高速离心压缩机干气密封主密封气短时间中断问题浅析

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摘 要：本文针对高速离心压缩机干气密封的原理及影响干气密封性能的主要参数进行了分析。结合实际生产情况，对干气密封主密封气短时间中断形成的一系列现象进行分析，总结出迷宫密封发生轻微损坏时干气密封的运行状态和参数，提出了开停工期间机组的操作应该尤其注意干气密封系统，保证干气密封安全运行，消除生产隐患。

关键词：离心压缩机 干气密封 主密封气 迷宫密封

概述：压缩机轴端密封的发展经历了第一代的迷宫密封、第二代的浮环密封、第三代的机械密封、第四代的干气密封；迷宫密封及浮环密封因气体泄漏量太大，已逐渐停止使用。机械密封要求有复杂的密封油系统，能耗大，而且必然有少量的密封油泄漏进入工艺气体。干气密封是干运转、气体、非接触机械端面密封的俗称，是目前国际上最先进的大机组轴端密封型式。因为压缩机是无备机操作，所以如果干气密封损坏，将对生产造成极大影响。干气密封的运行和操作应注意很多参数，主要有密封气压力、前后压差、密封气流量、密封气泄漏压差、泄漏流量等。本文以神华包头煤化工有限责任公司烯烃分离装置的产品气压缩机干气密封为对象，对主密封气短时间中断给干气密封造成的损害进行分析，并提出观点。

干气密封工作原理：典型的干气密封结构如图1所示，由动环、静环（旋转环）、弹簧、密封圈以及弹簧座和轴套组成。图2所示为干气密封动环示意图，在动环的密封端面上加工出动压槽，槽深一般在2～5μm之间。压缩机运行时，密封气体被吸入动压槽内。由于密封堰的节流作用，进入密封面的气体被压缩，气体压力升高。在该压力作用下，密封面被推开，流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜，此气膜厚度一般在3微米左右。气体动力学研究表明，当干气密封两端面间的间隙在2-3微米时，通过间隙的气体流动层最为稳定。

图1干气密封结构简图 图2干气密封动环

正常条件下，作用在密封面上的闭合力（弹簧力）等于开启力（气膜静压力），此时的气膜厚度是非常稳定的。当受到外部干扰，气膜厚度减小时，气膜静压力增加，开启力大于闭合力，迫使密封工作间隙增大，闭合力和开启力达到新的平衡；相反，若密封气膜厚度增大，则气膜静压力减小，闭合力大于开启力，密封面合拢，闭合力和开启力达到另一个平衡；当外部干扰消失以后，气膜厚度就可以恢复到设计值。我们用刚度来形容气膜的稳定性，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，抗干扰能力就越强，密封的运行就越稳定。

影响干气密封性能的主要参数：影响干气密封性能的参数有两个：密封端面结构参数和密封操作参数。端面结构参数对密封的稳定性影响较大，操作参数对密封的泄漏量影响较大。

密封端面结构参数对气膜刚度的影响：1、动压槽形状。从流体动力学角度来讲，在干气密封端面开任何形状的沟槽，都能产生动压效应。研究表明，螺旋槽产生的流体动压效应最强，用其作为干气密封动压槽形成的气膜刚度最大，干气密封的稳定性最好。2、动压槽深度。干气密封动压槽深度与气膜厚度为同一量级时密封的气膜刚度最大。实际应用中，干气密封的动压槽深度一般在3-10微米。在其余参数确定的情况下，动压槽深度有一最佳值。3、动压槽数量、宽度、长度。研究表明，干气密封动压槽数量趋于无限时，动压效应最强。不过，当动压槽达到一定数量后，再增加槽数，对干气密封性能影响已经很小。此外，干气密封动压槽宽度、长度对密封性能都有一定的影响。

操作参数对密封泄漏量的影响：1、密封直径、转速对泄漏量的影响。密封直径越大，转速越高，密封环线速度就越大，干气密封的泄漏量也就越大。2、密封介质压力对泄漏量的影响。不难想象，在密封工作间隙一定的情况下，密封气压力越高，气体泄漏量越大。3、介质温度、介质粘度对泄漏量的影响。介质温度对密封泄漏量的影响是由于温度对介质粘度有影响而造成的，介质粘度增加，动压效应增强，气膜厚度增加，但同时流经密封端面间隙的阻力也会增加，因此，其对密封泄漏量的影响不是很大。

本装置产品气压缩机干气密封的使用情况：产品气压缩机的生产厂家为日本埃利奥特公司，其中干气密封是由德国约翰克兰设计制造的，运行过程中，由于仪表显示失灵和操作等原因，干气密封的迷宫密封发生损坏，在2013年的检修过程中，将产品气压缩机的4套干气密封全部更换为国产干气密封，生产厂家为四川日机密封件股份有限公司，更换后的干气密封运行平稳。

主密封气停止供给对干气密封造成的影响：产品气压缩机为透平驱动的多级离心式压缩机，分为两缸、四段，一段和二段组成低压缸，三段和四段组成高压缸。下面以高压缸为例，高压缸型号为：35M5/3I，如图3所示，在低压侧和高压侧（即三段和四段）有两套干气密封，采用的密封形式都是带中间迷宫的串联干气密封。

图3高压缸干气密封结构简图

迷宫密封在干气密封中起着重要作用，如果无迷宫密封，需要的气量就会很大，压缩机效率下降、能耗增加。如果压缩机工艺介质中含有颗粒，迷宫密封会防止颗粒进入干气密封中，造成损坏。如图4所示，密封材质的表面洁净光滑，运行时，压缩机转子的金属梳齿在密封面上划出均匀的槽（如图5所示），形成迷宫密封，把缸体和主密封腔隔离开。

图4新的迷宫密封

图5运转后无损伤的迷宫密封

图6损坏的迷宫密封

图片6中显示的是运转后损坏的迷宫密封，在开工阶段，四段主密封气流量突然降低至0 Nm3/h，压差升高至1200～1500KPa（波动），持续时间为4分钟。

原因分析：从图6中观察，密封材料的损坏是主密封气中断导致缸体内微小颗粒进入梳齿发热造成。3个防喘振阀开度情况：17%、18%、51%，3个防喘振阀开度匹配不合理，四段防喘振阀开度偏大，但是四段吸入流量不够，从防喘振曲线观察，喘振点也处于安全曲线的边缘，为防止发生喘振，不能继续关小四段防喘振阀，这就造成四段出口的物料经过返回线回到四段入口，所以出口压力偏低，而干气密封的主密封气气源正是从四段出口引出的，这就说明在当时的工况下四段防喘振阀开度偏大，而三个防喘振阀的开度匹配也说明了这一点。

后经过分析讨论决定，缓慢关闭四段防喘振阀（判断流量指示不准），并对压缩系统进行相应调整，主密封气流量上升至68.70Nm3/h（正常状态为263.81 Nm3/h），压差降低至720KPa（正常状态为90～120KPa），状态稳定。正常状态下，开大主密封气阀门，压差和流量均会上涨，但是此时对主密封气进行操作已经违背了这个规律，说明迷宫密封已经发生损坏，但是主密封气的流量逐渐恢复，泄漏流量和泄漏压差没有增大，这也说明迷宫密封没有完全损坏，还能够起到密封的作用，主密封气的动静环也没有损坏，否则缸体内的高压气体会泄漏到一级密封腔，主密封气泄漏压差增大导致连锁停车。事件发生后，机组仍然运行了近一年时间，在这段时间里，装置对机组尤其是干气密封系统进行特护，没有发生较大波动。

下面对干气密封异常运行状态和正常运行状态进行对比。记录时的工况：转速为5800rpm，干气密封系统的阀位设定值相同，压缩机进料量相同，返回线全部关闭。

表1迷宫密封损坏前后干气密封状态对比

从数据中可以看出，缓冲气（二级密封气）的压力和流量几乎没有任何变化，迷宫密封的损坏没有对二级密封造成影响，但是高压侧主密封气的压差、流量和泄漏气体的流量都有了明显的变化，也就是说，气膜的厚度发生了变化，气膜静压力和弹簧的作用力发生了变化，达到了新的平衡。

风险分析：干气密封在运行过程中如果主密封气停止供应，给干气密封造成的损害非常大，动静环没有气膜形成时在弹簧力的作用下会闭合，此时压缩机高速运行，动静环和迷宫密封都存在摩擦，有烧毁的危险；另外，主密封气中断时，如果缸体内部夹带颗粒的工艺气经过迷宫密封窜入主密封气腔体中，迷宫密封和动静环也存在烧毁的危险。所以在压缩机开工过程中，应特别关注干气密封的数据，并及时作出相应调整，避免事故的发生。

结束语：

产品气压缩机是装置的核心设备，干气密封是压缩机的重点部件，如果生产中出现损坏，会影响装置的正常运行，经过故障的处理和分析，总结如下：1、在压缩机开工过程中应特别注意干气密封的操作，出现异常现象应立即作出相应的调整，避免发生生产事故。2、干气密封在主密封气气源中断的情况下仍然能够运行一段时间，这就给设备操作人员提供的处理的时间，设备人员应熟悉相关问题和处理方法，在出现问题时立即作出应对。3、迷宫密封发生轻微损坏的情况下，干气密封系统不会失效，能够继续运行。我们应提高机组运行和维护方面的管理，保证安全运行，消除生产隐患。

参考文献：

[1]李沛远：GB-601高速离心压缩机干气密封的国产化.