催化气压机干气密封改造后应用分析

吴张勇

摘      要： 早期催化气压机密封多为浮环密封，存在可靠性低、油消耗量大的问题，目前已逐渐被性能更加可靠、清洁的干气密封所取代。机组改造成干气密封后仍存在干气密封失效的可能性。对各种可能失效原因进行分析，提出相应应对措施，提高改造后干气密封运行的可靠性，对其他有改造需求的机组有借鉴意义。

关  键  词：催化气压机；干气密封；失效；应对措施

中图分类号：TQ050.3      文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2024）06-0959-04

密封是转动设备重要附件，它主要起轴向密封作用，阻止机体内介质向环境中泄漏。过去催化气压机使用浮环密封，动静环密封面紧密贴合，注入氮气（或经处理后洁净的工艺气）作参考气和密封油，用油来密封气体。该密封存在可靠性低、润滑油消耗量大、产生污油多、受工艺条件波动密封性能不稳定、一旦出现泄漏导致润滑油进入机体内造成污染输送介质等情况。随着人们对安全环保的要求不断提高，对各类转动密封的密封要求和品质也越来越高。而干气密封技术的出现和成熟应用，满足了当下对密封品质的要求，因此催化富气压缩机组密封系统已逐步改造为干气密封。

1  干气密封的原理

1.1  原理介绍

干气密封是基于现代流体动压润滑理论的一种新型非接触式气膜密封。与传统密封动、静环密封面贴合紧密不同的是：干气密封在密封动环或静环端面上通常开出微米级流槽 （8～15 μm 以内），在动、静环接触面注入一定压力洁净气体，当端面产生相对运动时，注入的气体在两端面间形成流体压力来平衡密封的闭合力（主要为密封介质压力+密封的弹簧力），实现密封动静密封面的非接触运转。注入的洁净气体成为一个阻塞密封系统，防止介质气体向外泄漏。实际中使用较为广泛的流槽形式有：T型台阶式、斜平面式和螺旋槽面式。其中以螺旋槽面式密封性能最佳。螺旋槽面式密封工作原理如图 1所示。动环端面上开有螺旋槽，整个端面分为槽区、堰区和坝区。槽区主要提供必需的流体动压力，坝区主要阻挡气体向内侧流动，以实现气体被压缩形成动压效应， 增大气膜刚度，还可在密封停车时起密封作用。其工作原理为：当动环按图1所示逆时针方向旋转时，由于黏性作用，气体以速度 v 进入螺旋槽，速度 v 可分解为垂直于螺旋槽速度和与螺旋槽相切速度。其中，主要提供流体动压力而气流以速度运动到坝区后被压缩体积减小，压力升高，使密封面打开，从而实现非接触运转。

1.2  运行时密封力的平衡

干气密封正常工作时，动、静环密封面的气膜一方面提供开启力，来平衡闭合力；另一方面可起润滑冷却作用。 理想设计工况下，密封端面气膜开启力等于闭合力。受外界扰动，端面间隙减小，则流体动压效应增强，开启力大于闭合力，密封增大间隙，重新恢复到原来工作状态。反之，如果在外界干扰下，间隙增大，则流体动压效果减弱，开启力小于闭合力，密封减小间隙，又恢复到原来的工作状态。这种“自平衡”能力就是干气密封与传统密封相比的另一个优势。干气密封如图2所示。所以干气密封这种“非接触，自平衡”特点对机组工艺状况的变化（转速、流量、压力）的适应能力更强，相较于原浮环密封有着更稳定的密封效果。

1.3  催化富气压缩机干气密封布置形式

催化富气压缩机干气密封采用双端面密封，相当于面对面布置的2套单端面密封，有时2个密封共用1个动环，如图3所示。

它适用于没有火炬条件，允许少量缓冲气进入工艺介质中的情况。在2组密封之间通入氮气作阻塞气体而成为一个性能可靠的阻塞密封系统，控制氮气的压力使其始终维持在比工艺气体压力稍高（0.2～0.3 MPa）的水平，这样气体泄漏的方向总是朝着工艺介质气体和大气，从而保证了工艺气体不会向大气泄漏。前置（隔离）气（可以是氮气，也可以是干净工艺气）全部进入机组内部，其作用是阻挡机壳内脏的气体窜到干气密封区域，污染密封。后置隔离气通过内侧迷宫泄漏与泄漏气混合后通过二级密封泄漏气通道引至室外安全排放，另一部分通过外侧迷宫泄漏至机组轴承箱内，通过轴承箱上的放出，其作用是防止润滑油污染密封。实际使用时在机组的驱动端和非驱动端各设置一套双端面干气密封。

2  产生失效的因素

2.1  反转的影响

原浮环密封对反转要求不高，即使机组出现反转，只要密封油与参考气差压稳定，一般仍能保证密封效果。但是螺旋槽面式干气密封要求单向旋转，反转不能形成有效的气膜压力，就有可能损坏密封。在实际应用中，只有当气压机突然停机后，出口介质压力高倒串至入口，才会导致机组发生反转。此时只要机组防喘振阀门快开，迅速平衡机组出、入口压力并在出口设置单向阀，就能防止气体倒串来防止反串。由于机组在运行时，防喘振系统长期投用，在机组停机联锁时快速打开，一般来说不易发生反转。但是当机组因其他原因导致停机（不是联锁），例如仪表失灵使主汽门或调速器阀突然关闭，导致机组停止运行，此时主要依靠管路单向阀来防止气体反串。老的气压机管路设计单向阀多为一台机械式单向阀，长期使用后阀门密封的可靠性低，导致机组反转损坏密封可能性加大。针对此问题，从2方面解决：一是按最新防倒串要求，在机组各段出口增设一台与原有形式不同的单向阀；二是优化停车逻辑，当机组转速小于某一值时控制系统判断为机组停车，强制防喘振阀打开。

2.2  转速的影响

根据干气密封原理，只有当轴产生旋转后，干气密封才能正常发挥作用。一般情况要求转速大于   5 m·s-1。而原浮环密封对转速没有特殊要求。当机组进行密封改造时要考虑在低速暖机时暖机转速是否低于干气密封要求的转速。还要考虑在盘车时，盘车时间和转速对干气密封造成的影响。针对此问题，对于盘车和低速暖机这种情况应告知密封制造厂家，要求给出具体的技术要求。暖机转速不能满足干气密封要求的，根据密封技术要求和机组结构对其暖机转速和时间进行优化，兼顾暖机的效果和干气密封对转速的需求。

2.3  气源的影响

由于催化富气杂质较多、成分复杂、易液化等特性不能作为前置隔离气气源。所以气压机干气密封气源都使用干净的氮气，要求压力0.6 MPa（A），并要求连续供气。可供选择气源为低压氮气（压力0.6 MPa）和经中压氮气（压力1.6 MPa）降压后使用。供应方式为经压控阀（减压阀）直供和经压控阀（减压阀）先进缓冲罐，由缓冲罐直供。由于氮气中断或压力低会导致停机联锁动作，从可靠性和稳定性以及在出现问题时预留处理时间考虑，有条件企业应选择中压气减压经缓冲罐为主供气源，低压氮气为备用气源，避免直供的方案。在实际应用中，减压阀和压力调节阀可以并联使用，防止串联使用时因阀门故障导致气源突然中断。

2.4  润滑油的污染

在原浮环密封气压机中，只要油系统具备条件即可启动润滑油泵，在改造成干气密封后，必须投用干气密封后才能启动油泵，否则润滑油进入干气密封系统损坏密封。在进行密封改造的同时，必须相应完善润滑油泵启动逻辑，否则极易造成误操作。由于目前新的机组都配套使用的干气密封，可以借鉴它们的控制逻辑：满足密封气压力或机组转速大于10 r·min-1 2个条件之一时才能启动油泵。

2.5 压缩机平衡管压力对干气密封工艺参数的影响

平衡管（鼓）是一套平衡机组轴向力的装置，平衡管压力一般会与机组入口压力相等，此时机组驱动端和非驱动端前置（隔离）气所需压力相等；如平衡管压力大于机组入口压力，机组驱动端和非驱动端前置（隔离）气所需压力不相等，驱动端前置（隔离）气所需压力会高于非驱动端前置（隔离）气所需压力，在干气密封开车前投用驱动端前置（隔离）气时要设置一定的预留量，避免前置气压力不足导致无法注入，或开车后工艺气与密封气直接接触，污染或损坏密封面。

2.6  干气密封工艺参数的监控不足的影响

干气密封投用后，对运行状况实时监控。为了确保密封气阻隔作用，密封气与前置密封气差压低于0.02 MPa时，认为存在工艺气泄漏的风险，控制系统会发出停车信号。该差压表起初多设置为“一选一”联锁，与最新的联锁设置要求不符，建议改为“二选二”或“三选二”联锁形式。

2.7  工况的影响

在压缩机处于喘振工况时，工艺气压力和转速不断往复波动，干气密封端面间隙不断变化，密封效果下降，在长时间喘振工况条件下，有损坏密封可能性。在正常运行时要将防喘振系统投入自动，避免喘振工况。

3  失效的后果

当密封端面进入了固体颗粒物或液相杂物，均会导致密封槽泵送能力下降，液相杂物还会因为摩擦气化产生“汽锤”效应，造成气膜压力和厚度不稳定，当这种不稳定的气膜压力和厚度超过密封自平衡能力时两端密封面发生摩擦，密封面出现磨痕，磨痕反过来加剧了气膜厚度和压力不稳定。从监控系统上看，密封气压力波动，流量变大。出现这种情况一般不需要立即停机处理。

当长时间出现轻度失效，密封端面没有修复能力，不断产生磨痕后，抗干扰能力下降，密封面接触的机会增加，摩擦热导致裂纹产生，会发生重度失效，此时密封气压力波动，流量变大到超过报警值，此时需要停机处理。

4  结束语

催化气压机干气密封改造时要考虑干气密封对转速要求，优化气源方案；在实施改造和检修期间要将管线吹扫干净；在机组运行过程中，做好人员培训，按操作步骤进行操作，合理设置密封气体参数；避免喘振工况；在机组正常开、停机过程中，通过仪控方案的优化可以有效避免开机时润滑油进入干气密封系统。

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Application Analysis of Dry Gas Seal of Catalytic

Gas Compressor After Modification

WU Zhangyong

（Sinopec-SK （Wuhan） Petrochemical Co.， Ltd.， Wuhan Hubei 430081， China）

Abstract：  In the early stage， the seal of catalytic gas compressor is mostly floating ring seal， which has problems of low reliability and large oil consumption. At present， it has been gradually replaced by dry gas seals with more reliable and clean performance. After the floating ring seal is transformed into dry gas seal， the dry gas seal fails due to various reasons. In this paper， the causes of various possible failures were analyzed，and corresponding countermeasures to improve the reliability of dry gas seal operation were put forward， which can be used as reference for other units with transformation requirements.

Key words：  Catalytic air compressor; Dry gas seal; Failure; Countermeasures