隔離氣的流量、壓力情況以及過濾器堵塞、系統(tǒng)單元泄漏情況。

6)注意一、二級(jí)密封泄漏量的變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)干氣密封出現(xiàn)的故障。

7)過濾器壓差到達(dá)報(bào)警值0.18MPa時(shí)應(yīng)及時(shí)切換過濾器，在更換濾芯時(shí)，特別要注意其內(nèi)部密封O形圈是否松動(dòng)，以防止顆粒被帶入干氣密封。

8)要防止壓縮機(jī)頻繁起、停，否則極容易導(dǎo)致干氣密封損壞。

9)因開機(jī)時(shí)工藝氣溫度低或冬季環(huán)境溫度低會(huì)造成密封氣冷凝，所以對(duì)一級(jí)密封氣管線要增設(shè)電伴熱及保溫，以防密封損壞。六、干氣密封出現(xiàn)的問題及處理

1.原料氣壓縮機(jī)增設(shè)干氣密封增壓線

原料氣壓縮機(jī)沒有增壓?jiǎn)卧?，為防止機(jī)內(nèi)工藝氣向外擴(kuò)散污染干氣密封，壓縮機(jī)起動(dòng)時(shí)須采用降壓起動(dòng)，其缺點(diǎn)如下。

1)操作難度大，工藝氣容易污染干氣密封端面，甚至損壞干氣密封。

2)開車所需時(shí)間較長(zhǎng)。采用降壓起動(dòng)，循環(huán)升壓，大約多耗時(shí)2h。

為克服以上缺點(diǎn)，經(jīng)分析，在低壓缸增壓?jiǎn)卧隹诮右粭l管線到原料氣壓縮機(jī)，作為干氣密封增壓線，使問題迎刃而解。

2.高壓缸干氣密封靜環(huán)磨損

干氣密封最忌將微小顆粒物、潤(rùn)滑油、水帶入密封。當(dāng)液體進(jìn)入動(dòng)、靜環(huán)端面后，由于液體表面張力作

用，密封端面被牢牢地粘在一起。壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，無(wú)法形成氣膜，動(dòng)、靜環(huán)接觸摩擦而磨損，而顆粒進(jìn)入也會(huì)使密封端面產(chǎn)生劃痕性磨損，最終導(dǎo)致干氣密封失效。

20**年4月17日，合成氣壓縮機(jī)安裝完畢，準(zhǔn)備單機(jī)試運(yùn)，在開展壓縮機(jī)管道無(wú)應(yīng)力對(duì)中時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓缸有大量臟水，與三菱公司人員溝通后，更換干氣密封，將舊密封送**約翰克蘭科技公司拆檢，發(fā)現(xiàn)干氣密封動(dòng)環(huán)已磨損，其內(nèi)部有許多銹渣及金屬顆粒，如圖9所示。

圖9干氣密封拆檢情況

原因分析：因新建裝置，管線吹掃不徹底，管線試壓時(shí)積水未吹盡，在用氮?dú)庵脫Q設(shè)備和管線時(shí)將金屬顆粒、銹渣及水帶入干氣密封，壓縮機(jī)聯(lián)軸器對(duì)中復(fù)查轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子造成動(dòng)環(huán)磨損。

處理方法：對(duì)舊動(dòng)環(huán)開展磨削、拋光處理，重新刻燕尾槽，然后對(duì)組裝密封開展密封試驗(yàn)，泄漏量合格，作為備用。

3.干氣密封二級(jí)密封故障

20**年7月18日合成氣壓縮機(jī)準(zhǔn)備起動(dòng)，在干氣密封一、二級(jí)密封通入氮?dú)夂?，高壓缸非?lián)軸器側(cè)干氣密封一級(jí)泄漏氣流量?jī)H為0.04m3/h，出現(xiàn)了異常。經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)一級(jí)密封泄漏氣通過二級(jí)密封動(dòng)、靜環(huán)進(jìn)入二級(jí)密封泄漏放空管線，干氣密封內(nèi)二級(jí)密封出現(xiàn)故障，進(jìn)一步查找發(fā)現(xiàn)，變壓吸附制氮裝置干燥吸附塔壓緊刪板松動(dòng)，塔內(nèi)活性炭顆粒及粉末進(jìn)入氮?dú)庀到y(tǒng)，通過二級(jí)密封氣進(jìn)入了干氣密封，造成了動(dòng)靜環(huán)磨損，在推力瓦檢修、轉(zhuǎn)子軸左移作用下，顆粒、粉末及少量潤(rùn)滑油造成了二級(jí)靜環(huán)支撐座被卡，二級(jí)動(dòng)靜環(huán)分離，形成泄漏通道，造成了一級(jí)密封泄漏量異常，對(duì)此采取措施如下。

1)20**年8月5日，利用裝置停車時(shí)機(jī)，對(duì)干氣密封開展更換檢修。檢修后，干氣密封異?，F(xiàn)象消除，到目前為止運(yùn)行良好。

2)將舊密封送約翰克蘭科技(**)公司修理，根據(jù)部件磨損情況，重新加工一、二級(jí)靜環(huán)及二級(jí)靜環(huán)支撐座。對(duì)一、二級(jí)舊動(dòng)環(huán)開展精研，重新加工約翰克蘭螺旋槽。

3)對(duì)彈簧、O形圈開展了全面更換。

4.氨壓縮機(jī)干氣密封損壞

20**年裝置大檢修完成后，8月8日21點(diǎn)33分起動(dòng)氨壓縮機(jī)，8月9月凌晨3點(diǎn)氨壓縮機(jī)一段入口管線保溫材料著火，缸體內(nèi)溫度到達(dá)450℃以上，對(duì)缸體拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子燒損，干氣密封O形圈炭化，將干氣密封送約翰克蘭科技(**)