吴涛/蓝星（天津）化工有限公司
丁进佰/约翰克兰鼎名密封（天津）有限公司

　　摘　要：简介了浮环密封、双端面干气密封及串联式干气密封的工作原理和结构，比较了其优缺点。得出选择双端面干气密封做轴端密封为Z佳的结论。

　　关键词：离心式压缩机；轴端密封

　　0　引言

　　目前，石化行业普遍应用透平压缩机来输送各种气体，我公司170万吨/年催化裂化装置用富气压缩机采用离心式压缩机，介质为富气，属易燃、易爆气体，不允许有泄漏。该机组是装置的核心设备，运行可靠性将直接制约着装置的安全、稳定、长周期运行。为了防止或限制工艺气体沿压缩机轴端泄漏，必须采用有效的轴端密封装置。富气压缩机轴端密封形式有浮环密封、双端面干气密封、串联式干气密封。

　　1　机组简介

　　压缩机选用沈阳鼓风机集团有限公司的产品，型号：2MCL1207，功率11239kW，正常转速3764r/min，进口流量96000m³/h，进口表压0.018MPa，出口表压1.5MPa，进口温度40℃，出口温度112.9℃。

　　2　浮环密封

　　2.1浮环密封的结构和原理

　　浮环密封的结构简图如图1。它由内浮环、外浮环、浮环座、压盖、弹簧、防转销等组成。

　　密封油从内外环之间注入，注入的密封油压力比气体介质高0.04～0.06MPa。当轴旋转时，由于浮环只能浮动不能转动，根据滑动轴承工作原理，在偏心圆柱间将形成油膜，产生流体压力将浮环托起，因此说浮环密封是一种液体节流式非接触密封，密封油通过浮环与轴之间很小的间隙，沿轴向左右流动，分别限制内泄漏和外泄漏。内浮环压差小，通常间隙也比外浮环小些，故内泄漏远较外泄漏为小，一般为2000～3000mL/h。流向气体介质侧的回油形成油气混合物，先进入油气分离器分离，再经脱气槽脱出腐蚀性气体，剩下的密封油流回油箱。流向大气侧的密封油没有与工艺介质接触，因此是干净的，可以通过回油管直接返回油箱，浮环密封产生的热量也主要靠这部分回油带走。

　　浮环密封的内外环之间装有弹簧，它使浮环端面与浮环座压盖端面接触紧密，防止机组在启动或停车过程中，密封油从浮环端面泄漏。

　　2.2浮环密封失效形式

　　（1）密封油窜入轴承箱，污染润滑油；

　　（2）浮环与轴摩擦，巴氏合金融化抱轴；

　　（3）密封油泄漏量大，油气分离器分离效果差，污染密封油；

　　（4）密封油从浮环端面泄漏，形成短路；

　　（5）浮环与轴偏磨，间隙变大。

　　2.3浮环密封失效原因

　　2.3.1密封油与密封气压差失控

　　在油气压差太小的情况下，密封气会冲破油膜进入浮环座和轴承箱，造成密封油和润滑油污染，使之酸值增高，粘度下降，腐蚀性增加。结果导致调速系统零部件腐蚀，失去灵活性，调速系统失灵。另外，浮环密封油膜被破坏后，还会造成浮环与轴摩擦，巴氏合金融化，发生抱轴事故。反之，油气压差太大，则内、外回油量剧增。内回油剧增，则会有部分密封油窜入机内，同时还会造成油气分离器、脱气槽负荷增大，油气分离效果差，这部分密封油流回油箱又污染了整个封油系统。外回油剧增，则回油腔充满，密封油就会窜入润滑油中污染润滑油。

　　2.3.2密封气质量不合格

　　压缩机密封气是来自吸收稳定的干气，干气中含有硫化氢等酸性气体，就会腐蚀浮环密封零部件，腐蚀脱落的金属颗粒随密封油进入浮环与轴的间隙，划伤浮环和轴。长时间的腐蚀还会使浮环失去浮动性，与轴摩擦而停机。

　　2.3.3安装检修质量不好

　　浮环端面、浮环座端面、压盖端面需进行研磨，否则端面接触面不良，严密性降低；内外浮环之间的弹簧弹力需高度一致；组装过程中应保持清洁，各密封表面、轴表面不允许有浮尘、锈斑；组装时各密封面不被撞击或划伤；控制好浮环与轴的间隙，内浮环与轴的间隙为0.06～0.08mm，外浮环与轴的间隙为0.23～0.26mm，保证浮环座与轴的垂直度，浮环座内圆与轴的同轴度。

　　2.4浮环密封的优缺点

　　浮环密封主要优点：属于非接触式密封，寿命长，可靠性较高，适应于高速和各种压力等级，工况范围广。

　　浮环密封主要缺点：（1）内泄漏较大，回收处理内泄漏油的设备复杂，包括油气分离器、脱气槽等控制系统。整个密封油系统价格占压缩机总价的30％左右，浮环密封辅助系统的投资远远高于密封本身的投资；（2）浮环密封的油气压差很小，控制系统复杂。国外统计的离心压缩机失效原因中，密封油和润滑油系统的故障高达55%～65％。

　　密封油系统能耗高，维护费用高，为操作带来困难。

　　由于上述缺点，富气压缩机浮环密封已逐渐被更先进的干气密封所代替。

　　3　双端面干气密封

　　3.1双端面干气密封的结构和原理

　　干气密封结构见图2。

　　弹簧在密封无负荷状态下，使静环与固定在轴上的动环组件配合。不同的是干气密封的密封面宽，动环或静环端面上（或者同时在两个端面上）开有螺旋槽，其加工精度高，测试手段复杂。

　　根据泵送原理，随着动环的转动，密封气被向内泵送到螺旋槽的根部。配合表面间的压力使静环表面与动环组件脱离，保持一个很小的间隙，一般为0.03mm左右。当由气体静压力和弹簧力产生的闭合力等于气体膜压力时，便建立了稳定的平衡间隙。密封气压力始终比富气压力高0.2～0.3MPa，这样密封气泄漏的方向总是朝着富气和大气，从而保证富气不会向大气泄漏。干气密封要取得优良的性能，需要保持间隙稳定，同时，为减小泄漏又必须控制间隙很小，保证密封面不会发生接触。

　　3.2干气密封控制系统

　　经过滤的干净密封气（一般为氮气）分三路进入压缩机的密封腔：一部分经节流孔板进入缓冲气腔，缓冲气经迷宫后全部进入压缩机内，其作用是阻止机内富气向外扩散污染密封端面，影响密封正常运行；另一部分经流量计后进入主密封腔，这部分主密封气全部经端面形成气膜，对端面起润滑冷却作用。向内侧泄漏的主密封气和缓冲气混合进入机内，向外侧泄漏的主密封气和隔离气混合放空；第三部分经孔板限流后进入隔离气腔，其中一部分隔离气经轴承箱放空，用来阻止润滑油进入干气密封，另一部分与向外侧泄漏的主密封气混合放空。双端面干气密封正常运行的主要条件是确保主密封腔与缓冲气腔压差大于0.3MPa，当压差小于0.05MPa时，应准备停车。另外，流量计和差压变送器信号进入DCS系统。

　　3.3双端面干气密封的优点

　　（1）端面非接触，寿命长，气膜厚度和刚度更大，可靠性更高；

　　（2）极限速度高，Z大达150～180m/s，适应各种工况；

　　（3）密封消耗的功率与密封介质的密度和粘度有很大关系，液体和气体的密度和粘度几乎相差两个数量级，干气密封消耗的功率仅为浮环密封的5％左右，因此说双端面干气密封功耗低，节省能源；

　　（4）省去了庞大的密封油系统，密封系统总投资比浮环密封低，质量轻，占地面积小；

　　（5）消除了密封油污染润滑油的可能性；

　　（6）控制系统比浮环密封简单，运行和维护费用低。

　　3.4双端面干气密封使用中的注意事项

　　（1）双端面干气密封零部件表面加工精度高，因此要求密封气必须清洁，允许杂质Z大颗粒尺寸为0.05mm，同时要防止密封面带油或其它液体，单向双列的双端面干气密封要严禁倒转，否则干气密封将失效甚至损坏。

　　（2）机组在开机时，尽量加大至低速暖机目标转速的启动速率，使双端面干气密封在机组启动时能够迅速脱开，减少启动时的磨损，这样将提高干气密封的使用寿命。

　　（3）密封气的流量是监控双端面干气密封运行好坏的，流量稳定则说明干气密封使用情况良好。双端面干气密封使用时如出现密封气流量渐渐增大，说明干气密封的零部件出现了问题，应引起重视，尽快解决。

　　（4）双端面干气密封体需定期检修，更换O型圈。

　　4　串联式干气密封

　　干气密封结构见图3。

　　带中间进气的串联式干气密封适用于既不允许工艺气泄漏到大气中，又不允许阻封气进入机内的工况。其结构是在串联式干气密封的两级之间加入迷宫密封或直筒密封结构。所用气体除工艺气本身以外，还需另引一路氮气作为第二级密封与中间迷宫间的使用气体。当一级密封失效时，第二级密封可以起到辅助安全的作用。

　　串联式干气密封的原理与双端面干气密封原理相同。

　　4.1串联式干气密封系统

　　干气密封系统流程说明：

　　（1）级密封气流程

　　脱硫干气经精过滤器过滤达到1μm精度，然后经流量计下游的截止阀控制流量，Z后进入高、低压端一级密封腔。一级密封气体绝大部分经机组迷宫返回到机内，阻止机内气体外漏污染密封，少量气体经过密封端面泄漏至级密封排气腔。

　　（2）第二级密封气流程

　　氮气经过滤器过滤达到1μm精度，分为两路，分别经流量计后进入高低压端二级密封腔，由流量计后的针阀控制流量。此部分气体中少量通过密封端面泄漏到二级密封排气腔，到室外放空；另外大部分气体经迷宫密封泄漏到一级密封排气腔，与一级密封泄漏气混合。

　　（3）隔离气控制流程

　　经过滤器过滤后的氮气，另一路分别经孔板组件后，进入高低压端隔离气室，一部分经迷宫后与二级密封端面泄漏的气体混合，引至安全地点放空；另一部分经迷宫后通过轴承回油放空孔就地放空，此部分气体是为了阻止润滑油污染密封端面。

　　（4）放火炬气流程

　　一级密封泄漏气与大部分二级密封气的混合气体经流量计后放火炬。孔板起节流作用，当一级密封损坏大量气体外漏，使孔板前的压力达到压力设定值时，压力开关连锁停机。

　　4.2串联式干气密封的优缺点

　　（1）串联式干气密封与双端面干气密封相比，氮气的耗量小；

　　（2）因脱硫干气长时间运行可能会造成密封端面结焦，有可能会造成密封损坏，无法达到长周期运转的要求；

　　（3）串联式干气密封与双端面干气密封相比，功耗大。

　　经综合评价，富气压缩机Z理想的轴端面密封为双端干气密封。