干气密封在烯烃空分装置压缩机上的应用分析

张燕莉

(宁夏工商职业技术学院化工工程系，宁夏银川 750021)

0 前言

神华宁煤烯烃项目是以煤为原料，通过煤气化技术生产甲醇，再通过甲醇制丙烯(MTP)工艺将甲醇转化为烯烃、最终聚合得到产品聚丙烯。目前，石化行业普遍应用透平压缩机来输送各种气体，为了防止或限制这些气体沿压缩机轴端部泄漏，必须采用轴端密封装置，以便维持主机的正常运转，降低物料和能源的消耗，防止环境污染和保证人身及设备安全。对于输送危险性工艺气体的压缩机则必须采用密封性能良好的密封形式。

1 浮环密封

浮环密封是主要由内浮环和外浮环组成，如图1所示。靠近介质侧的浮环为内浮环，靠近大气侧的浮环为外浮环。内、外浮环和轴之间留有固定的间隙。在弹簧力及密封流体压力作用下，内、外浮环断面分别与内、外腔体端面保持贴合，从而防止密封流体从端面之间泄漏。在防转销的作用下，内、外浮环不能转动，但可以产生径向浮动。这种浮动能够补偿转子径向的不同轴度及振动。

图1 浮环密封系统示意图

为了改善润滑效果，带走摩擦热量，通常向内、外浮环之间引入其压力稍高于被密封气体压力(一般为0.04～0.06 MPa)的密封油。把对气相介质的气相密封工况转化为对密封液的液相密封工况。由于密封液压力高于介质压力，介质被密封液封堵隔离，不能外漏，实现了对气相介质的密封。

浮生性使浮环具有自动对中性能，能适应轴的偏摆，以避免浮环与轴之间发生固相摩擦。浮生性还可使轴与浮环的间隙尽量减小，以增强节流效果，减少泄漏量。引入浮环的密封液少部分通过内浮环泄漏并与气相介质混合，引出后需进行气液分离，再循环使用。大部分密封液通过外浮环泄漏，引回油箱继续循环使用。

1.1 浮环密封存在的问题

机组运行一段时间后，浮环出现磨损，间隙增大，密封油将大量泄漏，并经常造成干气进入油箱，致使油质变坏，需要经常换油，造成大量浪费。系统复杂，辅助设备多，以及电、仪自控元件多，使用可靠性下降，维护、维修任务重。脱气槽放空，污染环境，严重影响了职工的身心健康。

1.2 神华宁煤集团烯烃空分装置压缩机浮环密封失效形式分析

从浮环密封的结构和原理可知，密封效果与浮环间隙有直接关系，从减少密封油泄漏、提高密封效果来看，浮环间隙尽量减小，但间隙太小又会导致浮环工作条件的恶化，导致浮环抱轴发生;浮环间隙过大，泄油量增加，使密封油、润滑油互窜，密封油跑损、稀释。所以，浮环间隙的选取范围一般是:内浮环半径间隙S(0.000 5～0.0010)D;外浮环半径间隙S(0.001～0.0020)D。其中，D为浮环公称直径，mm。

润滑油流入机器时压力高或润滑油温度高，会导致油的黏性下降，流动性差，导致润滑油窜到密封油中，密封失效。密封气带液体或压力差不符合要求值，有两种情况发生:一种是封不住密封油，密封油窜到机内，密封油跑损;另一种是密封气窜到密封油中，造成密封油和润滑油污染，密封油稀释。密封油质量太差，黏度达不到要求值，流动性太强，油膜形成不好，密封点泄油量增加。运转密封油泵出现故障，使密封油压力降低，密封油流量减小，油膜形成不理想，密封油、润滑油受污染，甚至密封油中断，导致烧坏。由于机组检修时装配质量问题或零件损坏，使浮环卡死，形成带缺陷的油膜，使润滑油窜入密封油中，密封油失效。由于装置操作波动大，导致压缩机流量波动频繁，也会影响浮环密封油膜的形成，使得密封失效。

1.3 浮环密封的优缺点

浮环密封有两大主要优点:①属于非接触式密封，寿命长，可靠性较高;②适应于高速和各种压力等级，工况范围广。正是这两点使浮环密封成为危险性工艺气体压缩机轴端密封的传统形式。

然而浮环密封也有三大缺点:①内泄漏较大，回收处理内泄漏油的设备复杂，包括油气分离器、脱气槽等控制系统。整个密封油系统价格约占压缩机总价的30% ，国内外的统计均是如此。浮环密封辅助系统的投资远远高于密封本身的投资。②浮环密封的油气压差很小，控制系统复杂。根据国外统计的离心压缩机失效原因，封油和润滑油系统的故障占55% ～65%。③密封油系统能耗高，维护费用高，为操作带来困难。正是这三大缺点，富气压缩机浮环密封已被更先进的双端面干气密封所取代。

2 双端面干气密封

2.1 双端面干气密封的结构和原理

TM02A干式气体密封为天津鼎名公司生产的螺旋槽端面密封，密封结构如图2所示。

图2 干气密封结构

从图2可以看出双端面干气密封与普通多弹簧平衡型机械密封类似，它也由静环、动环组件(旋转环)、副密封O形圈、精密封、弹簧和弹簧座(腔体)等组成。弹簧在密封无负荷状态下使静环与固定在轴上的动环组件配合。不同的是干气密封的密封面宽，动环或静环端面上(或者同时在两个端面上)开有螺旋槽，其加工精度高、测试手段复杂。对于这次我厂烯烃空分装置压缩机浮环密封的改造，动环采用的是单向双列螺旋槽。根据泵送原理，随着动环的转动，密封气被向内泵送到螺旋槽的根部，根部以外的一段无槽区称为密封坝。密封坝对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。下游泵送双列螺旋槽是在密封端面上设置两列螺旋槽，一列位于高压侧，即上游，另一列位于低压侧，即下游。两列螺旋槽的螺旋角相反，位于上游的螺旋槽的径向高度大于位于下游的螺旋槽的径向高度。在两列螺旋槽之间及下游螺旋槽的内侧还分别有一平面，位于下游的螺旋槽将密封流体向上游泵送;两列螺旋槽总的效果是将密封流体从上游向下游泵送，从而形成足够厚度的稳定气膜，这种气膜既可以阻隔工艺气体泄漏，又使得密封端面非接触，因而实现了干气密封的微磨损和长寿命。

如果由于外界因素产生导致密封端面间间隙减小的扰动，由螺旋槽产生的开启力显著增加，开启力大于闭合力，在其合力作用下端面间隙增大，直至开启力与闭合力相等。同样，如果端面间隙增加，开启力小于闭合力，在其合力的作用下，端面间隙减小，直至开启力与闭合力平衡。由此可见，只要端面间隙大于热变形量及表面粗糙度，端面间就不会产生固相摩擦。

2.2 双端面干气密封的失效形式

作为离心式压缩机的轴端密封形式，因为其自身的特点已经广泛的应用在化工行业，所以目前已经是一种成熟的产品。但是就干气密封的现场使用来说，其失效形式主要集中在两方面:①正常的失效，就是随着时间的运转，密封面的一个正常磨损过程，导致泄漏量的增加，但是这种变化基本上很微小。②突然失效，主要集中在开停车以及非正常的工艺工况以及安装方面，我自己设计安装近几十套干气密封，经过统计发现主要的失效形式为突然失效，多数为控制系统的设计缺陷以及压缩机本身的结构问题，比如轴端梳齿密封的间隙变大、振动等因素，还有就是工艺气的压力、温度变化导致气体相变考虑不足、不准确的因素，再者就是工艺的变化较大对密封的影响也非常大。所以尽可能充分的了解工艺条件以及可能出现的工况，作为密封设计的重点，以及如何更好的适应机组肯定出现的问题，保证密封的使用范围，适应性、稳定性上作更好的分析设计，也是非常有必要的。

2.3 双端面干气密封的优点

①端面非接触，寿命长，气膜厚度和刚度更大，可靠性更高;②极限速度高，高时达150～180 m/s，适应各种工况;③密封消耗的功率与密封介质的密度和黏度有很大关系，液体和气体的密度和黏度几乎相差两个数量级，干气密封消耗的功率仅为浮环密封的5%左右，因此说双端面干气密封功耗低，节省能源;④省去了庞大的密封油系统，密封系统总投资比浮环密封低，质量轻，占地面积小;⑤消除了密封油污染润滑油的可能性;⑥控制系统比浮环密封简单，运行和维护费用低。

2.4 双端面干气密封使用中的注意事项

①双端面干气密封零部件表面加工精度高，因此要求密封气必须清洁，允许杂质最大颗粒尺寸为5 μm，同时要防止密封面带油或其它液体，单向双列的双端面干气密封要严禁倒转，否则干气密封将失效甚至损坏。②机组在开机时，尽量加大至低速暖机目标转速的启动速率，使双端面干气密封在机组启动时能够迅速脱开，减少启动时的磨损，这样将提高干气密封的使用寿命。③密封气的流量是双端面干气密封运行好坏的晴雨表，流量稳定则说明干气密封使用情况良好。双端面干气密封使用时如出现密封气流量渐渐增大，说明干气密封的零部件出现了问题，应引起重视，尽快解决。④一般来讲双端面干气密封盒需定期检修，更换O形圈。根据天津石化、大连石化、燕化等兄弟厂家的使用经验，密封气压力可以控制在较宽的范围内而不影响干气密封的性能。

3 结束语

根据以上对比分析可知，对于工艺气不允许泄漏到大气中，但允许密封气进入机内的工况时，宜采用双端面干气密封。由于双端面干气密封独特的结构和先进的控制系统，达到了无泄漏，与浮环密封相比，从根本上解决了原浮环密封污油量大、跑油、窜油等问题，并且密封功耗低，省去了庞大的密封油系统，运行和维护费用低。神华宁煤烯烃空分装置压缩机每年跑损污油和动力水电消耗以及各种维护费用，折合人民币共30多万元。因此该厂烯烃装置压缩机浮环密封的改造选用双端面干气密封。这样不但减少了经济损失，也为装置的“安、稳、长、满、优”生产创造了良好的条件。