干气密封失效原因分析

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[摘 要]干气密封即“干运转气体密封”，是一种应用开槽密封技术于气体密封的新型轴型密封方式，是非接触型密封的一种。它主要应用于各种大型化学反应装置的反应泵，如应用于低温甲醇冲洗装置上的吸收塔循环泵的P2202A/B泵。由此可见，干气密封在化学反应中是很重要的一环，如果反应中干气密封失效，后果不堪设想，本文介绍了干气密封的原理和几种干气密封的方式，提出了几点干气密封方式的选用原则，并列举了几点干气密封失效的原因。

[关键词]干气密封；结构原理；失效原因

中图分类号：TE973 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）22-0304-01

前言

干气密封是由机械密封改造而来的一种新型轴端密封，与传统机械密封相比，干气密封有对机械的磨损小、机械寿命长、消耗能量低、操作简单、不易损坏、被密封气体不易受污染等优势，因此，干气密封被越来越广泛地应用于压缩机领域，但干气密封失效是个非常致命又易出现的问题，它会导致大量气体外泄，极易造成火灾、爆炸和中毒等问题，因此，对干气密封失效原因的分析是个值得探究的问题。

1.干气密封方式

1.1 干气密封基本工作原理

目前绝大多数压缩机都是由干气密封簧、弹簧座和轴衬套等组成，同时配以碳化钨制的封严件的旋转元件，为配合压缩机组成结构，一般干气密封由动环 、静环 、弹簧 、密封圈以及弹簧座等组成，其表面从外圆周到密封面内侧一定距离的内圆周通常刻有流体动压槽图案，主要形式有如螺旋槽、圆弧槽和 T形槽等，一般深2.5～10 μm。其工作原理：工艺气体进入压缩机内侧时大部分都损耗掉了，而进入干气密封凹槽内的小部分气体经过螺旋槽时收到靠近凹槽根部的密封堰节流作用，从而被大幅度的压缩，而被压缩的气体会在干气密封的内侧和外侧凹槽的双重压力之下被压缩成一层极薄的气膜，其厚度1μm到3μm不等，由牛顿第一定律可得，要使气膜厚度稳定在一固定值，气体产生的静压与弹簧的合力和气膜的反力矢量和必须为零为零，即两力大小相等方向相反，稳定的气膜会使一部分气体通过封严件，使封严件的温度稳定在室温，配合环、轴衬套、主环、静止元件、挡盘和销钉可以看作一大部分，这一部分是为了保证在轴没有旋转的情况下压缩机内的气体也不会泄露。

1.2 干气密封的几种形式

干气密封有多种形式，但原理都是同样的，控制系统也只有两种，即差压控制系统和流量控制系统。差压控制系统通过差压控制阀控制密封气体的气压，进而对气流进行控制，使内侧迷宫中吸收大部分气体；流量控制系统通过密封上部的孔板控制密封气的供给流量，一般借助差压控制阀监测两端压力。目前应用最为广泛的干气密封形式是串联式干气密封，这种干气密封方式分为两级操作，第一级以液B烃作为介质，采用机械密封，第二级才是干气密封，一般用纯净的氮气作为密封介质，这种机械密封与干气密封串联应用的干气密封方式根据有无内部迷宫分为不带中间迷宫密封的串联密封结构和带中间迷宫密封的串联密封结构，需要特别注意的是，由于干气密封端面上的螺旋型动压槽只允许单向旋转，所以不论是哪一种串联密封结构，其旋转方向都必须与螺旋槽的旋向一致。不带中间迷宫密封的串联密封结构直接在两个单端面密封前后串联放置形成两级密封，这两级密封不仅承受了密封气与火炬气之间的全部压差，还充当了安全备用密封的角色，操作较简单，成本也较低，但与带中间迷宫密封的串联密封结构相比，其应用范围较为狭窄，因为带中间迷宫密封的串联密封结构在串联结构的两级密封间增添了迷宫密封，保证了迷宫密封出口处连续不断的气流，使之可以应用于多种气体充当密封介质的压缩机。其他干气密封形式还有单端面密封结构和双端面密封结构等。

1.3 干气密封的选用原则

干气密封有多种形式，在实际工作操作中对干气密封形式的选择要考虑密封介质的组分、压力、温度以及压缩机转速等多种因素。其具体原则为：当被输送的工艺气体有有害、有毒、易燃、易爆、不能泄露这些特点之一时，对干气密封方式的密封等级要求较高；考虑工艺气体的温度范围和压力范围；考虑干气密封的工作环境，如果其工作环境周围有易燃易爆介质或易燃易爆物品时对干气密封方式的密封性能要求也很高；压缩机工作时的实际转速对干气密封形式的选取也有很大影响，只有根据压缩机的转速选取最适合的干气密封才能最大限度延长干气密封设备的寿命。例如双端面密封一般会泄露出一定质量的气体，所以只能用于压力较低的压缩机，尤其是各种冷冻压缩机，并且这种密封必须使用氮气，而带中间迷宫的串联密封结构能适用所有场合，但其造价较高，一般可以有其他干气密封替代时不考虑这种结构。

2.干气密封失效原因

2.1 设备的设计和设置不合理

经多次实践证明，干气密封实现设备的设计和参数设置对干气密封效果有很大的影响，设计的不合理很容易导致干气密封失效，这里说的设计不合理是指设备启动和结束时密封气体的连续性不足以及设备的实时监控系统不到位两方面。密封气体的连续性不足主要是因为系统缺乏一项提供辅助能量以使设备顺利启动的气源，而实时监控不到位是指系统缺少一个能实时监测气压和流量的部件，这就会导致压缩机开启时易发生干气密封失效，并且当密封失效时工作人员不能及时发现的情况。为解决这一问题，可以引入辅助气源、设置流量和气压检测表。设置不合理是指设备的参数设置和力的控制不合理，比如阻挡密封通错位置、密封气体的供给压力不符合实际工作要求、压缩机转速过快或过慢等，这些因素都会导致干气密封失效，只有严格按照使用要求和工作流程使用设备，才能减少这些问题发生。

2.2 密封气源质量不合格

干气密封失效的最常见表现是动静环的磨损，而动静环的磨损是密封气源的质量不合格造成的，而影响密封气源质量的原因无外乎前期处理不合格和后期使用不规范。前期处理主要在两个方面，即介质气体的通入和密封气体，当介质气体内部大幅度流动时，不可避免的会和密封环面接触，这就会导致介质气体污染；当密封气体不够洁净干燥时也会导致干气密封失效，一般来说，密封气体中含有大于3μm的颗粒时判为不够干燥。后期使用中出现的问题也包括两方面：轴承油造成的污染和主排放口和二级排放口造成的污染，前者易发生在隔离密封失效时，此时轴承油会先后流入干气密封的二级密封和主密封，造成干气密封失效；顾名思义，主排放口和二级排放口造成的污染发生在排放口，这就会导致气体回流至干气密封，导致干气密封失效。

2.3 控制系统出故障

干气密封的控制系统包括密封气的过滤 、密封气体流量控制、 隔离气体压力控制、转速 、密封性能监控、扭矩的测量控制等，无论其中哪一部分出现问题，都会导致干气密封失效。比如一旦密封性能的监控一旦出现事故，不论是超过其上限还是低于其下限，都会使控制系统突然关闭或是突然打开，进而使工艺气与环面直接接触，导致气源污染。另外，当二级静环不发生浮动时，它很有可能已失去浮动性，这是要及时维修或更换二级静环，否则很快就会出现干气密封失效的路况。

3.结语

作为化工企业的重要设备之一，离心压缩机的安全性必须要有确切的保证，而干气密封是保证压缩机中化学反应气体介质不会泄露的最重要保证，虽然工作原理相同，但干气密封有很多种方式，在实际工作中，要根据实验需要选用最合适的干气密封方式，本文分析了干气密封失效的原因，要实现压缩机安全、可靠的运转，就要根据这些失效原因研究出相应对策，以免再出现干气密封失效事件。

参考文献

[1] 左汝宽，韩辉.影响压缩机干气密封使用寿命的因素分析[J].油气储运，2009，28（5）：40-43.