上海水泵集團技術之干氣密封常見損壞原因及維護

一、干氣密封的用途和適用范圍

干氣密封是在氣體動壓軸承基礎上發展起來的一種干運轉氣體薄膜潤滑非接觸式機械密封，該密封利用流體動力學原理，通過在密封端面上開設動壓槽而實現密封端面的非接觸性運行。

最初，干氣密封主要為了改善高速離心壓縮機的軸封問題，由于密封采取非接觸性的運行方式，因此干氣密封具有不受PV值影響、低泄漏率、無磨損運轉、低能耗、壽命長，效率高、操作簡單可靠、被密封流體不受油污染等特點，尤其在高壓設備、高速設備及各類壓縮機設備中應用具有良好前景。

目前，壓縮機用干氣密封已有20MPa以上的成功應用案例，2012年機械標準《干氣密封技術條件》將成熟的壓縮機用干氣密封范圍界定為壓力不超過15MPaG，平衡直徑不大于300mm，線速度不高于140 m/s；泵用干氣密封使用參數相對較低，介質壓力不超過4.1MPa（G），軸徑不大于110mm，線速度不高于25m/s。

二、干氣密封結構及原理

見圖1、2典型的干氣密封結構由旋轉環、靜環、彈簧、O形圈及軸和組裝套組成。動環與靜環配合表面具有很高的平面度和光潔度，通常在動環表面上加工有一系列的淺槽，借助端面開設的流體動及串聯式干氣密封。單端面布置壓槽，在旋轉狀態下所產生的流體動、靜壓效應，使兩端面被一穩定的薄氣膜分隔開來，而處于非接觸運行狀態。

工作原理是動環旋轉時，被密封的氣體沿周向吸入螺旋槽內，由外徑朝向中心，徑向分量朝向密封堰流動，密封堰阻止氣體流向中心，從而氣體被壓縮引起壓力升高，密封端面間隙得到靜定形成要求的氣膜。密封端面平衡間隙（膜厚）一般在2~10 μm之間。如此，端面的間隙可自行控制界面開啟力，與外界的閉合力平衡，使氣膜具有良好的彈性（氣膜剛度高），形成穩定的運轉并防止密封端面相互接觸。

干氣密封的結構形式根據被密封介質的不同、介質壓力的不同及工作轉速的不同，又可分為單端面干氣密封、雙端面干氣密封（見圖3） 適用于少量工藝氣泄漏至大氣中無危害的工況，如二氧化碳機、空壓機、氮壓機等；

雙端面布置（見圖4） 適用于不允許工藝氣泄漏至大氣中，但允許氮氣進入機組的工況，比如工藝氣比較臟、不穩定或存在負壓的危險；

串聯式布置（見圖5）適用于允許少量工藝氣泄漏至大氣的工況，采用兩級串聯式布置方式，一級為主密封，二級為備用密封。正常工況下，第一級密封承擔全部或大部分載荷，而另一級不承受或承受小部分壓力降，通過主密封泄漏的工藝氣體被引向火炬燃燒，剩余極少部分的工藝氣通過二級密封引入安全地帶放空。當主密封失效時，二級密封可以起到輔助安全作用。

三、常見損壞原因

1. 單向槽反轉或低速工況

在干氣密封使用過程中由于安裝錯誤導致驅動端與非驅動端裝反、機組停車不可避免存在反轉工況、低速暖機工況等存在，致環破碎導致密封損壞，嚴重時環直接碎裂。

2. 后置隔離密封失效

外側密封被污染在使用過程中，可能會因為設計或操作方面的原因導致潤滑油污染密封端面。例如：軸承腔排空不暢（呼吸帽過濾網堵塞）、氣體設計流速低造成氣量過小、迷宮齒數或間隙不合適、孔板設計過小、系統控制問題、氮氣波動或供氣中斷、開停車操作順序錯誤、誤操作等。

3. 壓縮機前置迷宮失效

密封污染壓縮機前置迷宮密封磨損嚴重，導致工藝氣反竄至干藝密封的密封面，污染密封見圖6。

4. 開停車處理不當

密封污染開停車過程中，一級密封氣流量不容易保證，機內氣體容易反竄，造成一級密封端面的污染，因此可能在初試開車增壓過程中，壓力較低，泄漏量偏大。在對機組準備開車，進行沖壓前，必須先通過控制系統注入開車用密封氣，避免工藝氣反竄造成密封的污染；在停車過程中，應及時切換氣源，避免造成工藝氣反竄污染密封；停車期間，避免因操作等原因造成密封污染。

5. 正常運行時，過濾系統失效

密封污染在干氣密封現場運行中可能出現密封氣嚴重帶液，超出過濾器處理能力；過濾器堵塞后未及時切換，造成濾芯破損；氣源中含大量的細粉，其粒度小于過濾器的精度，超出了過濾器的處理能力，但總量大，對密封及系統均造成影響等情況導致過濾系統失效，從而污染密封，導致失效。

6. 機組原因造成的密封失效

某化工廠載氣壓縮機正常運行期間，機組振動值突然直線上升，超出儀表的測量范圍，緊接著機組密封泄漏超標。解體后發現密封動環碎裂，主要是因為主軸上熱套的平衡盤松動，發生了軸向位移，并與定子發生了接觸磨損，導致機組的振動值升高，并超出了密封能夠承受的范圍，引發密封損壞。

7. 現場誤操作

某化工廠乙烯壓縮機，機組正常運行2年左右，兩端密封突然同時失效，密封環損壞。后期排查原因時發現，冬天溫度較低，操作人員出于好心將密封氣的加熱器開啟，因溫度突變造成密封環炸裂。

四、維護及運行注意事項

1. 干氣密封操作極限

干氣密封的軸向竄動允許依2.5 mm；徑向跳動允許依0.6 mm；可承受短時間低速脈沖式盤車；承受API617振動公差要求；靜態時可承受不超過1 MPa的反壓，動態時不允許反壓。

2. 干氣密封操作注意事項

必須選用干凈、干燥，在一定溫度、一定壓力下不碳化、不聚合的氣體作為干氣密封工作氣源；必須始終保證干氣密封各個密封端面上、下游壓差為正壓差，且單向旋轉槽型不可反向旋轉。

在日常正常運行中，干氣密封本體基本不需要特殊操作和維護，但在工藝條件波動、啟停過程中需要注意各流量、壓力參數是否在密封廠家給出的正常值范圍內。尤其在開停車過程中必須嚴格按照密封廠家提供的順序操作，一般而言，開車時，先投后置隔離氣，再投軸承潤滑油。停車時，反之。

日常維護中需要對干氣密封控制系統進行定期巡視和維護，檢測過濾器是否阻塞，保溫、伴熱是否正常、儀器儀表是否正常等，一般來說，保證各顯示儀表數值在正常范圍內，基本能夠保證密封運行性能。

3. 干氣密封備件的貯存

干氣密封備件一般貯存在室溫不低于-15℃和不高于40℃的通風、避光、干燥的室內存放。自出廠之日起，密封產品貯存時間為3年，超過3年的干氣密封，使用前應發回原廠家進行檢測、更換輔助密封圈并試驗。