干气密封讲义.docx

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干气密封讲义

干气密封

一、干气密封的工作原理

（一）、概述

干气密封是一种新型的非接触式轴封，其中以螺旋槽密封最为典型。

经过数年的研究，美国约翰·克兰公司率先推出干气密封产品并投入工业使用。

由于干气密封属于非接触式密封，基本上不受PV值的限制，因此干气密封特别适合作为在高速高压条件下的大型离心压缩机轴封。

干气密封的出现，是密封技术的一次革命，气体密封的难题从此得以解决，而不再会受到密封润滑油的限制。

其所需的气体控制系统比油膜密封的油系统要简单得多。

与浮环密封相比，干气密封有以下主要优点：

●省去了密封油系统及用于驱动密封油系统运转的附加功率负荷。

●大大减少了计划外维修费用和生产停车。

●避免了工艺气体被油污染的可能性。

●密封气体泄漏量小。

●维护费用低，经济实用性好。

●密封驱动功率消耗小。

●密封寿命长，运行可靠。

（二）、干气密封的工作原理

与其它机械密封相比，干气密封在结构方面基本相同。

其主要区别在于，干气密封的一个密封环上面加工有均匀分布的浅槽，干气密封能在非接触状态下运行就是靠这些浅槽在运转时产生的流体动压效应使密封面分开。

干气密封端面的槽形主要分单旋向和双旋向两大类。

单旋向槽型只可使用于单向旋转的机组，在要求的旋向下才可产生开启力，如反转则产生负的开启力而可能导致密封的损坏。

但相对于双旋向的槽型，它可形成更大的开启力和气膜刚度，产生更高的稳定性而更可靠的防止端面接触。

故在很低的转速下和较大的振动下也可使用。

在目前的压缩机组上使用最多。

常见的主要有以下几种：

双旋向槽型无旋向要求，正反转皆可使用。

机组的反转不会造成密封的损坏。

其使用范围较单旋向槽宽，但其稳定性、抗干扰能力较单旋向差。

常见有以下几种：

通过对干气密封各种槽型的反复试验，对比研究，最终确认在同样的工作参数下，以螺旋线设计的槽型具有最大的气膜刚度的同时仅有较小的泄漏量。

即具有最大的刚漏比。

下面主要介绍这种槽型。

下图所示是典型的干气密封螺旋槽端面的示意图。

密封面上加工有一定数量的螺旋槽，其深度小于10微米。

密封运转时，被密封气体周向吸入螺旋槽内，径向分量由外径朝中心（即低压侧）流动，而密封坝限制气体流向低压侧。

气体随着螺旋槽截面形状的变化被压缩，在槽根部形成局部的高压区，使端面分开3微米而形成一定厚度的气膜。

在此厚度气膜下，由气膜作用力形成的开启力与由弹簧力和介

质作用力形成的闭合力达到平衡，于是密封实现非接触运转。

干气密封的密封面间形成的气膜具有一定的正刚度，保证了密封运转的稳定性。

为了获得必要的流体动压效应，动压槽必须开在高压侧。

下图所示为螺旋槽干气密封的作用力图，从图上可以看出气膜刚度是如何保证密封运转的稳定性的。

在正常情况下，密封的闭合力等于开启力。

当受到外来干扰（如工艺或操作波动），气膜厚度变小，则端面间的压力就会升高，这时，开启力FO大于闭合力FC，端面间隙自动加大，直至平衡为止。

反之，密封受到干扰气膜厚度增大，则端面间的压力就会降低，这时，闭合力FC大于开启力FO，端面间隙自动减小，密封会很快达到新的平衡状态。

因此，只要在设计范围内，当外来干扰消除后，密封总能恢复到设计的工作间隙，即干气密封具有自我调节的功能而保证运行稳定可靠。

衡量密封稳定性的主要指标就是密封产生气膜刚度的大小，气膜刚度是气膜作用力的变化与气膜厚度的变化之比，气膜刚度越大，表明密封的抗干扰力越强，密封运行越稳定。

（三）、干气密封的典型结构

对于不同的工况条件，可采用不同的干气密封总体结构形式。

实际应用中，干气密封有下面四种结构形式：

1、单端面密封

单端面密封主要用于不属于危险性的气体，即允少量介质气体泄漏到大气环境中的场合。

密封所用气体为工艺气本身。

国内引进机组中的二氧化碳压缩机多用此种类型。

2、串联密封（9）

串联式干气密封是一种操作可靠性较高的密封结构，典型应用是允许少量介质气体泄漏到大气中的工况。

在石油化工企业的引进机组中使用较多。

一套串联式干气密封可看作是两套或更多套干气密封按照相同的方向首尾相连。

与单端面结构相同，密封所用气体为工艺气本身。

通常情况下采用两级结构，第一级（主密封）密封承担全部负荷，而另外一级作为备用密封不承受压力降，通过主密封泄漏出的工艺气体被引入火炬燃烧。

剩余极少量的未被燃烧的工艺气通过二级密封漏出，引入安全地带排放。

当主密封失效时，第二级密封可以起到辅助安全密封的作用，可保证工艺介质不大量向大气泄漏。

在压力很高的场合，需要采用三级串联式密封，其中前两级密封分担总的负荷，第三级作为备用密封和阻塞密封。

3、中间带迷宫的串联密封

如果工艺介质不允许泄漏到大气中且也不允许缓冲气泄漏到工艺介质中的工况，此时串联结构的两级密封间可加迷宫密封。

用于易燃、易爆、危险性大的介质气体，可以做到完全无外漏。

如H2压缩机、H2S含量较高的天然气压缩机、乙烯、丙烯压缩机等。

该结构所用气体除用工艺气本身以外，还需另引一路氮气作为第二级密封的使用气体。

通过主密封泄漏出的工艺气体被氮气全部引入火炬燃烧。

而通过二级密封漏入大气的全部为氮气。

当主密封失效时，第二级密封同样起到辅助安全密封的作用。

该结构相对较复杂，但由于其可靠性最高，目前在引进设备中有逐渐增多的趋势。

4、双端面密封

双端面密封相当于面对面布置的两套单端面密封，有时两个密封共用一个动环。

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。

在两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（0.2～0.3MPa）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。

因此，双端面密封结构主要用于有毒、易燃易爆的气体以及不污染外界的食品加工和医药加工

过程。

（四）、干气密封的设计简述

干气密封虽然在工作时端面为非接触，但在开停车时仍会有短暂的接触，这就要求配对材料的耐磨性好。

干气密封摩擦付材料，硬环一般采用低膨胀系数、高弹性模量、抗拉强度、热导率及硬度的材料，如SiC或硬质合金。

软环用浸漬石墨。

（动环和静环）

干气密封运转的稳定性和可靠性取决于密封面气膜刚度大小，无论是工艺参数还是螺旋槽结构参数对密封性能的影响，都主要体现在对气膜刚度的影响，气膜刚度越大，密封稳定性越好。

在考虑气膜刚度的同时，也考虑了密封的泄漏量，即密封应具有最大的刚漏比。

其物理意义是密封既具有较大的刚度又具有较小的泄漏量。

只有具有最大刚漏比和较大气膜刚度的干气密封才能保证密封长周期、稳定、理想地运行。

影响气膜刚度的螺旋槽的结构参数主要有槽深、螺旋角、槽数、槽宽与堰宽比、槽长与坝长比等，需用专用软件进行优化设计。

而影响气膜刚度的工艺参数主要有以下几类：

1．缓冲气粘度

密封气粘度的大小对气膜刚度的影响比较大，粘度越大、动压效应越强、气膜刚度也就越大。

2．密封气温度

在不同温度下，气体的粘度是不一样的；温度越高、粘度越大、气膜刚度越大。

3．密封转速

转速越高，动压效应越强、气膜刚度越大。

在理想状态下（即不考虑密封加工精度和安装精度的影响），干气密封的转速越高、其稳定性越好，而不受机械密封PV值的限制，因此干气密封特别适合高速运转下使用。

4．密封端面的直径大小

在同一转速下，密封直径越大线速度越高，气膜刚度越大。

5．缓冲气的压力

缓冲气压力对气膜刚度的影响较小，一般来说，压力越高，气膜刚度略有增大。

二、加氢循环氢BCL407/A压缩机组干气密封系统操作规程

（一）流程说明：

1．一级密封气流程说明：

正常运行时，采用压缩机出口气（10.5MPa.A；80℃，30μ）作为一级密封气的气源，该气源经G1法兰端口进入密封系统，通过F1、F3（或F2、F4）过滤器过滤，然后通过PDV-2882气动薄膜调节阀将其阀后压力调整为比压缩机平衡管压力高0.2MPa左右，然后分别通过限流孔板SO8、SO7进入高、低压端一级密封腔体。

压缩机开、停车时，可采用除液后的新氢（10.5MPa.A；80℃，30μ）作为一级密封气的临时气源，也可采用1.6MPa的氮气（此时压缩机平衡管压力不得高于1.5MPa）作为一级密封气的临时气源；流程同上…。

一级密封气的主要作用是防止压缩机内不洁净气体污染一级密封端面，同时伴随着压缩机的高速旋转，通过一级密封端面螺旋槽泵送到一级密封放火炬腔体，并在密封端面间形成气膜，对端面起润滑、冷却等作用。

该气体绝大部分通过压缩机的轴端迷宫进入机内，只有极少部分通过一级密封端面进入一级密封放火炬腔体。

2.二级密封气、后置隔离气流程说明：

采用常温、0.6MPa.G的低压氮气作为二级密封气和后置隔离气的气源，该气源经G2法兰端口进入系统后，经过滤器F5（或F6）过滤之后，分别进入高、低压端二级密封腔和后置隔离密封腔：

1）通过孔板组件S03限流减压后进入低压端二级密封腔；

2）通过孔板组件S04限流减压后进入高压端二级密封腔；

二级密封气的主要作用是阻止从一级密封端面泄漏的少量介质气体进入二级密封端面，并保证二级密封安全可靠运行，其大部分气体与一级密封端面泄漏的少量介质气通过一级密封放火炬腔体进入放火炬管线，只有少部分气体通过二级密封端面进入二级密封放空腔体后，与部分后置隔离气高点放空。

3）通过孔板组件S01限流减压后进入低压端后置隔离密封腔；

4）通过孔板组件S02限流减压后进入高压端后置隔离密封腔；

后置隔离气的主要作用是保证二级密封端面不受压缩机轴承润滑油气的污染。

该气体一部分与从二级密封端面泄漏的少部分氮气高点放空，另一部分通过后置密封梳齿经呼吸帽放空。

3.放火炬管线流程说明：

进入二级密封腔体的大部分氮气与所对应一级密封端面泄漏的少量介质气体混合后，分别通过B1′、B2′法兰端口进入高、低压端密封放火炬系统，然后经FT-2881、G3；FT-2882、G4进入现场放火炬管线。

（二）、操作规程：

干气密封系统安装后，在密封本体安装之前应从G1、G2法兰端口处接上0.4-0.6MPa.G洁净的仪表风或低压氮气连续吹扫4～6小时以上，直到用细纱漂白布贴近出口吹扫5分钟以上，用眼仔细观察确无灰尘、油污、水分等杂质为合格。

吹扫干净后关闭所有阀门，处于待命状态。

1、打开系统所有常开取压阀，投用现场压力表、变送器等。

2、油运开始前至少十分钟，请投入后置隔离气,依次开V8、V9（或V10、V11）；S01、S02音速孔板组件的上、下游阀门，投入后置隔离气。

同样，当油运停止十分钟，回油管线确无油流动后，方可切断后置隔离气。

3、压缩机进工艺气或做气密试验之前，应首先投入一级密封气，依次打开V6、V5、V2、V1（或V4、V3）阀，投入一级密封气源，在中控室控制系统将PDICA-2882设定为0.2MPa；现场观察压力表PI-2882的读数应比平衡管压力高出0.2MPa。

当压缩机停运，机内气体排净后方可关闭一级密封进气。

4、一级密封气投用后，开通放火炬或高点放空管线，然后投入二级密封气。

分别打开V14、V18、V15、V19阀，开通一级密封排放腔体的放火炬管线；随后打开SO3、SO4孔板组件的上、下游阀门，投入高、低压端二级密封进气。

5、在中控室控制系统上设定好FIA-2881、2882高、低压端一级密封排放管线流量的上、下限报警值，压力开关（三取二）高限报警联锁值；PDIA-2881一级密封过滤器差压上限报警值，PDICA-2882一级密封气与平衡管差压下限报警值等；以及启车条件、联锁停车条件的设置等（见报警与联锁条件逻辑图）。

（三）、报警及处理措施：

1、开车后，当二级密封进气稳定，若火炬线流量FIA-2881、2882中的流量值出现上限报警，表明一级密封泄露量过大，若持续出现上限报警并导致对应的压力开关（三取二）出现高限报警则表明对应端一级密封损坏，应联锁停车；出现下限报警表明二级密封泄漏量过大。

2、当PDICA-2882≤0.08MPa，表明一级密封进气压力偏低，应及时查找原因并补充气源压力，以保证密封的安全运行。

4、当F5（或F6）过滤器表头指针若处在红色区域，表明过滤器滤芯出现堵塞，需更换滤芯，同样，当PDT-2881差压变送器显示值≥60KPa（中控室DCS报警）时，表明F1、F3（或F2、F4）过滤器的滤芯出现堵塞，需更换滤芯。

（四）、注意事项：

1、油运开始之前至少十分钟，投入后置隔离气；同样油运停止至少十分钟，回油管线确无油流动之后，方可切断后置隔离气。

油运开始后，后置隔离气就不能停止，否则会对密封造成损坏。

2、压缩机组投入气体前，必须首先投入一级密封气，以防机内未经过滤的气体窜出污染一级密封端面；当压缩机停运，机内气体排净之后--方可关闭一级密封进气。

3、投用过滤器时应先缓慢打开过滤器下游球阀，再缓慢打开上游球阀，以防过滤器上、下游球阀打开过快，对过滤器滤芯造成瞬间压力冲击而损坏，正常工作状态下过滤器滤芯工作周期最长为一年。

4、更换过滤器滤芯时，应先缓慢打开备用过滤器上、下游球阀，投用备用过滤器。

然后再关闭需更换滤芯的过滤器上、下游球阀，进行滤芯更换。

（用于一级密封气源过滤的F1～F4过滤器更换滤芯前，须打开底部阀门泄掉过滤器腔体内的压力，然后松开终端活接头，方可卸下外壳更换滤芯）。

5、开车前，只有当FIA-2881、2882显示值＞4.5Nm3/h和PDICA-2882显示值＞0.08MPa，并在其它条件都满足的情况下，才能允许压缩机启动。

6、压缩机准备停车时，应尽快将一级密封气源切换为10.5MPaG的新氢；压缩机停车后，应及时将机内压力卸掉，防止出现机内压力大于一级密封气压力而造成气体倒灌污染密封的情况。

7、定期打开P1、P2处后置密封导凝阀，察看有无油污并排放，以保证密封的安全运行。

8、每天至少对密封系统装置进行两次巡回检查，重点检查一级密封气的气源压力、二级密封气和后置隔离气的气源压力是否稳定并符合要求，过滤器是否出现堵塞，转子流量计指示值是否稳定，差压变送器指示值是否超限报警等。

9、螺旋槽干气密封是单向旋转的，因此应一定避免反向旋转。

同时应避免在小于1000米RPM的低速下长时间运转。

这两种情况均有可能损坏密封。

10、随时监控密封泄漏量的变化情况。

泄漏量的变化直接反映出干气密封的运行状态。

引起泄漏量变化的因素很多，如工艺气的波动、轴窜、喘振、压力、温度和速度的变化等。

只要不持续上升，则认为密封运行正常；但如泄漏量出现不断上升的趋势，则预示着干气密封出现了故障。

三、紧急停车时干气密封的处理：

机组紧急停车时，机组出口压力迅速与系统压力平衡，无法产生密封气压差，导致干气密封一级密封气气源缺失，可能导致密封端面污染，继而损坏干气密封。

1、如增设增压泵来提高一次密封气和机体介质气压差，虽然是一个比较好的措施，但也需较大投资（增压泵需进口，价格约35万元人民币），况且，增压泵也常会产生故障。

最近，镇海炼化加氢裂化装置循环氢压缩机，干气密封的增压泵没怎么使用就坏了。

经过几次紧急停车干气密封都没有发生损坏，而且，目前为止还没有因为没设增压泵而损坏干气密封的，于是经过大家讨论没有增加。

2、将机房1.8MPa的氮气线改成3.0MPa的氮气线，作为机组泄压至适当压力后，一次密封气能及时地改用氮气。

3、为了使操作人员尽可能地保证按不高于0.8mpa/min地速度泄压，建议设计在泄压阀门附近的管线装上，增设一块压力表，以便于操作工能直观地掌握卸压速度。