干气密封的应用与维护分析

潘广斌，周华南，王 瞻，李国富

（中国石油吉林石化公司炼油厂，吉林吉林 132000）

0 引言

干气密封系统属于非接触端面微间隙气体润滑密封系统。相较于传统机械密封而言，干气密封突出的优点在于动、静环可以实现非接触运行，不存在接触摩擦，也不受PV 值限制，因此具有极长寿命和极高可靠性，尤其适用于高速、高压的离心式压缩机等。由于在环境保护及对人员、设备自身安全方面性能优越，受到化工行业的广泛青睐。下面对干气密封的工作特点、运行原理、结构类型及操作运行和日常维护注意事项等进行归纳。

1 密封的优点

干气密封是非接触端面微间隙机械密封，适用于高温、高压、介质成分复杂等苛刻条件，能够让机组在各种复杂条件下稳定运行，因此干气密封被石化行业广泛采用，特别是大型离心压缩机，基本都采用了干气密封系统。与以前的密封油系统相比，干气密封有以下主要6 个优点：节省了复杂庞大的密封油系统及其功耗；保证工艺介质不被密封油污染；密封气体泄漏量少；维护费用低；驱动功率消耗小；寿命长，运行可靠度高。

2 密封的工作原理

如图1 所示，固定在转子上的轴套、固定在轴套上的动环、可以随动环轴向浮动的静环，以及静环背部的密封圈、弹簧座、推环，其余静密封圈，组成了一个独立的干气密封单元。

图2 为动环的工作面，其表面上加工有一定数量、均匀分布的浅槽（一般3～15m）。该表面由动压槽、密封坝、密封堰三部分组成。动环旋转时，气体在粘性剪切力和压差作用下进入动压槽内并由外径向内径流动，在密封坝和密封堰的限制下被压缩，气体压力升高。当端面气体产生的开启力与静环背后的流体静压力以及弹簧载荷所形成的闭合力相等时，密封面脱离并形成一定厚度的气膜（一般3～5m），由此密封实现非接触运转。端面的气膜具有一定的刚度，在工况发生变化时，可实现端面间隙适时调整，保证密封端面始终处于非接触状态。

图1 干气密封基本单元

图2 螺旋槽

图3 中开启力即为气膜作用力，闭合力=弹簧作用力Fs+流体作用力Fp。其中，气膜厚度为ha，气膜反力F0。当密封运转后，端面间会形成一个稳定的气膜间隙，此时密封的闭合力等于开启力F0，密封将在此间隙下稳定运行。当密封受到外界干扰时，如端面间隙变小，动压槽产生的流体动压效应增强，气膜所产生的开启力增大，静环将发生位移并自动恢复到稳定的运行间隙。反之，如果密封端面间隙增大，动压槽产生的动压效应不足、开启力减小，密封也将自动恢复到原来的间隙，从而实现干气密封的非接触稳定。密封的运行稳定性主要以气膜厚度（ha）和气膜刚度为评价指标：气膜厚度反映密封动、静环脱开的距离；气膜刚度是作用力与厚度的变化比，气膜刚度大，密封的抗干扰力就强，能够保证密封系统稳定运行。

图3 气膜稳定性示意

3 机用干气密封的结构类型

（1）单端面结构（图4）。适用于工艺气为安全性气体的工况，少量工艺气会泄漏到大气中，如氮压机、空压机、二氧化碳压缩机等对大气无污染的介质。

（2）双端面结构（图5）。通常采用氮气作为密封气，适用于允许微量氮气泄漏到机组内部的情况，同时该结构可以实现工艺介质的零泄漏。此结构允许少量密封氮气泄漏到工艺气体介质中，适用于有毒有害、易燃易爆、压力较低的工艺介质和要求零泄漏的生产工况。

图4 单端面结构干气密封

图5 双端面结构干气密封

图6 串联式结构干气密封

（3）串联式结构（图6）。该结构安全性、可靠性高，但会有微量工艺气泄漏至大气环境中，外部氮气不会进入工艺流程内。该结构负压到高压均可，多用于现场无氮气气源的管线压缩机、一级泄漏气需要回收的冷剂压缩机等。

（4）带中间迷宫的串联式结构（图7）。该结构安全性、可靠性最高，同时既不会有工艺气泄漏到大气环境中，也不会有外部氮气进入工艺流程内，适用于各种压力条件下的有毒有害、易燃易爆工艺介质。

4 干气密封运行的因素

影响干气密封泄漏量的因素有密封环线速度、密封工作压力、介质温度黏度、机组转速等4 个方面：密封环线速度大，干气密封的泄漏量就越大；工作压力越高，干气密封的泄漏量就越大；介质黏度大，密封气流经密封端面的阻力会增加，但泄漏量变化不大；机组转速越高，稳定性就越好。

图7 带中间迷宫串联式结构干气密封

干气密封典型的失效模式包括：密封污染；机组振动、喘振；反压；中分面打胶；安装原因。在实际应用中，大多数的干气密封失效是由于密封污染引起的。如果密封气带液或带有杂质，则会因液体摩擦发热或颗粒通过端面造成密封面磨损，进而影响流体动压槽的动压效应，造成气膜稳定性下降直至无法形成气膜，严重时甚至会造成动静环破碎。

5 密封运行时注意事项

干气密封系统都带有分液、除沫、干燥过滤等控制过程，对主密封气和辅助密封气的清洁度控制和监测有很高的要求，过滤系统滤芯要实时监控、检查和及时更换，不允许带有杂质和液滴，要保证密封气的干燥和干净。主密封气和密封泄漏气的温度、流量和压力等控制参数要实时监控，设置声光报警系统，通过对这些参数的监控和测量来监测和保证干气密封的实际运行状况。

日常的操作和运行维护，其实主要就是对干气密封控制系统的使用、监测和维护，以达到对干气密封的维护。

（1）防反压串压：工艺介质的反压串压会导致密封环的损坏。

（2）防反转：单向螺旋槽干气密封反向旋转会损坏密封环。

（3）暖机：避免在过低的暖机转速下连续运转，干气密封允许的最低暖机转速与干气密封规格有关。暖机转速切忌过低。

（4）盘车：避免在过高的盘车转速下连续盘车，干气密封允许的最大盘车转速与干气密封的规格有密切关系。盘车转速切忌过高，盘车时间不宜过长。

（5）避免或减少振动：干气密封的使用条件应使运行机组满足API617 的振动要求。

（6）泄漏趋势：泄漏量的监控和漏量报警，可以实时了解密封的实际运行状况。

（7）气体品质：应密切关注干气密封所需密封气的气体品质情况，定期检查和更换干气密封控制系统的过滤器、聚结器、加热器等，确保干气密封处于干净、干燥的工作环境。

（8）气源的稳定性和连续性：应保证密封气源的连续性和稳定性，包括密封气和隔离气等。避免因断气和流量不足造成工艺介质倒灌或润滑油进入密封。

（9）排凝：排除凝液，避免液滴对密封系统的冲击。

6 结束语

干气密封系统有功耗低、泄漏少、运行周期长、可靠性高、运行维护便捷等优点，广泛应用于化工装置大型离心机组。近年来，随着越来越多的高温高压和液化气等高危机泵采用干气密封，对设备维护和管理人员干气密封操作和维护学习的要求也越来越高。在设备选型方面，要根据不同的需求选用合适的干气密封型式；在运行方面，要避免出现密封失效事件，实现机组机泵的安全可靠运行。这些都是相关技术人员应该学习并掌握的基础知识，也是为企业能够长期科学发展、装置能够长周期平稳运行应尽的责任。