离心式压缩机干气密封运行维护研究

刘晓晨 穆 坤 余光兴 何臣雄

(黔希煤化工投资有限责任公司，贵州黔西，551500)

涉及有毒有害介质的大型离心式压缩机组的轴封一般采用带中间梳齿迷宫的双端面串联式干气密封。它是一种新型的非接触式轴封，在很多方面都优越于传统的机械密封，其具有使用寿命长、运行稳定可靠、功率消耗小和泄漏量小等优点，很好地满足了压缩有毒有害介质的离心式机组设备需求。但是干气密封设备构造精密，需要按操作规范使用，对定期的维护管理也有要求，所以在使用过程中易受到压缩机工况和设备本体维护操作不当的影响，造成密封故障损坏从而导致压缩机停车，严重影响经济生产效益。现对干气密封在压缩机领域的管理运用作一些介绍。

1 干气密封发展现状

干气密封是在气体动压轴承基础上发展起来的一种干运转气体薄膜润滑非接触式机械密封，该密封利用流体动力学原理实现密封端面的非接触性运行。干气密封有泄漏率低、运转时无磨损、能耗低、高效率、使用周期长和操作简单等优点。而离心式压缩机在石油、化工、冶金、动力和制冷等行业应用广泛，由于工况时常涉及易燃、有毒有害气体，为了防止这些气体从机组轴端泄漏，要求机体必须具备极高的密封性。随着环保形势越来越严峻以及人们安全意识的提高，高速高压条件下离心压缩机的传统油膜密封、迷宫式密封和机械密封的轴封形式已逐渐被干气密封取代，传统的“液封”观念也渐渐被“气封”新观念替代。且离心式压缩机装置普遍采用带中间迷宫密封的双端面串联式干气密封，可达到有毒有害介质的“零逸出”效果。

2 干气密封结构原理

干气密封是将开槽密封技术运用在气体密封上面，从而实现非接触式效果，结构主要由旋转环、静环、弹簧、O形圈及轴和组装套组成，其中易损件O形圈采用高级聚合密封材料，以防止密封受到机组减压工况影响而导致密封圈破裂。干气密封形成隔离漆膜主要靠的是动环和静环相互作用，为了保证光滑耐磨，常采用碳化硅、碳化钨处理的方式，并且在动环表面上加工了螺旋槽，按设计分有单向和双向两组加工方式，采用对数布置形式增强动压效应，对提升稳定性和隔离膜刚度都有利。螺旋槽里的区域称为密封坝区，动环达到一定转速时，正是利用凹槽的泵送效应，气体朝里被吸入挤压，形成密封坝。密封坝增加了流动区间内的压力，在坝区形成压力梯度，使动静环端面被一稳定的薄气膜分隔开来，而处于非接触运行状态。正是坝区动静压效益形成的气膜，隔绝了轴端泄漏的气体。干气密封还具备自动调整平衡的技术特点，动静环封闭力、弹簧支撑力和气膜张力相等时，密封动静环间隙不变。如果受工况和气源影响使气膜受到扰动，坝区槽内的支撑力就会发生变化，相应的弹簧力就会补偿压力，达到动态平衡补偿效果。

3 干气密封在离心式压缩机领域应用

3.1 一级密封气流程

压缩机出口的工艺气先经过过滤器去除杂质粉尘，然后调节阀减压后进入缸体两端一级密封腔，大部分一级密封气直接通过梳齿迷宫密封流入机组缸体内，阻止机内气体外漏；少量气体经过动静环密封端面逸出泄漏到一级密封泄漏排放腔流入火炬系统放空。在机组开车前或高压工艺气压力不足时，用氮气作为一级密封气源。缸体两端设置平衡管使高低压侧压力均平，也便于监测一级密封压力确保正压差。

3.2 二级密封气流程

常温低压氮气经过滤器及减压阀，通过流量阀门控制调整好进气量，引入干气密封二级密封腔。二级密封采用串联形式是为了防止一级密封泄漏。二级密封腔注入的氮气和少量一级密封动静环侧泄漏的工艺气混合流入了火炬管线，少量二级密封气经过二级密封动静环密封端面逸出泄漏后与部分隔离气混合现场放空。

3.3 隔离气流程

隔离气也是采用过滤减压后的低压氮气作为气源，通过阀门调整气量压力后进入干气密封的隔离气腔；隔离气主要作用就是防止润滑油污染干气密封端面，造成动静环损坏。一部分隔离气经后置梳齿迷宫密封进入二级泄漏腔与二级泄漏气混合后现场放空；另一部分隔离气经轴承侧后置梳齿迷宫密封进入到轴承腔，经轴承箱放空管线就地排空。设置有压力开关监测隔离腔的压力，润滑油泵在启动之前必须保证隔离气压力。

3.4 密封气泄漏监测系统

一级密封气动静环端的一小部分泄漏气经过一级密封环泄漏和二级密封气梳齿端泄漏气混合排放至火炬系统。在排放线上通过流量压力表监测，根据2选2逻辑发出停车信号，从而在工艺气大量泄漏时使压缩机紧急停车。

4 干气密封运行时常见设备故障

4.1 密封反转及低速工况对密封造成磨损

(1)在密封原始安装过程中，机组驱动端与非驱动端的位置安装错误，造成螺旋槽反向，密封反转运行无法形成气膜，同时机组在特殊工况下的反转运行也会对密封造成破坏。

(2)离心式压缩机存在长时间的暖机工况，暖机转速依据设定都较低，在动压槽设计参数选型上面要考虑端面的启浮速度，按实际情况进行静压效应调整，必要时可将双向槽改为单向槽提高压能，过高的启浮速度会在暖机盘车或者低速暖机的低速工况造成密封磨损。

4.2 干气密封端面受污染

(1)端面受到污染是干气密封损坏的常见因素之一。最常见的是轴承油对密封造成污染，回油不畅导致较高的油位，或者轴承腔排空不畅，呼吸帽堵塞，油雾油滴飞溅现象明显。发生密封进油，动静环张力受液体粘性影响无法撑开导致磨损。

(2)隔离气中断或者流量过低，后置隔离气迷宫密封安装间隙不当，轴承位置安装过近，也会造成润滑油穿透进入密封端面损坏设备。

(3)梳齿迷宫密封和中分面被工艺气腐蚀污染，有固体颗粒串入密封腔，会导致密封完全卡滞。

(4)平时要关注检测好过滤器压差，密封气带液、气源清洁程度差，都会超出过滤器的处理能力，在初次投用密封气管线时要对整个密封系统管线进行一次高标准清洗处理。

(5)有必要在主密封气管线加装脱液装置和蒸汽伴热，摩擦副可采用硬对软组合，以提升抗干扰能力，更能应对一级密封气源组分以及季节温度的变化。

(6)在密封更换安装过程中，要保证安装的严密度与粉尘清理，若污垢在浮动部分堆积，会引起补偿机构卡塞，重新安装的密封都会存在一定的轴窜，若无法补偿复位，会失去密封效果。连接螺栓在安装时也要检查处理到位，松动脱落会碰撞研磨产生铁粉造成密封污染。

4.3 机组工况对动静环造成破坏

(1)干气密封需要重点关注反压问题。前置密封梳齿损坏或者安装调整不到位，会造成缸内气体倒串入密封端面，引起密封污染。密封气未按顺序投用，也会造成各级反压。在机组启动时，要保证机组带压启动，运行时保证缸内压力大于火炬管网背压。

(2)要重点关注一级密封气与平衡管压差数值，避免出现负压工况。若一级密封气源异常中断，会直接导致端面反压，密封端面可能无法打开造成摩擦损坏。所以在日常过滤器清洗维护时，要确保切换投用顺序，也要备足滤芯胶圈等易损件，避免出现一级密封维护故障。

(3)压缩机长周期高负荷运行，密封端面整体腐蚀磨损问题也会日益严重，定期分析运行密封的运行状况也是压缩机维护的重要环节。机组发生喘振或者振动位移较大的波动，例如平衡盘松动、转子定子碰撞等恶性工况，会对密封动静环造成严重的影响，导致动静环破碎密封失效。

(4)日常需要对机组和报表记录做好跟踪检查，在加减负荷和开停车工况时确保机组整体稳定性，避免机组太大的运行波动对干气密封造成损害。

4.4 干气密封易损配件老化

(1)易损件老化主要体现在O型圈破损，多发于压缩机驱动端，干气密封的部件安装间隙和静环弹簧间隙都需要靠O型密封圈来密封，根据这个特征，若是一级密封端面O型圈密封失效故障会引发火炬放空泄漏量报警；若是二级端面O型圈破损，会导致火炬泄漏流量降低，氮气串至二级密封现场放空管线和排凝口。

(2)O型圈是易损件，运行过程中易发生化学腐蚀、机械磨损等。安装时密度的定位面不能过窄，否则无法保证垂直度，机组每旋转一圈，静环补偿一次，密封圈与弹簧座蠕动一次，造成较多磨损。

(3)密封气源的温度升降温速率过快，或者机组压降过快，都会造成密封O型圈爆裂，导致密封失效。

5 干气密封运行维护管理注意事项

(1)干气密封要严格按顺序投用，避免出现上下游压差反压，影响气膜形成，造成动静环摩擦或者缸内有害气体外泄。压缩机要带着压力启动，防止火炬气倒流，一级密封和平衡管压差要维持在正值。

(2)干气密封对气源洁净度要求较高，颗粒物会对密封端面造成较大划痕，一些水和油污染端面，会造成动静环张力发生改变，影响密封效果。

(3)日常关注密封过滤器压差，定时清理或更换过滤器滤芯，检修时注意个人防护，防止有毒气体及高温烫伤。

(4)环境温度较低时做好保温处理，防止结冰堵塞密封，避免低温导致工艺气冷凝水气进入密封腔。

(5)初始投用前必须彻底吹扫，保证进入密封腔体管线的清洁程度。可以通人氮气吹扫或采用药剂清洗。

(6)密封运行时，仪表逻辑要调试好，避免出现联锁误动作影响生产；仪表流量计选型要准确，量程偏大的流量计在后续使用过程中会波动较大。

(7)启动油系统之前必须投用后置隔离气，否则润滑油会进入到干气密封中污染端面，停油系统10分钟以后才能切除后置隔离气。

(8)要监测好干气密封去火炬泄漏量数据。如果去火炬泄漏量上涨，那说明一级密封损坏，缸内气体通过一级泄漏；如果二级密封现场排放量大，有两种可能：一是二级密封损坏，二是氮气进气流量太大。如果一级密封去火炬排放量小，可能是二级密封损坏或者二级密封进气流量过小。

(9)流量计或过滤器切断阀门要缓慢开启，以防止浮子或滤芯受带压气流冲击而卡住损坏。

(10)泄漏量异常要汇报并查明原因。工艺波动、轴的移动、压力温度或速度波动都会引起密封趋势变换。

(11)要避免反压工况。静态条件下反压会导致泄漏流量增加；动态条件下反压会导致密封干磨损坏。

(12)建议避免在低于800rpm下连续运转，高于此转速运行才能形成稳定的转动间隙，否则会造成密封摩擦损坏。不得擅自延长厂家给的暖机时间且尽量减少开停车次数。

(13)盘车：系统带压时，在不高于15rpm下短时的运转不会对密封造成损坏。

(14)干气密封的降压率一般为0.8MPa/min，升压降压速率过快，易造成密封O型圈破裂，导致气体从弹簧端面漏出，影响动环气膜刚度。

(15)机组运行时要避免有过高的振动位移冲击，否则会使动静环破损损坏密封。

6 干气密封技改创新

压缩机组轴承箱内部分润滑油穿过干气密封后置隔离气腔通过二级密封排凝口流出，一级密封效果不好，会导致部分有毒有害工艺气从排凝口泄漏至厂房，采用现场放置漏油桶收集各排凝口流出的润滑油。但这部分油易受污染且回收困难，巡检人员作业时易接触泄漏的工艺气，安全无法保证。回收漏油时打开润滑油箱加油孔也会影响润滑油箱负压，空气漏入造成油品恶化。此为技术背景，后经取润滑油样分析合格，增加设计了收集器装置回收排凝口的漏油至油箱。如图1所示，干气密封漏油回收管线上的收油阀常开可在线回收干气密封排凝口漏油，部分泄漏工艺气也排入收集器罐中，工艺气排空管线上的排空阀常开，将泄漏工艺气排至室外放空，防止收集器罐超压，收集器罐液位计气相阀、液相阀常开，液位计标记高低限，油位达到高限时，通过关闭工艺气排空阀，打开润滑油回收管线上的收油阀，油位保证低限以上形成液封，可在不影响油箱负压的前提下将收集器罐油位排至低限，将润滑油回收利用。此项创新改造减少了润滑油损耗，减轻巡检人员倾倒废油、油箱加油的人力成本。

图1 干气密封排凝口润滑油收集

7 结语

压缩机作为化工生产中担负着制冷、动力输送等重要辅助任务的大型设备，压缩机的稳定运行就是系统长周期生产的保障。干气密封作为压缩机重要的辅助设备，若是维护监测不到位，运行故障不能及时发现并处理而造成压缩机停机，会给企业经济效益造成很大影响。做好干气密封系统的监测和数据分析，规范性进行维护管理，是压缩机运行维护工作中的重要环节。希望本文对干气密封系统的研究能提供一定的参考。